關(guān)于超千米深井高地應(yīng)力軟巖巷道底鼓機理及支護技術(shù)的探索
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作者：張毅
筆者通過理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場工程實踐手段相結(jié)合，研究了磁西超千米深井高地應(yīng)力軟巖巷道底鼓主要原因，并提出了可行的治理方案，有效控制了巷道底鼓。
1 工程背景
峰峰礦區(qū)磁西礦2 #煤層為主采煤層，屬于緩傾斜煤層，煤層厚度1. 50～7.88 m，平均為4. 52 m，最大埋深達1200 m，屬較穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。煤層總體構(gòu)造形態(tài)為一傾向南東，傾角120~160左右的單斜構(gòu)造，個別地段傾角達220，次級褶曲發(fā)育。全區(qū)以斷裂構(gòu)造為主，斷層走向以北北東～北東向為主，全部為正斷層。其中對2 #煤層開采威脅較大的含水層為大青灰含水層(Ⅱ)。該含水層巖性主要為深灰、青灰色石灰?guī)r，埋深852. 3～1081.2 m，厚度約5.5 m，裂隙發(fā)育。磁西礦總回風(fēng)大巷布置在2#煤層內(nèi)，煤層平均傾角為20。巷道沿2#煤層底板掘進，巷道頂板以砂質(zhì)泥巖為主，易冒落，底板主要由粉砂巖和鋁質(zhì)泥巖組成，強度較低，松散破碎，遇水極易膨脹、軟化。
總回風(fēng)大巷斷面為直墻半圓拱型斷面，尺寸為4500 mm×3650 mm（寬×高），初始支護頂板與兩幫采用c)18 mm×2000 mm的左旋螺紋鋼錨桿和018.9 mm×4500 mm的錨索進行支護，錨桿間排距為750 mm×750 mm，錨索間排距為2400 mm×2400 mm，底板未經(jīng)支護。現(xiàn)場實際測量情況顯示，巷道水平應(yīng)力明顯大于垂直應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)普遍達到1.2。按照巷道上覆巖層垂直應(yīng)力理論值30 M Pa計算，水平應(yīng)力高達36 M Pa，巷道頂板與兩幫破碎嚴重，底鼓較大，支護效果極為不理想，因此，需對巷道圍巖控制機理進行分析，優(yōu)化支護形式，提出較為可行的技術(shù)方案。
2巷道底鼓力學(xué)特征分析
2.1 建立數(shù)值計算模型
采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對磁西礦總回風(fēng)大巷無支護條件下進行模擬，分析巷道圍巖應(yīng)力分布、破壞形式以及底鼓成因的過程。結(jié)合礦井地質(zhì)資料，建立巷道數(shù)值分析模型，模型尺寸為80 m×60 m×60 m，采用莫爾一庫侖(Mohr-C o u-L o m b)經(jīng)典彈塑性模型進行分析，側(cè)壓系數(shù)限定為1.2，模型底部邊界設(shè)定為垂直方向固定，側(cè)向左右邊界設(shè)定為水平方向固定，巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。
2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析
模擬結(jié)果表明總回風(fēng)大巷在無支護狀態(tài)下，淺部圍巖應(yīng)力降低區(qū)與塑性區(qū)域較明顯；頂板只在兩側(cè)較小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，相比較頂板而言，巷道底板應(yīng)力降低區(qū)與塑性區(qū)不斷向深部擴散，面積也在不斷增大；在巷道兩幫腰線及頂板中線處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，并沿著頂板圍巖不斷向垂向延伸，應(yīng)力集中系數(shù)最大可達2.1，這是造成總回風(fēng)大巷兩幫片幫與冒頂較為嚴重的直接原因；巷道頂板出現(xiàn)斜向上方的剪切破碎帶，破壞范圍在2.5～4 m之間，底板沿中心線處出現(xiàn)較大深度拉伸破壞，并向兩端擴散，與此同時巷道兩幫角一定區(qū)域內(nèi)的巖體出現(xiàn)了擠壓剪切狀態(tài)。
數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，巷道位移較大變形區(qū)域均出現(xiàn)在頂?shù)装澹渲�，頂板最大位移量�?90 mm，底板最大位移量為900 mm，底鼓極為嚴重。
2.3 巷道底鼓原因分析
結(jié)合礦井地質(zhì)資料和數(shù)值模擬分析結(jié)果可以得知造成總回風(fēng)大巷圍巖變形嚴重、底鼓較大的原因主要有自然因素和人為因素。
自然因素主要是由巷道自身圍巖特性和埋深較大地應(yīng)力過高兩個因素組成�？偦仫L(fēng)大巷沿2#煤層底板掘進，大巷處在煤層內(nèi)部，由于煤層內(nèi)部節(jié)理，裂隙發(fā)育，抗壓強度較低，圍巖極易造成變形破壞；巷道底板主要以鋁質(zhì)泥巖為主，含有蒙脫石、伊利石等，遇水強度明顯軟化，特別是在巷道埋深較大、地應(yīng)力較高作用下，膨脹更為明顯。
人為因素主要包括巷道初次支護結(jié)構(gòu)不合理與二次開采擾動的影響�？偦仫L(fēng)大巷初次支護參數(shù)主要是采用工程類比法確定的，顯然常規(guī)支護形式已很難再適用；在巷道地應(yīng)力過高情況下，錨桿錨固力較小或無錨固在穩(wěn)定巖層內(nèi)，無法與錨索組合成有效聯(lián)合支撐結(jié)構(gòu)體，造成頂板與兩幫應(yīng)力顯現(xiàn)明顯，位移量增大。加上巷道底板未經(jīng)支護，形成了控制圍巖變形薄弱區(qū)域，這就為應(yīng)力釋放提供較大的自由面，容易發(fā)生底板拉伸破壞變形。底板變形破碎又將會影響巷道頂板與兩幫的穩(wěn)定，最終造成巷道圍巖整體失穩(wěn)性破壞；由于巷道所處位置較為特殊，在其周圍進行工作面開采、硐室開挖以及車場整修等工程同樣會造成巷道圍巖的二次破壞。
3 高地應(yīng)力軟巖巷道底鼓控制技術(shù)
根據(jù)巷道底鼓機理分析，對原支護參數(shù)進行修正，決定對總回風(fēng)大巷采取全斷面U型鋼支護和底板深淺部圍巖錨桿（索）聯(lián)合支護技術(shù)，該支護形式能夠?qū)崿F(xiàn)支護結(jié)構(gòu)中的各個支護構(gòu)件相互作用，能夠與圍巖形成應(yīng)力耦合，實現(xiàn)支護一體化及載荷均勻化設(shè)計。其斷面設(shè)計見圖1。
(1)巷道頂板與兩幫錨桿長度由初次支護的2000 mm增到2400 mm，錨桿直徑不變，間距由原來的750 mm修改為600 mm;錨索直徑不變，長度由原來的4500 m增加到7200 mm，間距改為800 mm，排距保持不變；底板采用與頂板相同規(guī)格錨桿，并增加錨索支護，錨索規(guī)格為
18.9 mm×8000 mm。參數(shù)優(yōu)化后，保證錨桿（索）深入錨固在穩(wěn)定巖層內(nèi)，有利于錨索短時間內(nèi)與原巖形成應(yīng)力耦合。
(2)巷道底板先期開挖300 m深的基坑，之后斷面實施U型鋼支護，最終采用C30高效混凝土進行回填基坑。該技術(shù)最大特征是能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)支護介質(zhì)與圍巖結(jié)構(gòu)耦合一體化，使得全斷面支護更加合理，有效減弱巷道幫角應(yīng)力集中現(xiàn)象。
(3)采用DZQ-100型底板錨索鉆機進行底板錨索打孔，直接打到設(shè)計深度，如發(fā)現(xiàn)塌孔或不成孔，下放一根
12.7 mm注漿管，進行預(yù)注漿，然后再打至成孔。放入錨索后進行注漿，水泥漿液水灰比為0.6：1，用軟質(zhì)材料堵塞錨索孔，防止雜物落人孔中，3d后水泥漿液凝同，安裝規(guī)格為150 mm×150 mm×20 mm錳鋼托盤，要求張拉應(yīng)力不小于120 k N;施工完畢后，利用液壓鉗剪去多余錨索。
4 工程應(yīng)用效果
4.1 井下監(jiān)測結(jié)果分析
根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案，在總回風(fēng)大巷進行工業(yè)性試驗，對新支護巷道進行為期45 d的觀測．并記錄每一天巷道圍巖不同變化情況，觀測結(jié)果表明在高地應(yīng)力作用下，采用全斷面U型鋼支護和底板深淺部圍巖錨桿（索）聯(lián)合支護技術(shù)后，錨桿（索）整體補強作用明顯，有效控制了巷道底鼓；巷道圍巖變形表現(xiàn)出的流變特性十分明顯，這是在高地應(yīng)力作用下，軟巖巷道表現(xiàn)出的典型特征；巷道表面位移明顯減小，呈現(xiàn)出巷道頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平康姆植家?guī)律，這主要是由于巷道水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的結(jié)果，在擠壓變形作用下，巷道頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平�；頂�(shù)装謇塾嬕平科骄禐?44 mm，平均移近速度為3.5 mm/d，兩幫的移近平均值為124 mm，平均移近速度為3.1 mm/d。
4.2 內(nèi)部圍巖情況
為觀測巷道圍巖內(nèi)部松動圈范圍，確定支護參數(shù)和裂隙演化是否合理，對總回風(fēng)大巷的塑性區(qū)范圍進行鉆孔成像觀測。鉆孔成像記錄儀采用YTJ20型巖層探測記錄儀進行觀測，該儀器具有即時成像、圖像存儲以及探測深度大等優(yōu)點。
由觀測結(jié)果可知，巷道頂板深度大于1.6 m、幫深度大于1.3 m以及底板深度大于2.2 m后，圍巖無明顯裂隙出現(xiàn)，且整體完整性較好；同時巷道也無明顯的頂板下沉離層、片幫以及底鼓引起的巖層斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生，足以證明高地應(yīng)力軟巖巷道底鼓得到了有效控制。
5 結(jié)論
(1)巷道頂板易冒落，裂隙發(fā)育，抗壓強度低，底板以粉砂巖和鋁質(zhì)泥巖為主，松散破碎，遇水極易膨脹、軟化。在高地應(yīng)力作用下，由于原支護形勢不合理，造成冒頂、片幫以及底鼓等礦壓顯現(xiàn)十分嚴重。
(2)實施全斷面U型鋼支護和底板深淺部圍巖錨桿（索）聯(lián)合支護技術(shù)后，其最大特征是能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)支護介質(zhì)與圍巖結(jié)構(gòu)耦合一體化，使得圍巖支護更加合理、有效地減弱巷道幫角應(yīng)力集中現(xiàn)象。
(3)采用聯(lián)合支護技術(shù)后，錨桿（索）整體補強作用明顯，頂?shù)装謇塾嬕平科骄禐?44 mm，移近平均速度為3.5 mm/d，兩幫的移近平均值為124 mm，移近平均速度為3.1 mm/d，巷道圍巖整體完整性較好，無明顯的頂板下沉離層、片幫以及底鼓引起的巖層斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生，對高地應(yīng)力軟巖巷道底鼓控制效果顯著。
6摘要針對磁西超千米深井高地應(yīng)力軟巖巷道底鼓量大、難支護的問題，采用理論分 析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場觀測的方法分析了巷道圍巖力學(xué)特征及形成底鼓的主要影響原因，提出了巷道圍巖全斷面U型鋼支護和底板深淺部圍巖錨桿（索）聯(lián)合支護技術(shù)。現(xiàn)場實施效果表明總回風(fēng)巷整體斷面頂?shù)装逡平骄禐?44 mm，移近平均速度為3.5 mm/d，兩幫的移近平均值為124 mm，移近平均速度為3.1 mm/d，高地應(yīng)力軟巖巷道底鼓得到了有效控制。
