高应力软岩底鼓巷道锚注联合支护技术研究

2014-11-12曹永国王俊超

山西焦煤科技 2014年4期

曹永国，王俊超

(1.四川广旺能源发展(集团)有限责任公司，四川广元 648017;2.四川广旺集团船景煤业有限责任公司，四川宜宾 645250)

近年来，随着软岩矿井开采深度的不断加大，高应力软岩巷道的底鼓问题极为突出，对煤矿的安全生产造成严重影响。根据现场调查表明，在底板不支护的情况下，顶底板移近量约2/3是由底鼓［1，2］引起的，底板的严重变形增加了维修工作及相关费用，还严重影响到矿井的安全生产。因此，高应力软岩巷道的底鼓问题亟待解决。

1 地质条件

船景煤矿首采区轨道上山围岩主要以砂岩、泥质砂岩为主，节理裂隙发育，遇水极易破碎，强度急剧降低，埋深500～635 m，地应力较大，特别是水平地应力尤为突出，底板碎裂变形呈现为软岩的特性，属于典型的高应力软岩巷道［3，4］。轨道上山原支护方案为半圆拱+锚网索联合支护，对底板不支护使得两帮和顶板的变形较小，而底板变形较为严重，自完成施工至今，已经多次维修，因此必须对巷道底鼓进行治理，以便长期使用。

2 断面参数确定

2.1 断面形状的选择

通常情况下，巷道断面均采用直墙半圆拱型，然而在高应力软岩底鼓中，直墙半圆拱形无法有效控制底板的变形，因此，提出在直墙半圆拱形的基础上加上反底拱，即带反底拱的直墙半圆拱形，通过数值模拟对比分析，得出带反底拱直墙半圆拱的围岩应力与变形规律及其优势。

1)剪应力分布规律。

两种断面围岩最大剪应力峰值基本一样，见图1。

图1 围岩剪应力分布特征图

直墙半圆拱型断面加反底拱之后，由于其巷道帮部与底板连接处是圆滑过渡，应力均匀分布，巷道周边围岩的应力较直墙半圆拱形有很大的改善，巷道周边的最大剪应力分布均匀度较高。因此带反底拱直墙半圆拱型断面巷道稳定性大于直墙半圆拱形断面巷道，有利于控制巷道的稳定性。

2)巷道围岩最大主应力分布规律。

围岩最大主应力分布特征见图2。

图2 围岩最大主应力分布特征图

由图2可知，带反底拱直墙半圆拱型断面巷道围岩最大主应力峰值为负值，表示巷道稳定性好，且分布均匀度较高，都是负值，且绝对值比直墙半圆拱要大，表明其对于控制巷道的稳定性有较大的优势;而直墙半圆拱最大主应力有正有负，应力分布不均匀，应力值之间有一定的差别，说明其围岩受力不均，有可能会发生较大范围的变形，不利于减小围岩变形。

3)软岩巷道围岩垂直位移分布规律。

围岩垂直位移分布特征见图3。

图3 围岩垂直位移分布特征图

由图3可知，在同样的围岩应力条件下，两种断面巷道顶板下沉量基本一样;但底鼓量相差较大，直墙半圆拱形断面巷道底鼓量为260 mm，而带反底拱直墙半圆拱型断面巷道底鼓量仅有100 mm，从控制巷道底板变形角度来说，带反底拱直墙半圆拱型断面要优于直墙半圆拱断面。

2.2 反底拱拱高的确定

由数值模拟分析得出，带反底拱的直墙半圆拱形巷道更易于控制巷道底鼓，因此，最终确定修复方案采用反底拱。确定合理的反底拱的拱高对底板的稳定性控制很关键，不仅能够防治底板变形，而且能够对顶板两帮的变形起到抑制作用。根据围岩的水平力以及所处的工程地质条件，建立反底拱的力学计算模型，推导出巷道反底拱各处弯矩的计算表达式，最终确定较为合理的反底拱的拱高。

1)巷道底板的反拱力学计算模型。

力学计算模型的建立主要是基于把反底拱所受的水平及竖直方向的力直接转化为法向力，结合曲线梁的特点，将该力学模型简化为具有一定初始挠度的两端简支梁，假设初始的挠曲线是圆弧线，这里取反底拱的法向力为q，综合建立巷道的反底拱的力学计算模型，见图4。

图4 反底拱力学计算模型图

只对反底拱的一半进行研究，简化力学模型见图5。

图5 简化力学模型图

2)建立巷道反底拱的拱高与弯矩的关系。

建立两者的关系式，计算反底拱各处的弯矩 M(θ)，见式(1)。

假设简支梁初始挠度为 ω，建立直角坐标系推出:

推出反底拱各点弯矩:

式中，M0为初始挠度的弯矩，初始挠度为:

式中:

qx—反底拱承受的巷道水平力，N;

qy—反底拱承受的竖直应力，N;

R—反底拱半径，m;

h—反底拱拱高，m;

B—巷道宽度，m，取 3.6。

θ—一般在0～α之间取值，取α。

代入式(4)绘制出反底拱的中点C的弯矩随拱高的变化曲线，见图6。

图6 反底拱中点处弯矩随拱高变化曲线图

由图6可知，中点处的弯矩与反底拱拱高有一定的关系，先随拱高的增加而减小，后又逐渐增大，当反底拱的拱高在0.78 m时，中点处的弯矩达到最小，所能承受的力也达到极限值，因此确定出巷道的反底拱的拱高为0.8 m。

3 底板结构体稳定性分析

由图4受到底层对其施加的力q，产生垂向作用力qy，两帮施加的垂直压力ry，底板两根注浆锚索的垂向力 G，建立力学关系式［5］:

式中:

qmax—取qy的最大值;

Bx—巷道宽度，m，取 3.6;

Bz—巷道轴向宽度，m，取 3.0。

上述三种反底拱所受作用力中，底板岩层的垂向作用力ry及底板锚索施加的力G均为主动力，不同的是ry是对反底拱的稳定性起破坏作用，而G对反底拱的稳定性起到积极作用;对两帮围岩的垂向压力ry来说是被动力，仅在G＜qmaxBx/2时才会存在，主要用于稳定及平衡反底拱。底板设计每排施工两根d15.24 mm×5 300 mm注浆锚索，由G=2Pcosβ可以计算出其极限拉力为3 500 N，再由 P0=2S/(BxBz)得出反底拱所需要的支护反力为0.648 MPa。

其中:P为单根注浆锚索的极限拉力，kN，取2 000;β为注浆锚索与垂直方向夹角，取30°。

注浆锚索的作用不只是有利于浆液的充分扩散，且施加的拉力G可以直接平衡底板岩层的底鼓力。轨道上山底板发生变形所需应力为0.23～0.32 MPa，可知反底拱安全系数＞2，说明反底拱结构能够保证轨道上山底板岩层的稳定。

4 锚注加固方案

该修复方案主要是通过表面封闭围岩及锚注加固围岩的方法来治理底鼓［6］。注浆锚杆对底板浅部碎裂围岩注浆锚固，加固碎裂底板，封闭底板表面围岩，形成承载梁;注浆锚索又将浅部承载梁锚固到深部稳定岩层，共同形成承载结构体系［5］。

巷道断面采用半圆拱+反底拱形式，顶帮部均采用锚网索钢带支护，选用规格为d20 mm×2 500 mm的高强度左旋螺纹钢系列锚杆，全长均为等强度，预紧力不低于70 kN，间排距800 mm×900 mm，使用规格为 MSCK2350的树脂药卷两支进行端头锚固，每组布置12根;反底拱采用规格为d20 mm×2 500 mm的高强度左旋螺纹钢系列注浆锚杆［8］，全长等强，预紧力也不低于70 kN，间排距800 mm×900 mm，使用规格为 MSCK2350的树脂药卷两支进行全锚，每组布置5根，拱顶布置1根，每根锚杆都要垂直拱顶。在拱顶两侧施工两根d15.24 mm×5 300 mm的双股笼形的注浆锚索，强度级别达到1 860 MPa，且单股锚索的破断载荷绝不能低于2 000 kN，锚索长度5 300 mm，间距2 000 mm，排距3 000 mm。

巷道断面支护参数特征见图7。

5 矿压结果分析

在轨道上山试验段巷道布置3个监测断面，沿巷道轴向间隔30 m，采用十字布点法布置表面位移监测断面，观测巷道围岩的变形情况。

图7 断面支护参数特征图

根据3个月的矿压监测数据分析得出，原支护方案下顶板、两帮及底板最大移近量分别为62 mm、168 mm、194 mm，平均为 48 m、113 mm、138 mm;采用修复支护方案下两帮及底板最大移近量分别为105 mm、76 mm，平均为 82.5 mm、52.5 mm，顶板没有发生明显下沉，矿压结果表明，修复方案有效控制了轨道上山的变形，尤其是底板的变形。