復(fù)合巖層底板底鼓錨索支護(hù)的力學(xué)機(jī)理及應(yīng)用

李江鋒，武少鵬，侯旭斌

(1.潞安環(huán)能股份有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046204；2.潞安化工集團(tuán) 健康安全環(huán)保部，山西 長(zhǎng)治 046204)

近幾十年來(lái)，巷道圍巖控制理論及技術(shù)特別是采用錨桿支護(hù)治理底鼓，一直是采礦工程學(xué)科的重大研究方向，隨著煤炭進(jìn)入深部開(kāi)采，巷道底板出現(xiàn)了類似于煤層巷道的復(fù)合頂板，由于復(fù)合底板巖層層間的粘結(jié)力比較小,當(dāng)受到兩幫圍巖的擠壓以及下部巖層向上移動(dòng)的作用下,底板巖層將會(huì)失穩(wěn)并向巷道內(nèi)彎曲,它是復(fù)合底板巷道底鼓的一個(gè)重要原因。復(fù)合底板其實(shí)是幾層軟弱巖層的組合，如果采用底板錨索將其組合再讓錨索嵌入深部穩(wěn)定巖層中就可以有效控制此類底鼓[1]。

1 底板錨索支護(hù)的力學(xué)機(jī)理

根據(jù)不同巖性組成的復(fù)合底板，在礦山壓力作用下，巷道底板壓力成不均勻性衰減，巷道底板變形量和變形速度出現(xiàn)離值差，導(dǎo)致軟弱層產(chǎn)生離層，通過(guò)對(duì)底板圍巖進(jìn)行整體加固，形成復(fù)合底梁，可以恢復(fù)底板三向應(yīng)力平衡，實(shí)現(xiàn)整體穩(wěn)定目的[2]。采用錨索支護(hù)底板的力學(xué)機(jī)理就是將復(fù)合底板軟弱夾層形成整體的承載結(jié)構(gòu)，有效控制底板變形，力學(xué)模型見(jiàn)圖1。

圖1 底板錨索支護(hù)力學(xué)模型

底板巖層h1下部承受垂直向上的分布力，兩端作用有由于兩幫下沉產(chǎn)生的水平擠壓力，在分布載荷的作用下，底板巖層h1的彈性曲面微分方程滿足：

(1)

式中：ω為巖層h1的撓度；E1I1為巖層h1抗彎剛度；q為發(fā)生底鼓范圍巖層的折斷分布載荷。

在一般情況下，q是x的函數(shù)。在此為了分析簡(jiǎn)便，取q為常數(shù)。并利用兩端固支的條件下，撓度ω的表達(dá)式為：

(2)

由撓度的二階導(dǎo)數(shù)與彎矩的關(guān)系：

(3)

則可得任意界面x處的彎矩表達(dá)式為：

(4)

軟巖彎曲底鼓取決于底板巖層的不斷失穩(wěn)。當(dāng)h1巖層彎曲斷裂后，圍巖應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。隨著應(yīng)力的增加或時(shí)間的推移，h2巖層也將會(huì)發(fā)生彎曲斷裂。以此類推，直到底板巖層最終彎曲斷裂的破壞深度。

但是采用底板長(zhǎng)錨索支護(hù)時(shí)，相互獨(dú)立的發(fā)生底鼓的層狀底板組合成厚度較大的組合梁頂板承載結(jié)構(gòu)。

此時(shí)，底板組合梁厚度為h1-i，即若干層頂板成為一個(gè)整體形成梁的厚度較獨(dú)立層狀的底梁厚度大得多。若巷道頂部下位j層頂板成為整體梁，則撓度的表達(dá)式變?yōu)?

(5)

式中：EI為組合梁的抗彎剛度，EI>E1I1。

此時(shí)，底梁任意界面x處的彎矩為：

(6)

式中：h1-j=h1+h2+…+hj。

對(duì)于軟巖彎曲引起的底鼓，當(dāng)?shù)装宀捎瞄L(zhǎng)錨索支護(hù)后，根據(jù)巷道底板最大應(yīng)力計(jì)算表達(dá)式可知，實(shí)際組合梁厚度h1-j顯著大于一般錨網(wǎng)索支護(hù)中僅由錨桿支護(hù)形成的巖梁厚度h1；同時(shí)由于組合了下位巖層中的j層巖石，其受到上部巖層的荷載也隨之減小，組合梁的剪應(yīng)力值和拉應(yīng)力值均減少很多。

因此，采用錨索支護(hù)復(fù)合巖層底板，可以顯著增強(qiáng)底板穩(wěn)定性。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

永城新橋煤礦北翼軌道大巷埋深大約在-580 m，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該巷道局部地段頂板已開(kāi)裂剝落，并逐步發(fā)展為沿巷道走向的連續(xù)破壞；底鼓突出，尤其幫底角處已嚴(yán)重內(nèi)移，影響大巷成型。而且，巷道變形和底鼓并未停止。巷道變形情況：巷寬由原來(lái)的4.4 m變形到現(xiàn)在的3.9～4.0 m，高度由原來(lái)的3.9 m變形到現(xiàn)在的3.0～3.5 m，底板變形嚴(yán)重，局部底鼓量達(dá)到了800 mm。

2.2 巷道地質(zhì)條件

北翼軌道大巷為穿層巷道，穿過(guò)的主要巖層有粉砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖，但大部分區(qū)段為泥巖，巷道穿過(guò)地層的構(gòu)造非常復(fù)雜，巷道巖層柱狀圖見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)巷段巖層鉆孔綜合柱狀圖

2.3 底板錨注防底鼓方案及參數(shù)

1) 幫角注漿加固。幫角注漿加固時(shí)，巷道幫部及靠下底角位置每間隔4.2 m布置注漿錨桿，對(duì)幫部和巷道底板進(jìn)行注漿加固。注漿孔深2 500 mm,注漿錨桿長(zhǎng)度800 mm，4分鋼管制成；封孔可采用空心水泥卷或樹(shù)脂藥卷密實(shí)，封孔深度為1.0 m。注漿最大壓力為2.5 MPa。

2) 底板錨索聯(lián)合底梁控底。刷大斷面達(dá)到設(shè)計(jì)要求，及時(shí)進(jìn)行初噴封閉圍巖，噴層厚度20～30 mm?；炷僚浔葹樗唷蒙啊檬印盟?1∶2∶2∶0.6。

頂幫支護(hù)從頂板正中位置依次向兩側(cè)全斷面打設(shè)錨桿，間排距800 mm×800 mm配合鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格D22 m×2.4 m，每根錨桿裝2根藥卷，1根K2335，1根Z2360。預(yù)緊力不低于80 kN,錨固力不低于200 kN。錨桿垂直巖面打設(shè)，巷道底角錨桿向下10°打設(shè)。

頂幫支護(hù)完畢，首先將底板清底350 mm，每隔3根軌枕(2.1 m)在兩軌枕間施工一底槽、規(guī)格為600 mm×3 800 mm，在開(kāi)挖好的底槽中施工3根錨索(注漿)+底梁，鋼絞線規(guī)格為D15.24 m×6.3 m，眼深6.0 m，排距2.1 m；底梁長(zhǎng)3 600 mm，由兩根2 000 mm長(zhǎng)規(guī)格分別為16號(hào)與18號(hào)槽鋼梁搭接而成，搭接長(zhǎng)度400 mm，眼距1 500 mm。底梁按巷道橫截面方位放置。注漿錨索先注漿，漿液凝固達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度30 MPa要求后，再放置槽鋼梁張拉上緊固定。注漿錨桿長(zhǎng)800 mm，4分鋼管制成；封孔可采用空心水泥卷或樹(shù)脂藥卷密實(shí)，封孔深度不小于0.5 m。注漿最大壓力為2.5 MPa(底板錨索聯(lián)合底梁控底示意見(jiàn)圖3)。

圖3 底板錨索聯(lián)合底梁控底示意(mm)

2.4 支護(hù)效果

從圖4的巷道頂板離層觀測(cè)結(jié)果看出，進(jìn)行新型支護(hù)方案后，巷道圍巖未發(fā)生較大變形，截止回采期間巷道頂?shù)装逡平孔畲? mm，兩幫最大收斂7 mm巷道圍巖得到了很好的控制，巷道整體維護(hù)較好，前后對(duì)比效果見(jiàn)圖5。

圖4 巷道頂板離層觀測(cè)結(jié)果

圖5 底板錨索支護(hù)效果對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 針對(duì)永煤新橋礦-550 m北翼軌道運(yùn)輸大巷的復(fù)合巖層底板的巖性組成，依據(jù)底板錨索支護(hù)的力學(xué)機(jī)理，提出了采用錨索梁支護(hù)技術(shù)治理巷道頂?shù)装遄冃?，不但將?fù)合底板組成一體，而且調(diào)動(dòng)了深部圍巖的承載性，使巷道頂?shù)装逡平拷档阶畲? mm。

2) 底板錨索增強(qiáng)了底板巖層的抗彎剛度，而且錨索梁作為附件支護(hù)受力均衡，這樣有效阻止了深部巖體向上的作用力，減小底板的變形。

3) 該支護(hù)技術(shù)在永城新橋煤礦北翼軌道大巷底鼓治理得到了成功應(yīng)用，該支護(hù)技術(shù)可在類似條件巷道支護(hù)實(shí)踐中推廣應(yīng)用。