軟巖巷道長、短錨桿注漿技術(shù)在巷道底鼓中的研究與應(yīng)用

李劍坤，侯濤，李彥斌

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.太原重工股份有限公司，太原 030024）

軟巖巷道長、短錨桿注漿技術(shù)在巷道底鼓中的研究與應(yīng)用

李劍坤1，2，侯濤1，李彥斌1

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.太原重工股份有限公司，太原 030024）

基于軟巖巷道圍巖受高應(yīng)力的影響，頂板滑移、冒落嚴(yán)重，底鼓極其劇烈。為了控制巷道圍巖穩(wěn)定性，利用巷道頂?shù)装彘L、短錨桿聯(lián)合注漿錨固技術(shù)，提高結(jié)石強(qiáng)度，抑制底鼓及加強(qiáng)圍巖綜合承載能力。通過理論研究，采用FLAC3D數(shù)值模擬與工程實踐相結(jié)合，分析了巷道底鼓破壞機(jī)理，確定了最佳支護(hù)方案。

高應(yīng)力軟巖；底鼓機(jī)理；長、短錨注漿；數(shù)值模擬

深部礦井、高應(yīng)力構(gòu)造區(qū)、圍巖破碎區(qū)的巖巷和大斷面硐室底鼓普遍存在，底鼓量一般500～2 500 mm，底鼓治理難度大，返修率高，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)，底鼓治理成為亟待解決的技術(shù)難題[1-2]。底鼓是煤礦井巷中經(jīng)常發(fā)生的一種動力現(xiàn)象[3]，冀中能源集團(tuán)牛兒莊礦六采區(qū)軌道巷位于埋深較深的煤巖層中，該巷道圍巖巖性基本為中砂巖、細(xì)砂巖，其中含泥質(zhì)成分較高，極易風(fēng)化，圍巖強(qiáng)度較低，屬于高應(yīng)力軟巖巷道，巷道掘進(jìn)和維護(hù)是很大的難題。基于此，本課題組以冀中能源集團(tuán)牛兒莊礦六采區(qū)軌道巷支護(hù)研究為工程實例，在深入現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出高應(yīng)力軟巖巷道長、短錨桿聯(lián)合錨注技術(shù)方案[4-5]，采用數(shù)值模擬分析改進(jìn)方案對巷道底鼓、圍巖應(yīng)力及巷道穩(wěn)定性的影響，設(shè)計高應(yīng)力大變形永久巷硐底鼓治理技術(shù)方案，保證巷道能夠在服務(wù)期間正常使用，大幅度減少巷道返修率和費(fèi)用，為礦井安全生產(chǎn)、高產(chǎn)高效提供保障。

1 工程概況及方案設(shè)計

1）六采區(qū)軌道巷地質(zhì)概況。冀中能源集團(tuán)牛兒莊礦六采區(qū)軌道巷所在巖層層位傾角3°～6°，埋深857 m，屬于深部開采。巷道底鼓較大，急需進(jìn)行底鼓治理及加固。該巷道距離9號煤頂板約29 m。所在層位為中砂巖，頂板主要為粉砂巖、中細(xì)砂巖、炭質(zhì)泥巖，底板主要為灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、頁巖。

2）原支護(hù)方案。牛兒莊礦六采區(qū)軌道巷底板巖層性質(zhì)較軟，沖擊地壓造成底板大面積破壞凸起，巷道原支護(hù)方案采用矩形巷道斷面，頂板采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿（索）規(guī)格分別為18 mm× 2 000 mm、17.8 mm×6 300 mm。

改進(jìn)支護(hù)方案。根據(jù)有關(guān)高應(yīng)力巷道底鼓機(jī)理的研究，對于深埋巷道，圍巖壓力極大，巷道頂板易離層冒落，底鼓極其嚴(yán)重，維護(hù)極其困難。擬采用FLAC3D數(shù)值模擬，工程實踐研究，提出治理高應(yīng)力巷道底鼓治理新方案，方案（1）為巷道采用拱形斷面，頂板及兩幫采用錨桿支護(hù)，規(guī)格均為18 mm×2 000 mm，頂板采用長短注漿錨桿聯(lián)合支護(hù)，長短注漿錨桿規(guī)格分別為25 mm×2 400 mm、25 mm×2 000 mm，底板采用短錨桿單獨(dú)支護(hù)，規(guī)格為25 mm×2 400 mm。方案（2）巷道斷面仍采用原矩形斷面，底板采用長錨桿支護(hù)，其他參數(shù)均與方案（1）相同。

2 底鼓數(shù)值模擬研究

1）建立數(shù)值模擬模型。根據(jù)設(shè)計改進(jìn)的方案，模擬軌道大巷上覆巖層頂板20 m，底板16.5 m，巷道所在層位為中砂巖。采用ANSYS建模導(dǎo)入FLAC3D軟件建立有限元模型，將模型劃分為65 700個單元，89 650個結(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格釆用Attach語句聯(lián)接，以適應(yīng)網(wǎng)格大小及形狀的變化，通過對三維介質(zhì)的離散[6-9]，分析頂?shù)装逅艽怪睉?yīng)力及巷道頂?shù)装宕怪蔽灰谱兓闆r，模型邊界應(yīng)力，以均布載荷的方式作用在模型的6個外部邊界。

2）數(shù)值模擬計算結(jié)果分析。由圖1知，方案（1）和方案（2）巷道最大垂直應(yīng)力分別為9.99 MPa和11.2 MPa，兩種新設(shè)計方案最大垂直應(yīng)力分布范圍差異較小。

由圖2知，方案（1）和方案（2）巷道圍巖最大垂直位移主要在巷道底板中表現(xiàn)明顯，底板最大突起位移分別為57.5 mm和11.5 mm，方案（2）控制底鼓效果較好。

針對高應(yīng)力軟巖巷道，使用長、短錨桿注漿加固技術(shù)改善巷道圍巖物理力學(xué)承載特性后，通過數(shù)值模擬[10]，從巷道圍巖應(yīng)力，圍巖移動的角度分析，對巷道底板采用錨桿支護(hù)能夠有效控制巷道底鼓。底鼓主要產(chǎn)生的原因是由于巷道斷面綜合受力較高，巷道淺部圍巖滑移、擴(kuò)容所致[11-12]，采用矩形巷道遏制了圍巖在巷道表面淺部的應(yīng)力釋放能量，使得頂?shù)装濉蓭痛笞冃蔚靡苑€(wěn)定控制。

由于多數(shù)煤礦巷道存在大變形底鼓現(xiàn)象，本課題的成功實施可為煤炭的開采提供一個新的防治底鼓的措施，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 工程應(yīng)用

將改進(jìn)后的兩種支護(hù)斷面巷道應(yīng)用于牛兒莊礦六采區(qū)軌道巷。為評價改進(jìn)方案的合理性及巷道圍巖的穩(wěn)定性，對巷道底鼓量進(jìn)行30 d的監(jiān)測。

圖3為原支護(hù)方案和兩種改進(jìn)方案巷道底鼓量與時間的變化曲線，可以看出，方案改進(jìn)后，巷道底鼓均得到了有效控制，方案（1）巷道底鼓量平均增長速度為6.8 mm/d，最大底鼓量是112.6 mm。方案（2）巷道底鼓量在0～15 d內(nèi)緩慢增長，平均增長速度為3.1 mm/d，16～30 d內(nèi)巷道底鼓幾乎處于不變狀態(tài)，平均增長速度為0.72 mm/d，最大底鼓量是54.4 mm，而且方案（2）的底鼓增長速度和最大底鼓量約為方案（1）的43.58%和47.63%。

設(shè)計的兩種方案雖然均能控制巷道底鼓，一個月后巷道圍巖變形均處于穩(wěn)定狀態(tài)，顯然方案（2）對巷道底鼓的控制效果是最佳的。

工程實踐表明，對于高應(yīng)力軟巖巷道的底鼓及頂板控制，以錨桿注漿為基礎(chǔ)，采用矩形巷道斷面及長、短錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，軟巖巷道底鼓得到全面控制，為巷道掘進(jìn)安全、煤礦高效生產(chǎn)提供了保證。

4 結(jié)論

通過對高應(yīng)力軟巖巷道進(jìn)行長、短錨桿注漿、數(shù)值計算及工程實踐研究，得出下面結(jié)論：

1）高應(yīng)力軟巖傾斜巷道的底鼓是由于底板較軟，深部高應(yīng)力主要作用于巖性較差的巖體中，致使頂板大面積垮落破壞，巖體內(nèi)積聚的能量得以釋放，通過幫部進(jìn)行能量傳導(dǎo)，造成巷道底板巖層彈、塑性勢能積聚，產(chǎn)生底鼓。

2）高應(yīng)力軟巖巷道長、短錨桿注漿加固，能改變軟巖的物理力學(xué)性質(zhì)，不僅大大提高頂板的力學(xué)承載能力，而且長、短注漿錨桿注漿區(qū)域形成相互作用巖體殼，共同維持巷道斷面抵抗高應(yīng)力的作用。

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Research and Application of Long-short Anchor Grouting in Floor Heave in Soft Rock Roadways

LI Jiankun1,2,HOU Tao1,LI Yanbin1
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China；2.Taiyuan Heavy Industry Co.,LTD,Taiyuan 030024,China)

Since surrounding rock is influenced by high stress,serious roof slipping and falling and floor heave occur in soft rock roadway.To keep the stability of the surrounding rock,long-short anchor grouting is used to increase stone strength,suppress floor heave,and improve the bearing capacity of the surrounding rock.By theoretical study,FLAC3D numerical simulation and engineering practice are combined to analyze the mechanism of the floor heave and then to determine the best supporting scheme.

high-stress and soft rock;mechanism of floor heave;long-short anchor grouting; numerical simulation

TD353

A

1672-5050（2015）01-0035-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.012

（編輯：樊敏）

2014-10-28

李劍坤（1989-），男，山西河津人，在讀工程碩士研究生，研究方向：礦山支護(hù)。