李旭東

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 工程概況

山西陽(yáng)煤集團(tuán)新景礦中條帶軌道巷位于井田西部，該巷道為一水平提供運(yùn)輸、行人等服務(wù)。巷道埋深450 m，半圓拱形，凈斷面4500 mm×3650 mm。頂板巖層為中粒砂巖，均厚16.5 m，巖層完整性好、強(qiáng)度高；底板直接底巖層為灰?guī)r和11#煤互層，其中灰?guī)r層均厚3.14 m，11#煤均厚0.22 m；基本底為中粒砂巖，均厚為10 m；底板巖層整體裂隙較為發(fā)育，巖層較為松軟，整體性較差。

中條帶軌道巷原有支護(hù)采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6200 mm 的1×7 股鋼絞線，錨索間排距為1800 mm×1600 mm，錨桿索之間采用梯子梁進(jìn)行連接，巷道表面噴射100 m 厚的混凝土。在該種支護(hù)方案下，巷道在5280～5430 m 的范圍內(nèi)礦壓顯現(xiàn)較為明顯，底板鼓起量較大，局部最大底板鼓起量0.9 m，平均底鼓量為0.65 m。且巷道在鄰近工作面回采礦山壓力作用下，進(jìn)一步持續(xù)變形，巷道斷面的變形已經(jīng)嚴(yán)重影響到巷道的正常使用，急需對(duì)巷道圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。巷道原有支護(hù)斷面圖如圖1。

圖1 巷道原有支護(hù)斷面圖

2 底鼓機(jī)理分析

2.1 底鼓影響因素分析

根據(jù)眾多巷道底鼓方面的理論研究[1]，巷道底鼓主要受到巷道圍巖巖性、圍巖應(yīng)力、巷道斷面形狀及支護(hù)形式的影響，現(xiàn)基于中條帶軌道巷的特征，進(jìn)行巷道底鼓影響因素的具體分析：

（1）底板的巖性。根據(jù)地質(zhì)資料可知，巷道底板巖層以炭質(zhì)泥巖和含泥質(zhì)泥巖為主，且該類巖石中含有高嶺石、蒙脫石和伊利石等物質(zhì)，其遇水易出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，巖層遇水后會(huì)使得底板巖體逐漸松散破碎。

（2）圍巖應(yīng)力。中條帶巷的埋深在450～500 m的范圍，圍巖的自重應(yīng)力在11.7～16.3 MPa 的范圍內(nèi)，該區(qū)域最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力，數(shù)值為17.2 MPa，該區(qū)域巖體的單軸抗壓強(qiáng)度平均值為20.25 MPa。在巷道開挖后，由于巷道兩幫在水平應(yīng)力的作用下會(huì)對(duì)底板巖層形成一定的擠壓破壞，使得底板巖層出現(xiàn)擴(kuò)容剪脹變形，進(jìn)而導(dǎo)致底板鼓起的現(xiàn)象。

（3）支護(hù)強(qiáng)度。巷道原有支護(hù)采用普通的錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，但底板處于無(wú)支護(hù)的狀態(tài)，且原有支護(hù)對(duì)于兩幫的控制強(qiáng)度也不足，進(jìn)而致使應(yīng)力不斷向底板傳遞，底板在應(yīng)力作用下會(huì)逐漸變形。

（4）巷道斷面。根據(jù)相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果可知[2]，在相同的地質(zhì)條件下，巷道斷面為圓形時(shí)的底鼓變形量比直墻半圓拱形的巷道斷面小1/3，中條帶巷采用直墻半圓拱形的巷道斷面，巷道底板無(wú)法形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)。

2.2 底鼓量的構(gòu)成

根據(jù)中條帶軌道巷所處的地質(zhì)條件和應(yīng)力狀況，主要從底板彈塑性變形、峰前擴(kuò)容及峰后剪脹、遇水膨脹和圍巖蠕動(dòng)四方面進(jìn)行分析[3-4]。

（1）彈塑性變形引起的底鼓量。該部分底鼓量為底板巖層處于彈塑性階段時(shí)的變形，可將巷道斷面等效成圓形，再基于雙向等壓情況下的周邊位移計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)計(jì)算可知該部分的底板位移92.447 mm，可知底板在彈塑性階段的變形量相對(duì)較小。

（2）底板巖層峰前擴(kuò)容及峰后剪脹引起的底鼓量。巖石在峰后變形可劃分為碎脹變形的一階段和二階段，巖石在該階段的變形主要是沿著巖石已經(jīng)存在的破裂面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而造成底板巖層呈現(xiàn)出變形的特征，巷道底板在該部分的變形為底板變形量的主要部分。具體巖石沿著X 狀剪切面的滑動(dòng)模型如圖2。

圖2 巖石X 狀剪切面滑動(dòng)模型

（3）軟巖遇水膨脹引起的底鼓量。底板水能夠滲透的范圍基本與圍巖松動(dòng)圈的范圍相等，故以松動(dòng)圈范圍進(jìn)行該部分底鼓量計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：Uf為底板巖層遇水產(chǎn)生的膨脹量，mm；Ks為巖石的碎脹系數(shù)，一般取0.05～0.5；Lp為底板圍巖的松動(dòng)范圍，mm；Ra為底板巖層的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；P0為原巖應(yīng)力；MPa?，F(xiàn)結(jié)合巷道底板巖層特征，分別以底板為泥巖和砂巖進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出泥巖和砂巖遇水膨脹量分別為276.63 mm 和153.11 mm。

（4）巷道圍巖蠕動(dòng)引起的底鼓量。巷道開挖后，圍巖變形會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷變形。基于相關(guān)研究可知[5-6]，巖石的蠕變與巷道半徑及巷道掘出后的時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)。

基于上述分析得出，底板鼓起主要是由于圍巖受到剪切變形、遇水膨脹和流變，其中引起底板鼓起的主要因素為圍巖受到剪脹和遇水膨脹，故為有效控制底板鼓起量，應(yīng)考慮這兩方面的影響因素進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固方案設(shè)計(jì)。

3 底鼓控制技術(shù)及效果

3.1 底鼓治理方案

基于中條帶軌道巷底鼓特征及引起底鼓的主要因素，結(jié)合巷道地質(zhì)條件，確定采用臥底+淺部注漿+深部注漿錨索相結(jié)合的治理方案，具體治理方案如下。

（1）巷道臥底。為確保中條帶巷滿足使用要求，在注漿前進(jìn)行巷道臥底，起底深度為500 mm。

（2）淺孔注漿。注漿材料采用水泥-水玻璃漿液，注漿孔參數(shù)為Φ42 mm×1500 mm，間排距為1000 mm×4000 mm，注漿孔沿巷道中線交錯(cuò)布置，設(shè)置終孔注漿壓力為3～5 MPa。具體淺部注漿孔的布置形式如圖3。

圖3 淺孔注漿布置形式斷面圖

（3）底板注漿錨索束補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。淺部注漿完畢后，進(jìn)行深部注漿作業(yè)。深部注漿采用注漿錨索，注漿錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×15 000 mm，其沿巷道中線兩側(cè)交錯(cuò)布置，端部錨入底板石灰?guī)r2 m 的深度，布置排距為2 m，其中靠近巷幫的錨索與垂直方向成15°布置，中部錨索沿著垂直方向布置。具體錨索布置形式如圖4。深部注漿材料采用水泥漿，注漿終孔壓力為8 MPa。

圖4 底板注漿錨索布置形式示意圖

單孔注漿施工的具體步驟如下：

（1）在需加固位置用鉆機(jī)按設(shè)計(jì)位置打設(shè)注漿鉆孔，鉆孔直徑及深度等由注漿參數(shù)決定；

（2）安裝注漿花管，將注漿花管放入鉆好的注漿孔，注漿花管外端與注液槍通過(guò)螺紋連接，并對(duì)注漿孔進(jìn)行封孔；

（3）孔口進(jìn)行有效的封孔后，便可開泵，進(jìn)行注漿作業(yè)；

（4）待注漿完畢后，停泵，卸壓，拆除注液槍及注漿管線，移至下一個(gè)注漿孔，單孔注漿結(jié)束，依次進(jìn)行下一鉆孔注漿。

具體注漿工藝流程如圖5。

圖5 注漿工藝流程圖

3.2 治理效果分析

為驗(yàn)證中條帶巷底鼓的治理效果，底鼓治理措施實(shí)施后，對(duì)底鼓治理區(qū)域巷道頂?shù)装宓囊平砍掷m(xù)進(jìn)行3 個(gè)月的觀測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制出頂?shù)装逡平侩S觀測(cè)時(shí)間的變化曲線如圖6。

圖6 頂?shù)装逡平壳€圖

分析圖6 可知，中條帶巷道在采用底鼓治理措施后，其頂?shù)装逡平恐饕l(fā)生在處理措施實(shí)施后的0～40 d 內(nèi)，在治理措施實(shí)施40 d 后，巷道頂?shù)装逡平俾蚀蠓鶞p小，治理措施采用60 d 時(shí)，頂?shù)装寤具_(dá)到穩(wěn)定，最大變形量為108 mm，這即表明底鼓治理措施實(shí)施后有效解決了底板鼓起量大的問(wèn)題。

4 結(jié)論

根據(jù)中條帶軌道巷的具體地質(zhì)條件，通過(guò)底鼓機(jī)理分析得出巷道底板鼓起主要是由于圍巖受到剪切變形、遇水膨脹和流變的影響?；趯?dǎo)致底鼓變形的主要因素，確定采用淺孔注漿+深部注漿錨索底鼓治理方案。根據(jù)底鼓治理方案實(shí)施后的頂?shù)装逡平坑^測(cè)結(jié)果得出，底鼓治理效果良好。