复合岩层底板底鼓锚索支护的力学机理及应用

李江锋，武少鹏，侯旭斌

(1.潞安环能股份有限责任公司，山西 长治 046204；2.潞安化工集团 健康安全环保部，山西 长治 046204)

近几十年来，巷道围岩控制理论及技术特别是采用锚杆支护治理底鼓，一直是采矿工程学科的重大研究方向，随着煤炭进入深部开采，巷道底板出现了类似于煤层巷道的复合顶板，由于复合底板岩层层间的粘结力比较小,当受到两帮围岩的挤压以及下部岩层向上移动的作用下,底板岩层将会失稳并向巷道内弯曲,它是复合底板巷道底鼓的一个重要原因。复合底板其实是几层软弱岩层的组合，如果采用底板锚索将其组合再让锚索嵌入深部稳定岩层中就可以有效控制此类底鼓[1]。

1 底板锚索支护的力学机理

根据不同岩性组成的复合底板，在矿山压力作用下，巷道底板压力成不均匀性衰减，巷道底板变形量和变形速度出现离值差，导致软弱层产生离层，通过对底板围岩进行整体加固，形成复合底梁，可以恢复底板三向应力平衡，实现整体稳定目的[2]。采用锚索支护底板的力学机理就是将复合底板软弱夹层形成整体的承载结构，有效控制底板变形，力学模型见图1。

图1 底板锚索支护力学模型

底板岩层h1下部承受垂直向上的分布力，两端作用有由于两帮下沉产生的水平挤压力，在分布载荷的作用下，底板岩层h1的弹性曲面微分方程满足：

(1)

式中：ω为岩层h1的挠度；E1I1为岩层h1抗弯刚度；q为发生底鼓范围岩层的折断分布载荷。

在一般情况下，q是x的函数。在此为了分析简便，取q为常数。并利用两端固支的条件下，挠度ω的表达式为：

(2)

由挠度的二阶导数与弯矩的关系：

(3)

则可得任意界面x处的弯矩表达式为：

(4)

软岩弯曲底鼓取决于底板岩层的不断失稳。当h1岩层弯曲断裂后，围岩应力重新分布，达到新的平衡状态。随着应力的增加或时间的推移，h2岩层也将会发生弯曲断裂。以此类推，直到底板岩层最终弯曲断裂的破坏深度。

但是采用底板长锚索支护时，相互独立的发生底鼓的层状底板组合成厚度较大的组合梁顶板承载结构。

此时，底板组合梁厚度为h1-i，即若干层顶板成为一个整体形成梁的厚度较独立层状的底梁厚度大得多。若巷道顶部下位j层顶板成为整体梁，则挠度的表达式变为:

(5)

式中：EI为组合梁的抗弯刚度，EI>E1I1。

此时，底梁任意界面x处的弯矩为：

(6)

式中：h1-j=h1+h2+…+hj。

对于软岩弯曲引起的底鼓，当底板采用长锚索支护后，根据巷道底板最大应力计算表达式可知，实际组合梁厚度h1-j显著大于一般锚网索支护中仅由锚杆支护形成的岩梁厚度h1；同时由于组合了下位岩层中的j层岩石，其受到上部岩层的荷载也随之减小，组合梁的剪应力值和拉应力值均减少很多。

因此，采用锚索支护复合岩层底板，可以显著增强底板稳定性。

2 工程应用

2.1 工程概况

永城新桥煤矿北翼轨道大巷埋深大约在-580 m，现场调研发现，该巷道局部地段顶板已开裂剥落，并逐步发展为沿巷道走向的连续破坏；底鼓突出，尤其帮底角处已严重内移，影响大巷成型。而且，巷道变形和底鼓并未停止。巷道变形情况：巷宽由原来的4.4 m变形到现在的3.9～4.0 m，高度由原来的3.9 m变形到现在的3.0～3.5 m，底板变形严重，局部底鼓量达到了800 mm。

2.2 巷道地质条件

北翼轨道大巷为穿层巷道，穿过的主要岩层有粉砂岩、泥岩和砂质泥岩，但大部分区段为泥岩，巷道穿过地层的构造非常复杂，巷道岩层柱状图见图2。

图2 试验巷段岩层钻孔综合柱状图

2.3 底板锚注防底鼓方案及参数

1) 帮角注浆加固。帮角注浆加固时，巷道帮部及靠下底角位置每间隔4.2 m布置注浆锚杆，对帮部和巷道底板进行注浆加固。注浆孔深2 500 mm,注浆锚杆长度800 mm，4分钢管制成；封孔可采用空心水泥卷或树脂药卷密实，封孔深度为1.0 m。注浆最大压力为2.5 MPa。

2) 底板锚索联合底梁控底。刷大断面达到设计要求，及时进行初喷封闭围岩，喷层厚度20～30 mm。混凝土配比为水泥∶砂∶石子∶水=1∶2∶2∶0.6。

顶帮支护从顶板正中位置依次向两侧全断面打设锚杆，间排距800 mm×800 mm配合钢筋梯子梁联合支护，锚杆规格D22 m×2.4 m，每根锚杆装2根药卷，1根K2335，1根Z2360。预紧力不低于80 kN,锚固力不低于200 kN。锚杆垂直岩面打设，巷道底角锚杆向下10°打设。

顶帮支护完毕，首先将底板清底350 mm，每隔3根轨枕(2.1 m)在两轨枕间施工一底槽、规格为600 mm×3 800 mm，在开挖好的底槽中施工3根锚索(注浆)+底梁，钢绞线规格为D15.24 m×6.3 m，眼深6.0 m，排距2.1 m；底梁长3 600 mm，由两根2 000 mm长规格分别为16号与18号槽钢梁搭接而成，搭接长度400 mm，眼距1 500 mm。底梁按巷道横截面方位放置。注浆锚索先注浆，浆液凝固达到设计强度30 MPa要求后，再放置槽钢梁张拉上紧固定。注浆锚杆长800 mm，4分钢管制成；封孔可采用空心水泥卷或树脂药卷密实，封孔深度不小于0.5 m。注浆最大压力为2.5 MPa(底板锚索联合底梁控底示意见图3)。

图3 底板锚索联合底梁控底示意(mm)

2.4 支护效果

从图4的巷道顶板离层观测结果看出，进行新型支护方案后，巷道围岩未发生较大变形，截止回采期间巷道顶底板移近量最大6 mm，两帮最大收敛7 mm巷道围岩得到了很好的控制，巷道整体维护较好，前后对比效果见图5。

图4 巷道顶板离层观测结果

图5 底板锚索支护效果对比

3 结 语

1) 针对永煤新桥矿-550 m北翼轨道运输大巷的复合岩层底板的岩性组成，依据底板锚索支护的力学机理，提出了采用锚索梁支护技术治理巷道顶底板变形，不但将复合底板组成一体，而且调动了深部围岩的承载性，使巷道顶底板移近量降到最大6 mm。

2) 底板锚索增强了底板岩层的抗弯刚度，而且锚索梁作为附件支护受力均衡，这样有效阻止了深部岩体向上的作用力，减小底板的变形。

3) 该支护技术在永城新桥煤矿北翼轨道大巷底鼓治理得到了成功应用，该支护技术可在类似条件巷道支护实践中推广应用。