高應(yīng)力巷道底板卸壓及圍巖錨注支護(hù)技術(shù)

李迎松，鄭明明，胡 磊，徐 陽(yáng)，王旭瑞

（平煤神馬控股集團(tuán)有限公司平煤股份 八礦，河南 平頂山 467000）

0 引 言

隨著煤炭資源開(kāi)采深度的不斷增加，礦井開(kāi)采條件逐漸變得復(fù)雜，特別是深部高應(yīng)力巷道出現(xiàn)支護(hù)困難、圍巖破損嚴(yán)重以及維修工程量大等問(wèn)題[1-2]。目前高應(yīng)力巷道出現(xiàn)的問(wèn)題已嚴(yán)重影響到礦井的日常生產(chǎn)，現(xiàn)有傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)難以匹配日益增長(zhǎng)的煤炭資源開(kāi)采的需求[3]。因此亟待提出一種新型的支護(hù)技術(shù)，解決深部高應(yīng)力巷道難以支護(hù)的問(wèn)題[4-5]。

采用巷道卸壓的方法能夠轉(zhuǎn)移圍巖的高應(yīng)力分布區(qū)域，從而改善高應(yīng)力對(duì)圍巖變形的影響[6]。目前常用的卸壓方法有切頂卸壓、鉆孔卸壓、底板卸壓等。針對(duì)深部高應(yīng)力巷道可通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析圍巖卸壓效果，進(jìn)而得到合理的卸壓參數(shù)，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工[7-8]。另外，對(duì)于圍巖破損嚴(yán)重的巷道，巷道支護(hù)常采用錨注支護(hù)的手段，錨注支護(hù)能夠通過(guò)注漿填充圍巖裂隙，增加圍巖的完整性，最大程度的發(fā)揮錨桿的錨固性能[9-10]。

本文針對(duì)平煤八礦高應(yīng)力回風(fēng)上山巷道圍巖軟弱易破碎，巷道底鼓嚴(yán)重的問(wèn)題，采用數(shù)值模擬的方法確定了底板卸壓槽的參數(shù)，并提出“混凝土+錨網(wǎng)+注漿＋卸壓槽”的多層次聯(lián)合支護(hù)方案，解決了該巷道在支護(hù)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，保證了礦井的安全開(kāi)采。

1 概 況

平煤八礦回風(fēng)上山巷道所處巖層以泥巖為主，圍巖軟弱，易破碎，遇水易膨脹變形，且所處巖層以構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力方向?yàn)榻椒较?，造成圍巖塑性變形大，巷道底鼓嚴(yán)重。巷道頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。為解決上述問(wèn)題，提出了圍巖錨注和底板卸壓的支護(hù)方式，可以為后續(xù)巷道支護(hù)提供一定的技術(shù)參考。

表1 回風(fēng)上山巷道頂?shù)装鍘r性分布情況Table 1 Roof and floor lithology distribution of return air uphill roadway

2 底板卸壓模擬研究

2.1 數(shù)值模型建立

為了能夠清晰反映底板卸壓的效果以及合理的確定底板卸壓槽的參數(shù)，采用UDEC 軟件建立了回風(fēng)上山巷道的數(shù)值計(jì)算模型，模擬的巷道埋深為813 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了解到的巖層分布情況，沿巷道頂?shù)装鍘r層垂直剖面建立平面應(yīng)變模型，如圖1 所示。模型長(zhǎng)度為98.0 m，高度為65.0 m，共分為5 層，分別為砂質(zhì)泥巖23.0 m、中粒砂巖4.3 m、泥巖12.2 m、砂質(zhì)泥巖7.7 m 和細(xì)粒砂巖17.8 m。載荷分布形式簡(jiǎn)化為均布載荷，通過(guò)巷道上覆巖層自重?fù)Q算得到p=19.31 MPa。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical calculation model

2.2 卸壓效果分析

為了能夠直觀的反映開(kāi)挖卸壓槽對(duì)抑制巷道底鼓產(chǎn)生的作用，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)卸壓前后底板應(yīng)力變化進(jìn)行對(duì)比，卸壓槽寬度為0.8 m，深度為1.0 m。在巷道底板中線位置垂直向下布置15.0 m 的測(cè)線，從底板位置開(kāi)始，每隔1.0 m 設(shè)置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線布置位置如圖1 所示，開(kāi)挖卸壓槽前后底板圍巖的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力變化曲線，如圖2所示。

圖2 開(kāi)挖卸壓槽前后底板圍巖應(yīng)力變化曲線Fig.2 Stress variation curve of floor surrounding rock before and after excavation of pressure relief groove

從圖2 中可以看出，開(kāi)挖卸壓槽后的垂直應(yīng)力小于開(kāi)挖卸壓槽前，卸壓槽能夠增加底板圍巖的變形空間，使底板圍巖的裂隙得到充分發(fā)育，并向底板深部擴(kuò)展，使垂直應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)向底板深部轉(zhuǎn)移，減小巷道淺部底板的垂直應(yīng)力。

另外，卸壓槽的存在增加了底板的自由面寬度，使底板水平應(yīng)力的低應(yīng)力范圍增加，開(kāi)挖卸壓槽后水平應(yīng)力小于開(kāi)挖卸壓槽前相同位置處的水平應(yīng)力，且水平應(yīng)力峰值向深部移動(dòng)了1.0 m。綜上分析，開(kāi)挖卸壓槽能夠有效降低巷道底板圍巖的應(yīng)力，對(duì)底板卸壓有顯著效果。

2.3 卸壓槽參數(shù)確定

為了合理確定卸壓槽的寬度和深度，模擬方案分別設(shè)計(jì)了3 個(gè)寬度水平和3 個(gè)深度水平，采用正交方法，共9 組模擬方案。其中寬度分別為0.8、1.2 和1.6 m，深度分別為1.0、1.5 和2.0 m。

根據(jù)9 組卸壓方案的模擬計(jì)算結(jié)果，分析卸壓槽寬度和深度對(duì)巷道圍巖變形量的影響，通過(guò)二次多項(xiàng)式回歸分析，巷道兩幫變形量、頂?shù)装遄冃瘟颗c卸壓槽寬度和深度的關(guān)系，進(jìn)而得到合理的卸壓槽參數(shù)。巷道變形量與卸壓槽寬度和深度關(guān)系如圖3 所示。

圖3 巷道變形量與卸壓槽寬度和深度關(guān)系Fig.3 The relationship between roadway deformation and the width and depth of pressure relief groove

從圖3 中可以看出，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平侩S著卸壓槽寬度和深度的變化，具有相同的變化趨勢(shì)。卸壓槽深度增加，巷道變形量增大，巷道圍巖塑性區(qū)變大，圍巖高應(yīng)力區(qū)向深度轉(zhuǎn)移，有利于擴(kuò)大底板卸壓區(qū)范圍，因此，卸壓槽深度選擇為2.0 m。同樣，卸壓槽寬度的增加也會(huì)導(dǎo)致巷道塑性區(qū)范圍增大，但當(dāng)卸壓槽寬度增加到1.6 m時(shí)，巷道變形量會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突增現(xiàn)象，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定，因此，卸壓槽寬度選擇為1.2 m 較為合理。綜上對(duì)9 組模擬方案的結(jié)果分析，卸壓槽寬度和深度分別確定為1.2 m 和2.0 m。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)平煤八礦回風(fēng)上山巷道圍巖巖性及圍巖變形破壞規(guī)律，采用底板卸壓和圍巖錨注的支護(hù)思路，提出“混凝土+錨網(wǎng)+注漿＋卸壓槽”的多層次聯(lián)合支護(hù)方案，如圖4 所示。

圖4 巷道多層次聯(lián)合支護(hù)方案示意Fig.4 Multi-level combined support scheme of roadway

通過(guò)在巷道底板開(kāi)挖卸壓槽，能夠有效改善底板的應(yīng)力狀態(tài)，可以將底板高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部。通過(guò)對(duì)圍巖注漿加固，提高巷道圍巖的自身強(qiáng)度，為錨桿提供錨固著力點(diǎn)，充分發(fā)揮錨桿的錨固效果，提高圍巖的自承載能力。

具體支護(hù)參數(shù)為，4 層混凝土、3 層錨桿、3層鋼絲繩網(wǎng)、注漿加固以及底板2 個(gè)卸壓槽的聯(lián)合支護(hù)，其中4 層混凝土的厚度分別為0.08、0.10、0.10 和0.07 m。錨桿均采用φ22 mm×2 400 mm的左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)度樹(shù)脂錨桿，錨桿間排距為0.70 m×0.70 m。鋼絲繩網(wǎng)格為0.70 m×0.70 m。底板卸壓槽寬度為1.2 m，高度為2.0 m，后期底板卸壓槽需要利用混凝土充填。注漿錨桿采用φ20 mm×1 800 mm 的自固內(nèi)注漿錨桿，注漿錨桿間排距1.5 m×1.5 m。注漿材料水灰比為0.9∶1.0，注漿壓力保持在2.8~4.5 MPa。

3.2 施工工藝

現(xiàn)場(chǎng)施工主要包括噴射混凝土、掛鋼絲繩網(wǎng)打錨桿、開(kāi)挖卸壓槽和注漿。

（1） 噴射混凝土。在巷道開(kāi)挖結(jié)束后進(jìn)行初噴，混凝土厚度為0.08 m。之后依次進(jìn)行3 次掛鋼絲繩網(wǎng)打錨桿和噴射混凝土，每次噴射混凝土的厚度分別為0.1、0.1 和0.07 m。4 次混凝土的厚度應(yīng)不小于0.35 m?！八膰娙龗臁绷⒚?，如圖5（a）所示。

圖5 支護(hù)立面圖和平面圖Fig.5 Support facade and plan view

（2） 掛鋼絲繩網(wǎng)打錨桿。鋼絲繩分為主繩和副繩，主繩由兩股鋼絲繩組成，副繩由一股鋼絲繩組成。施工時(shí)主繩的一端被錨桿托盤固定，同時(shí)給鋼絲繩施加一定的預(yù)緊力，并在鋼絲繩走向方向上依次打入錨桿，副繩不用錨桿托盤固定，施工時(shí)副繩交叉穿過(guò)主繩固定。鋼絲繩沿巷道軸向方向每段長(zhǎng)度為8 m，沿巷道環(huán)向方向每段長(zhǎng)度為19 m，當(dāng)兩段鋼絲繩需要搭接時(shí)，搭接長(zhǎng)度不小于0.8 m。掛鋼絲繩網(wǎng)打錨桿平面如圖5（b） 所示。

（3） 開(kāi)挖卸壓槽。卸壓槽開(kāi)挖在第三次掛鋼絲繩網(wǎng)打錨桿之后進(jìn)行。卸壓槽采用放炮結(jié)合人工掏槽的方法開(kāi)挖。卸壓槽寬度為1.2 m，深度為2.0 m。等待巷道卸壓15 d 后，進(jìn)行第四次噴射混凝土，并將卸壓槽噴填。

（4） 注漿。在巷道卸壓結(jié)束后進(jìn)行壁后注漿加固，巷道分兩次注漿，第一次為淺部注漿，注漿深度為2.5 m，第二次為深部注漿，注漿深度為3.0 m。注漿錨桿間排距1.5 m×1.5 m。注漿材料水灰比為0.9∶1.0，注漿壓力保持在2.8~4.5 MPa。

3.3 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

為了分析巷道圍巖穩(wěn)定性的控制效果，在回風(fēng)上山巷道工業(yè)性試驗(yàn)段進(jìn)行鉆孔窺視，窺視鉆孔水平布置在巷幫，鉆孔深度大于7 m。鉆孔窺視的結(jié)果如圖6 所示。

圖6 鉆孔窺視圖Fig.6 Borehole peep view

從圖6 中可以看出，巷道0~1.0 m 的圍巖比較破碎，1.0 ~ 3.0 m 巖體出現(xiàn)離層，裂隙橫向發(fā)育，通過(guò)注漿，裂隙出現(xiàn)重新膠結(jié)現(xiàn)象，3.0~5.0 m 縱向裂隙較為發(fā)育，在鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生大量巖屑，5.0~7.0 m 圍巖完整性較好。

采用底板卸壓和圍巖錨注的支護(hù)方案，通過(guò)底板卸壓分散了高應(yīng)力集中區(qū)，改善了底鼓現(xiàn)象。通過(guò)深孔、淺孔交替注漿，漿液擴(kuò)散半徑達(dá)到3.0 m，巷道淺部圍巖整體性較好。

4 結(jié) 論

（1） 針對(duì)平煤八礦高應(yīng)力回風(fēng)上山巷道圍巖軟弱易破碎、巷道底鼓嚴(yán)重的問(wèn)題。采用底板卸壓和圍巖錨注的支護(hù)思路，提出了“混凝土+錨網(wǎng)+注漿＋卸壓槽”的多層次聯(lián)合支護(hù)方案。

（2） 結(jié)合UDEC 軟件建立了回風(fēng)上山巷道的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)比了卸壓前后的應(yīng)力分布情況，卸壓槽能夠有效的分散巷道底板的高應(yīng)力集中區(qū)。確定了卸壓槽的寬度為1.2 m，深度為2.0 m。

（3） 制定了一套完整的施工工藝流程，通過(guò)鉆孔窺視分析，巷道圍巖整體性較好，巷道變形得到了有效控制。