软岩巷道长、短锚杆注浆技术在巷道底鼓中的研究与应用

李剑坤，侯涛，李彦斌

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.太原重工股份有限公司，太原 030024）

软岩巷道长、短锚杆注浆技术在巷道底鼓中的研究与应用

李剑坤1，2，侯涛1，李彦斌1

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.太原重工股份有限公司，太原 030024）

基于软岩巷道围岩受高应力的影响，顶板滑移、冒落严重，底鼓极其剧烈。为了控制巷道围岩稳定性，利用巷道顶底板长、短锚杆联合注浆锚固技术，提高结石强度，抑制底鼓及加强围岩综合承载能力。通过理论研究，采用FLAC3D数值模拟与工程实践相结合，分析了巷道底鼓破坏机理，确定了最佳支护方案。

高应力软岩；底鼓机理；长、短锚注浆；数值模拟

深部矿井、高应力构造区、围岩破碎区的岩巷和大断面硐室底鼓普遍存在，底鼓量一般500～2 500 mm，底鼓治理难度大，返修率高，严重影响矿井正常生产，底鼓治理成为亟待解决的技术难题[1-2]。底鼓是煤矿井巷中经常发生的一种动力现象[3]，冀中能源集团牛儿庄矿六采区轨道巷位于埋深较深的煤岩层中，该巷道围岩岩性基本为中砂岩、细砂岩，其中含泥质成分较高，极易风化，围岩强度较低，属于高应力软岩巷道，巷道掘进和维护是很大的难题。基于此，本课题组以冀中能源集团牛儿庄矿六采区轨道巷支护研究为工程实例，在深入现场调研的基础上，提出高应力软岩巷道长、短锚杆联合锚注技术方案[4-5]，采用数值模拟分析改进方案对巷道底鼓、围岩应力及巷道稳定性的影响，设计高应力大变形永久巷硐底鼓治理技术方案，保证巷道能够在服务期间正常使用，大幅度减少巷道返修率和费用，为矿井安全生产、高产高效提供保障。

1 工程概况及方案设计

1）六采区轨道巷地质概况。冀中能源集团牛儿庄矿六采区轨道巷所在岩层层位倾角3°～6°，埋深857 m，属于深部开采。巷道底鼓较大，急需进行底鼓治理及加固。该巷道距离9号煤顶板约29 m。所在层位为中砂岩，顶板主要为粉砂岩、中细砂岩、炭质泥岩，底板主要为灰岩、砂质泥岩、炭质泥岩、页岩。

2）原支护方案。牛儿庄矿六采区轨道巷底板岩层性质较软，冲击地压造成底板大面积破坏凸起，巷道原支护方案采用矩形巷道断面，顶板采用锚杆锚索联合支护，锚杆（索）规格分别为18 mm× 2 000 mm、17.8 mm×6 300 mm。

改进支护方案。根据有关高应力巷道底鼓机理的研究，对于深埋巷道，围岩压力极大，巷道顶板易离层冒落，底鼓极其严重，维护极其困难。拟采用FLAC3D数值模拟，工程实践研究，提出治理高应力巷道底鼓治理新方案，方案（1）为巷道采用拱形断面，顶板及两帮采用锚杆支护，规格均为18 mm×2 000 mm，顶板采用长短注浆锚杆联合支护，长短注浆锚杆规格分别为25 mm×2 400 mm、25 mm×2 000 mm，底板采用短锚杆单独支护，规格为25 mm×2 400 mm。方案（2）巷道断面仍采用原矩形断面，底板采用长锚杆支护，其他参数均与方案（1）相同。

2 底鼓数值模拟研究

1）建立数值模拟模型。根据设计改进的方案，模拟轨道大巷上覆岩层顶板20 m，底板16.5 m，巷道所在层位为中砂岩。采用ANSYS建模导入FLAC3D软件建立有限元模型，将模型划分为65 700个单元，89 650个结点，网格釆用Attach语句联接，以适应网格大小及形状的变化，通过对三维介质的离散[6-9]，分析顶底板所受垂直应力及巷道顶底板垂直位移变化情况，模型边界应力，以均布载荷的方式作用在模型的6个外部边界。

2）数值模拟计算结果分析。由图1知，方案（1）和方案（2）巷道最大垂直应力分别为9.99 MPa和11.2 MPa，两种新设计方案最大垂直应力分布范围差异较小。

由图2知，方案（1）和方案（2）巷道围岩最大垂直位移主要在巷道底板中表现明显，底板最大突起位移分别为57.5 mm和11.5 mm，方案（2）控制底鼓效果较好。

针对高应力软岩巷道，使用长、短锚杆注浆加固技术改善巷道围岩物理力学承载特性后，通过数值模拟[10]，从巷道围岩应力，围岩移动的角度分析，对巷道底板采用锚杆支护能够有效控制巷道底鼓。底鼓主要产生的原因是由于巷道断面综合受力较高，巷道浅部围岩滑移、扩容所致[11-12]，采用矩形巷道遏制了围岩在巷道表面浅部的应力释放能量，使得顶底板、两帮大变形得以稳定控制。

由于多数煤矿巷道存在大变形底鼓现象，本课题的成功实施可为煤炭的开采提供一个新的防治底鼓的措施，具有广阔的应用前景。

3 工程应用

将改进后的两种支护断面巷道应用于牛儿庄矿六采区轨道巷。为评价改进方案的合理性及巷道围岩的稳定性，对巷道底鼓量进行30 d的监测。

图3为原支护方案和两种改进方案巷道底鼓量与时间的变化曲线，可以看出，方案改进后，巷道底鼓均得到了有效控制，方案（1）巷道底鼓量平均增长速度为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内缓慢增长，平均增长速度为3.1 mm/d，16～30 d内巷道底鼓几乎处于不变状态，平均增长速度为0.72 mm/d，最大底鼓量是54.4 mm，而且方案（2）的底鼓增长速度和最大底鼓量约为方案（1）的43.58%和47.63%。

设计的两种方案虽然均能控制巷道底鼓，一个月后巷道围岩变形均处于稳定状态，显然方案（2）对巷道底鼓的控制效果是最佳的。

工程实践表明，对于高应力软岩巷道的底鼓及顶板控制，以锚杆注浆为基础，采用矩形巷道断面及长、短锚杆锚索联合支护，软岩巷道底鼓得到全面控制，为巷道掘进安全、煤矿高效生产提供了保证。

4 结论

通过对高应力软岩巷道进行长、短锚杆注浆、数值计算及工程实践研究，得出下面结论：

1）高应力软岩倾斜巷道的底鼓是由于底板较软，深部高应力主要作用于岩性较差的岩体中，致使顶板大面积垮落破坏，岩体内积聚的能量得以释放，通过帮部进行能量传导，造成巷道底板岩层弹、塑性势能积聚，产生底鼓。

2）高应力软岩巷道长、短锚杆注浆加固，能改变软岩的物理力学性质，不仅大大提高顶板的力学承载能力，而且长、短注浆锚杆注浆区域形成相互作用岩体壳，共同维持巷道断面抵抗高应力的作用。

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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

（编辑：樊敏）

2014-10-28

李剑坤（1989-），男，山西河津人，在读工程硕士研究生，研究方向：矿山支护。