高应力软岩巷道底鼓机理及控制技术研究

安 雷

(山西兰花科技创业股份有限公司 大阳煤矿分公司, 山西 晋城 048000)

煤炭是我国最为重要的能源之一,2021年我国原煤产量超过40亿t,位列世界第一。近年来随着我国煤炭开采强度不断加强,矿井逐步向深部转移,造成了煤炭开采环境愈加恶劣,开采技术面临的挑战越发严峻[1-3]. 其中,针对巷道底鼓治理问题,国内学者也开展了大量研究并取得诸多成果。侯朝炯[4]提出了“底板锚杆让压+注浆加固+帮角锚杆补强”为核心、“一次支护+二次支护”为理念的巷道底鼓和蠕变控制技术;王晓卿等[5]采用数值模拟分析了底鼓的机理,并针对底鼓机理研发了端锚锚索束,具有高强度、高延伸性、注浆功效,应用于高应力软岩巷道后底鼓量控制在67.5 mm,效果良好;陈立虎等[6]针对挤压流动性底鼓,模拟了主动开槽卸压和砼反拱+底板锚杆两种支护方式的效果,发现后者底鼓控制量能够降低80%以上;高晓旭等[7]以大柳塔煤矿为工程背景,针对遇水膨胀型和挤压流动型底鼓,建立了巷道底板力学模型,分析了巷道底板中心线位移场规律,并结合数值模拟对比了注浆加固、钻孔卸压、底角锚杆3种方案的支护效果,结果表明注浆加固效果最佳;王文利等[8]开发了适用于富水条件下的锚杆索防水锚固剂,采用高强预应力锚索锚固结合双液浆注浆的底板支护方式,有效解决了富水条件下的底鼓问题。

本文以某矿高应力软岩机电房为研究背景,通过现场调研总结巷道底板变形特征,并建立巷道底板力学模型计算底板破坏深度,结合数值模拟分析不同底鼓治理方案的支护效果,解决巷道底鼓问题。

1 工程概况

该机电房全长67 m,埋深约500 m,地应力较高,所处岩层为粉砂岩,机电房上部有一层3.6 m厚度的8#煤,底板为泥岩。机电房受到周围地质构造影响以及上方8#煤的采掘影响,长期处于高应力环境中,造成巷道变形严重。采用锚杆+锚索联合支护,净宽5 200 mm×净高4 000 mm.

巷道顶底板钻孔柱状图见图1.

锚杆、索支护参数以及巷道变形情况见图2.

图2 巷道变形示意图

2 巷道底鼓特征及机理

2.1 巷道底鼓特征

1) 底鼓现象剧烈,巷道断面收缩严重。根据现场实测结果发现,顶底板收缩量达到1 500 mm以上,并且由于底板强烈变形带动两帮内挤移近,造成巷道两帮收缩量达到近2 000 mm.

2) 巷道内部存在淋水现象。顶板混凝土开裂严重,裂隙水从顶板向下淋落,经两帮流至底板积聚,造成巷道内部淋水严重,使巷道长期处于浸泡状态,围岩水化严重,支护结构锈蚀严重。

3) 经历多次返修,依旧无法阻止围岩变形。机电房自掘巷至今两年多时间内,经历了多次不同程度地返修,但巷道围岩变形趋势依旧强烈,亟需调整支护理念。

2.2 巷道底鼓机理

1) 围岩应力作用。机电房上方为8#可采煤层,使巷道长期受到上方煤层采掘应力扰动影响。同时,由于巷道顶板和两帮均为强度适中的粉砂岩,底板为强度较低的泥岩,应力自上而下传递,并从底板释放,导致了底板围岩破坏,底鼓严重。

2) 底板力学性能。巷道底板围岩为松软泥岩,强度低、软化系数小,遇水后抗压强度降低。经现场取样、实验室分析后发现,干燥泥岩试样抗压强度14.6 MPa,吸水饱和后泥岩试样抗压强度仅5.1 MPa,软化系数0.35,饱水率为26%,试样放置于水中静置一段时间后出现崩解现象。

3) 巷道支护结构。机电房原有支护方案为:锚杆索支护+表面喷射混凝土,经过一段时间后出现锚杆索锚固失效、构件锈蚀、托盘悬空等现象,巷道表面混凝土也出现大量裂隙。

2.3 巷道底板力学模型

为进一步探究巷道底鼓机理,结合弹塑性力学理论,建立巷道底板力学模型[9],见图3.

图3 巷道底板力学计算模型图

巷道底板为松软的泥岩,强度较低,当巷道两帮作用在底板上方的压力超过围岩承载能力时,会导致巷道两帮岩体产生屈服并形成塑性区。其中,岩层屈服长度为L,m;底板破坏深度为D,m;煤层埋深为H,m;内摩擦角为φ,(°).

D=rcosθ=r0eαtanφcosθ

(1)

根据岩层屈服长度经验公式:

L=0.015H

(2)

取dD/dα=0,即可求出底板最大破坏深度:

(3)

(4)

将巷道围岩参数代入公式求得底板最大破坏深度范围约为3.5 m,结合Origin分析求解得出底板破坏深度与内摩擦角关系,见图4.

图4 底板破坏深度与内摩擦角的关系图

由图4可知,底板破坏深度与内摩擦角成反比。因此,可以用提高底板岩层力学性能的方式控制底鼓。

3 巷道底鼓控制方案分析

3.1 数值模型的建立

为了研究不同支护方案下巷道围岩应力分布规律,使用FLAC3D建立数值模型,模型长60 m×宽20 m×高35.5 m,顶部施加12.5 MPa均布荷载,侧压系数1.2,固定模型底面,限制模型4个侧面的水平运动,岩层力学参数见表1. 针对现场实际情况,提出了3种不同的巷道底鼓控制技术:反底拱+锚注支护、锚注支护、卸压槽支护。通过研究不同底鼓控制技术下的围岩稳定特征,并与底板不支护做对比,探究合理底鼓控制方案。

表1 岩层力学参数表

3.2 不同支护方案下巷道围岩变形情况

不同支护方案下巷道围岩垂直位移见图5. 底板无支护时底鼓量为119.4 mm,采取“反底拱+注浆加固”控制效果最佳,底鼓量仅21.6 mm;“锚注支护”效果次之,底鼓量控制到41.8 mm;“卸压槽支护”不仅未起到降低底鼓作用,反而进一步增大底鼓量。

图5 不同方案巷道围岩垂直位移云图

3.3 不同支护方案下巷道围岩应力分布情况

不同支护方案下巷道围岩垂直应力分布见图6. 采取“锚注支护”与“反底拱+锚注支护”后,改善了底板围岩条件,底板强度得到提高,由于底板破坏对两帮造成的影响减弱,两帮应力分布更加趋于合理;采取“无支护”或“卸压槽支护”时,由于底板为软弱的泥岩,难以支撑上部围岩荷载,造成两帮帮角应力集中。

图6 不同方案巷道围岩垂直应力云图

3.4 不同支护方案下巷道围岩塑性区分布情况

不同支护方案下巷道围岩塑性区分布见图7. “无支护”和“卸压槽支护”时,巷道底部塑性区破坏范围大、破坏深度深;“锚注支护”时,巷道底部塑性区范围减小,塑性区深度减小了30%以上;“反底拱+锚注支护”效果显著,仅在巷道底部表面混凝土、废石范围内出现塑性区。

图7 不同方案巷道围岩塑性区云图

4 工业性试验

4.1 支护设计方案

1) 巷道整体注浆加固。

将机电房内部围岩铲平重整,从巷道表面一圈打孔放置7根长度4 m的带孔钢管,顶板钢管间排距2 000 mm×2 000 mm,两帮钢管间排距1 500 mm×2 000 mm. 通过带孔钢管向围岩内部注入水泥浆液,注浆压力为2～3 MPa,水灰比1.2∶1,持续缓慢注浆,尽量保证浆液填满围岩内部裂隙。注浆孔布置情况见图8.

图8 注浆孔布置图

2) 锚索补强支护。

根据机电房巷道围岩变形特征,结合原有支护方案,在巷道顶板和两帮均采用长度4 500 mm、直径21.6 mm的锚索进行补强支护,顶板锚索间排距2 000 mm×2 000 mm,两帮锚索间排距1 500 mm×2 000 mm. 锚索补强方案见图9.

图9 锚索补强支护图

3) 底板反底拱+锚注加固。

底板采用“浅部回填+中部锚固+深部注浆”的支护方案。通过在巷道底板开挖反底拱,在反底拱表面铺设钢带条,并沿着反底拱一圈向底板打设高强锚杆和注浆锚索,锚杆长度2 000 mm、直径22 mm、间距1 500 mm、排距1 000 mm,注浆锚索长度3 500 mm、直径21.6 mm、间距1 500 mm、排距1 000 mm,保证深部围岩强度有效提升,中部锚杆锚固作用充分发挥。待锚杆索施工完毕后,在底板表面喷设混凝土层,并回填碎石,碎石高度350 mm,碎石上方浇筑450 mm高度的混凝土。底板加固方案见图10.

图10 底板加固方案图

4.2 矿压监测

为保障巷道底鼓控制技术设计方案的合理性,对支护完成后的巷道围岩进行30 d矿压监测,监测结果见图11. 支护完成后的5 d内,巷道变形速度降低较快;5～20 d,最大变形速度不超过5 mm/d;20 d后,围岩逐步趋于稳定,最终底鼓量仅30 mm,说明该支护方案合理可行,能够保障机电房长期安全、可靠的使用。

图11 巷道围岩位移监测图

5 结 论

1) 针对该矿机电房底板变形破坏严重现象,分析了底板变形特征:底鼓现象剧烈,巷道断面收缩严重;机电房内部存在淋水、积水;经历多次返修,依旧无法阻止围岩变形。在此基础上分析了底板变形破坏机理:围岩受到高应力影响;底板围岩软弱,遇水易崩解;支护强度不足,造成结构失效。

2) 结合理论计算与数值模拟结果,确定了机电房底鼓控制原则:底板加强支护与帮顶协调支护。底板处于巷道最薄弱位置,采用“反底拱+锚注加固”进行加强支护;帮顶与底板紧密相连,采用“深部注浆+锚索补强”支护,保障巷道整体强度。

3) 提出了以“浅部回填+中部锚固+深部注浆”为核心的巷道底板围岩控制技术,并成功应用于机电房修复工作,最终最大底鼓量仅30 mm,巷道顶板和两帮也得到合理控制,最终顶板和两帮变形量均小于100 mm,能够满足机电房长期安全使用的要求。