軌道大巷底鼓機理分析及控制技術(shù)研究

李旭東

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

山西陽煤集團新景礦中條帶軌道巷位于井田西部，該巷道為一水平提供運輸、行人等服務。巷道埋深450 m，半圓拱形，凈斷面4500 mm×3650 mm。頂板巖層為中粒砂巖，均厚16.5 m，巖層完整性好、強度高；底板直接底巖層為灰?guī)r和11#煤互層，其中灰?guī)r層均厚3.14 m，11#煤均厚0.22 m；基本底為中粒砂巖，均厚為10 m；底板巖層整體裂隙較為發(fā)育，巖層較為松軟，整體性較差。

中條帶軌道巷原有支護采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護，錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6200 mm 的1×7 股鋼絞線，錨索間排距為1800 mm×1600 mm，錨桿索之間采用梯子梁進行連接，巷道表面噴射100 m 厚的混凝土。在該種支護方案下，巷道在5280～5430 m 的范圍內(nèi)礦壓顯現(xiàn)較為明顯，底板鼓起量較大，局部最大底板鼓起量0.9 m，平均底鼓量為0.65 m。且巷道在鄰近工作面回采礦山壓力作用下，進一步持續(xù)變形，巷道斷面的變形已經(jīng)嚴重影響到巷道的正常使用，急需對巷道圍巖進行補強加固。巷道原有支護斷面圖如圖1。

圖1 巷道原有支護斷面圖

2 底鼓機理分析

2.1 底鼓影響因素分析

根據(jù)眾多巷道底鼓方面的理論研究[1]，巷道底鼓主要受到巷道圍巖巖性、圍巖應力、巷道斷面形狀及支護形式的影響，現(xiàn)基于中條帶軌道巷的特征，進行巷道底鼓影響因素的具體分析：

（1）底板的巖性。根據(jù)地質(zhì)資料可知，巷道底板巖層以炭質(zhì)泥巖和含泥質(zhì)泥巖為主，且該類巖石中含有高嶺石、蒙脫石和伊利石等物質(zhì)，其遇水易出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，巖層遇水后會使得底板巖體逐漸松散破碎。

（2）圍巖應力。中條帶巷的埋深在450～500 m的范圍，圍巖的自重應力在11.7～16.3 MPa 的范圍內(nèi)，該區(qū)域最大主應力為水平主應力，數(shù)值為17.2 MPa，該區(qū)域巖體的單軸抗壓強度平均值為20.25 MPa。在巷道開挖后，由于巷道兩幫在水平應力的作用下會對底板巖層形成一定的擠壓破壞，使得底板巖層出現(xiàn)擴容剪脹變形，進而導致底板鼓起的現(xiàn)象。

（3）支護強度。巷道原有支護采用普通的錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護，但底板處于無支護的狀態(tài)，且原有支護對于兩幫的控制強度也不足，進而致使應力不斷向底板傳遞，底板在應力作用下會逐漸變形。

（4）巷道斷面。根據(jù)相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果可知[2]，在相同的地質(zhì)條件下，巷道斷面為圓形時的底鼓變形量比直墻半圓拱形的巷道斷面小1/3，中條帶巷采用直墻半圓拱形的巷道斷面，巷道底板無法形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)。

2.2 底鼓量的構(gòu)成

根據(jù)中條帶軌道巷所處的地質(zhì)條件和應力狀況，主要從底板彈塑性變形、峰前擴容及峰后剪脹、遇水膨脹和圍巖蠕動四方面進行分析[3-4]。

（1）彈塑性變形引起的底鼓量。該部分底鼓量為底板巖層處于彈塑性階段時的變形，可將巷道斷面等效成圓形，再基于雙向等壓情況下的周邊位移計算公式進行計算分析。通過計算可知該部分的底板位移92.447 mm，可知底板在彈塑性階段的變形量相對較小。

（2）底板巖層峰前擴容及峰后剪脹引起的底鼓量。巖石在峰后變形可劃分為碎脹變形的一階段和二階段，巖石在該階段的變形主要是沿著巖石已經(jīng)存在的破裂面發(fā)生錯動、滑移和轉(zhuǎn)動，進而造成底板巖層呈現(xiàn)出變形的特征，巷道底板在該部分的變形為底板變形量的主要部分。具體巖石沿著X 狀剪切面的滑動模型如圖2。

圖2 巖石X 狀剪切面滑動模型

（3）軟巖遇水膨脹引起的底鼓量。底板水能夠滲透的范圍基本與圍巖松動圈的范圍相等，故以松動圈范圍進行該部分底鼓量計算，計算公式為：

式中：Uf為底板巖層遇水產(chǎn)生的膨脹量，mm；Ks為巖石的碎脹系數(shù)，一般取0.05～0.5；Lp為底板圍巖的松動范圍，mm；Ra為底板巖層的單軸抗壓強度，MPa；P0為原巖應力；MPa?，F(xiàn)結(jié)合巷道底板巖層特征，分別以底板為泥巖和砂巖進行計算，計算得出泥巖和砂巖遇水膨脹量分別為276.63 mm 和153.11 mm。

（4）巷道圍巖蠕動引起的底鼓量。巷道開挖后，圍巖變形會隨著時間的增長而不斷變形?；谙嚓P(guān)研究可知[5-6]，巖石的蠕變與巷道半徑及巷道掘出后的時間呈現(xiàn)正相關(guān)。

基于上述分析得出，底板鼓起主要是由于圍巖受到剪切變形、遇水膨脹和流變，其中引起底板鼓起的主要因素為圍巖受到剪脹和遇水膨脹，故為有效控制底板鼓起量，應考慮這兩方面的影響因素進行補強加固方案設計。

3 底鼓控制技術(shù)及效果

3.1 底鼓治理方案

基于中條帶軌道巷底鼓特征及引起底鼓的主要因素，結(jié)合巷道地質(zhì)條件，確定采用臥底+淺部注漿+深部注漿錨索相結(jié)合的治理方案，具體治理方案如下。

（1）巷道臥底。為確保中條帶巷滿足使用要求，在注漿前進行巷道臥底，起底深度為500 mm。

（2）淺孔注漿。注漿材料采用水泥-水玻璃漿液，注漿孔參數(shù)為Φ42 mm×1500 mm，間排距為1000 mm×4000 mm，注漿孔沿巷道中線交錯布置，設置終孔注漿壓力為3～5 MPa。具體淺部注漿孔的布置形式如圖3。

圖3 淺孔注漿布置形式斷面圖

（3）底板注漿錨索束補強支護。淺部注漿完畢后，進行深部注漿作業(yè)。深部注漿采用注漿錨索，注漿錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×15 000 mm，其沿巷道中線兩側(cè)交錯布置，端部錨入底板石灰?guī)r2 m 的深度，布置排距為2 m，其中靠近巷幫的錨索與垂直方向成15°布置，中部錨索沿著垂直方向布置。具體錨索布置形式如圖4。深部注漿材料采用水泥漿，注漿終孔壓力為8 MPa。

圖4 底板注漿錨索布置形式示意圖

單孔注漿施工的具體步驟如下：

（1）在需加固位置用鉆機按設計位置打設注漿鉆孔，鉆孔直徑及深度等由注漿參數(shù)決定；

（2）安裝注漿花管，將注漿花管放入鉆好的注漿孔，注漿花管外端與注液槍通過螺紋連接，并對注漿孔進行封孔；

（3）孔口進行有效的封孔后，便可開泵，進行注漿作業(yè)；

（4）待注漿完畢后，停泵，卸壓，拆除注液槍及注漿管線，移至下一個注漿孔，單孔注漿結(jié)束，依次進行下一鉆孔注漿。

具體注漿工藝流程如圖5。

圖5 注漿工藝流程圖

3.2 治理效果分析

為驗證中條帶巷底鼓的治理效果，底鼓治理措施實施后，對底鼓治理區(qū)域巷道頂?shù)装宓囊平砍掷m(xù)進行3 個月的觀測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果繪制出頂?shù)装逡平侩S觀測時間的變化曲線如圖6。

圖6 頂?shù)装逡平壳€圖

分析圖6 可知，中條帶巷道在采用底鼓治理措施后，其頂?shù)装逡平恐饕l(fā)生在處理措施實施后的0～40 d 內(nèi)，在治理措施實施40 d 后，巷道頂?shù)装逡平俾蚀蠓鶞p小，治理措施采用60 d 時，頂?shù)装寤具_到穩(wěn)定，最大變形量為108 mm，這即表明底鼓治理措施實施后有效解決了底板鼓起量大的問題。

4 結(jié)論

根據(jù)中條帶軌道巷的具體地質(zhì)條件，通過底鼓機理分析得出巷道底板鼓起主要是由于圍巖受到剪切變形、遇水膨脹和流變的影響?；趯е碌坠淖冃蔚闹饕蛩兀_定采用淺孔注漿+深部注漿錨索底鼓治理方案。根據(jù)底鼓治理方案實施后的頂?shù)装逡平坑^測結(jié)果得出，底鼓治理效果良好。