软岩巷道复合型底鼓破坏机理及控制对策

刘富平

(霍州煤电集团 辛置煤矿，山西　霍州　031412)

1　工程概况

某矿一水平标高为-823 m，该矿井底车场处于13#煤层底板、11#煤层顶板，西翼运输石门是井底车场重车线与西翼运输大巷连接的枢纽。西翼运输石门采用炮掘施工，巷道形状为直墙半圆拱，巷道掘进断面高为4 850 mm、宽为5 800 mm，净断面高为4 540 mm、宽为5 200 mm，支护方式为U型棚+锚网索+注浆联合支护方式，巷道底板无支护。运输石门沿11#煤顶板掘进，11#煤平均厚2.6 m，伪顶为0.3 m厚的泥岩，直接顶为厚约4 m的灰黑色砂质泥岩，直接底为9.4 m厚的炭质泥岩，老底为15.7 m厚的中细砂岩。该石门巷道掘成后巷道围岩整体支护效果良好，巷道顶板及两帮变形量较小，但大量级的底鼓严重影响了巷道的正常使用，巷道多处呈现沿底板中央开裂隆起现象，虽然多次卧底维护，但卧底过后巷道扔持续底鼓，且底鼓速度增快，巷道维护困难。

2　石门底鼓机理研究

软岩巷道发生底鼓的原因是多样的，通过工程地质调查可知，运输石门直接底为泥岩等软弱岩层，且会受到水的作用，因此会最终形成剪切滑移—物化膨胀型的复合型底鼓。

1) 物化膨胀变形机理。轨道石门底板泥岩中含有较多的高岭石，高岭石的化学结构特殊，其分子的晶胞间连接紧密，因此水分子很难与之接触，对外表现出较强的疏水性，并未显示出明显的膨胀变形。在高岭石的外表面附着着游离价原子和离子，使其具备一定的静电应力，进而在其表面形成了小范围的引力场，底板岩层中水分子在其作用下，在其外表面积聚越来越多，最终形成一层水化膜，由于水化膜的存在，岩体在宏观上表现出体积膨胀，最终引起底鼓现象的发生。

2) 剪切滑移变形机理。轨道石门巷道在开挖后，会引起巷道周边围岩的应力变化，顶板的压力通过巷帮向巷道底板转移，巷道底角部位的应力集中现象最为严重，当应力超过其强度极限时，在巷道底角处首先发生剪切破坏，形成剪切滑移面，随着时间的推移，巷道底板岩层会沿着滑移面破坏并进入巷道，最终产生巷道底鼓变形。

3　石门底鼓数值模拟计算研究

以西翼运输石门所处工程地质条件为背景建立FLAC3D数值模拟模型，以巷道断面方向为X轴，掘进方向为Y轴，竖直方向为Z轴，综合考虑巷道掘进岩体活动影响范围，建立模型尺寸为长60 m×宽10 m×高50 m，在模型中央进行巷道开挖，巷道宽5.2 m，中高为4.6 m.针对巷道周围岩体网格进行加密，在模型上边界施加q=18.45 MPa的均布载荷模拟到地表的竖直地应力，该巷道平均埋深500 m，属于深井巷道，考虑水平应力的影响，侧压系数选1.5，固定水平方向X方向位移、前后方向Y方向位移及底部Z方向位移，该模型共有70 000个单元，84 609个单元节点，选用Mohr-Coulomb本构模型。通过数值模拟对底板无支护、锚索支护、深浅孔锚索注浆加固3种方案下，巷道围岩塑性区、垂直位移量、围岩应力分布特征进行对比分析，从而为现场支护提供参考依据。煤层及顶底板相关岩层物理力学参数见表1.

表1　煤层及顶底板相关岩层物理力学参数表

1) 在底板无支护、锚索支护及深浅孔锚索注浆加固3种支护方案下，西翼运输石门的塑形区分布见图1.

图1　不同支护方案下巷道围岩塑性区分布图

由图1可知，巷道底板不进行支护情况下，底板会出现较大范围的塑形区；在采用锚索支护情况下，底板塑性区减小，说明锚索通过其预紧力可加强底板围岩完整性，底板抗剪能力得到提高；采用深浅孔锚索注浆加固后底板塑性区进一步减小，锚索在发挥其预紧力同时浆液扩散到底板岩层，底板性质得到改善，底鼓现象得到控制。

2) 在底板无支护、锚索支护及深浅孔锚索注浆加固3种支护方案下，西翼运输石门的垂直位移见图2.

图2　不同支护方案下巷道围岩垂直位移分布图

由图2可知，巷道的开挖对周围岩体产生工程扰动，导致围岩移动变形，在底板无支护情况下，最大底鼓位置出现在巷道底板中央位置，最大底鼓量可达到712.6 mm；采用锚索支护后，巷道最大底鼓量减小到213.5 mm，与无支护条件相比，底鼓量减小70.3%；当采用深浅孔锚索注浆加固方式后，巷道底鼓量持续减小，最大底鼓量仅为62.5 mm，相比无支护和锚索支护条件下，巷道底鼓量同比减小91.3%和70.7%.

3) 在底板无支护、锚索支护及深浅孔锚索注浆加固3种支护方案下，西翼运输石门的垂直应力见图3.

图3　不同支护方案下巷道围岩垂直应力分布图

由图3可知，巷道底板在无支护条件下，垂直应力集中程度及影响范围均最大；采用锚索支护后可降低底板应力集中程度，高应力转向深部；采用深浅孔锚索注浆加固后，底板应力集中程度及影响范围大大减小，巷道底板处于低应力状态，可有效维护巷道底板稳定。

通过以上数值模拟可发现，西翼运输石门在底板无支护情况下，该巷道砂质泥岩直接底板为强度较低的软弱岩层，巷道的开挖会引起围岩应力的变化，巷道顶板所受支承压力会通过两帮向底板转移，两帮底角处应力集中现象较为严重，最先发生剪切变形破坏，随着时间的推移，底板剪切滑移范围逐步扩大，最终导致712.6 mm的底鼓量。采用深浅孔锚索注浆加固方案较锚索支护方案可将巷道底鼓量由213.5 mm减小到62.5 mm，底鼓治理效果明显。

4　工业性试验

西翼运输石门变形破坏主要以巷道底鼓为主，顶板及两帮支护良好，针对底鼓问题，结合数值模拟结果，最终提出了“反底拱配合深浅孔注浆”的支护方案。

施工工艺流程：

1) 人工起底。以巷道腰线为基准，对巷道进行风镐人工起底，矿车出渣，人工起底高度为腰线至底板2 031 mm，起底工作应分层进行，每次起底高度不超过300 mm.起底工作完成后，在棚腿底角打两根d22 mm×2 500 mm的高强左旋螺纹钢锚杆，每根锚杆配合2支Z2860树脂锚固剂，用以保护棚腿。

2) 反底拱施工。反底拱材质选用36U型钢，将其加工成两段分别长3 073 mm和3 071 mm的圆弧钢梁，在钢梁的末端焊接长300 mm的卡槽，两段钢梁搭接部分长700 mm，误差范围为±50 mm，由卡揽锁住。该反底拱的安装，由锚杆将棚腿和卡槽锁紧，并保持同一水平位置，将钢梁搭接好后由卡揽锁紧。反底拱底梁结构示意图见图4.

图4　反底拱底梁结构示意图

3) 浅孔注浆。采用风动凿岩机钻孔，每排钻4个直径为25 mm，深度为2 600 mm的浅孔，浅孔间距为1 600 mm，排距为1 800 mm.钻孔完成后安装长度为2 600 mm、直径为20 mm、壁厚1.8 mm的无缝注浆管，该注浆管注浆段共开四组交错孔，每组孔间距为200 mm，孔直径为8 mm。 通过棉纱和水泥浆封孔，封孔段长度不小于300 mm，注浆完成后须浇筑混凝土，浇筑后注浆管外露段长度50～80 mm.

4) 深孔注浆。钻孔采用地锚机，钻孔深度为6 000 mm、孔径为32 mm，钻孔完成后安装中空注浆锚索，每排布置3根，间距为1 600 mm、排距为1 800 mm，中部锚索垂直于底板布置，两帮处锚索倾斜45°布置，中空注浆锚索规格为d29 mm×6 300 mm，该锚索外露长度为300 mm，通过止浆塞和毛巾水泥浆液封孔，封孔段长度约800 mm，封孔后24 h进行注浆，注浆压力为8 MPa， 深浅孔注浆孔布置平面图见图5.

图5　深浅孔注浆孔布置平面图

5　矿压观测

施工完成后在西翼运输石门设置测站KD1进行巷道底鼓量矿压观测，通过67 d的观测，将监测所得数据进行整理分析，底鼓变形情况见图6.

图6　巷道底鼓变形情况图

1) 整巷施工完成后5～10 d内巷道变形量及变形速度较大，测站KD1最大底鼓速度为3.2 mm/d，此后变形速度减缓，测站KD1在30 d后变形基本趋于稳定，底鼓变形速度大多低于0.24 mm/d，最终底鼓量为31 mm.

2) 矿压观测结果表明，“反底拱配合深浅孔注浆”可以改善底板岩性，提高其承载能力，有效控制围岩变形，取得良好的工程实践效果。

6　结　论

1) 西翼运输石门巷道砂质泥岩直接底板为强度较低的软弱岩层，巷道的开挖会引起围岩应力的变化，运输石门直接底为泥岩等软弱岩层，且会受到水的作用，因此会最终形成剪切滑移—物化膨胀型的复合型底鼓。

2) 通过FLAC3D数值模拟，在底板无支护、锚索支护、深浅孔锚索注浆加固3种支护方案下，巷道底鼓量分别为712.6 mm、213.5 mm、62.5 mm，采用深浅孔锚索注浆加固方式可将巷道底鼓量减小90%以上。

3) 现场实践表明，采用“反底拱配合深浅孔注浆”可以改善底板岩性，提高其承载能力，有效控制巷道底鼓变形。

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