軟底工作面回采巷道底臌機理分析及控制研究

康新挺

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原030024；2.山西煤炭運銷集團太原有限公司 煤業分公司，山西 太原030300）

在煤礦開采過程中，工作面回采巷道原平衡狀態會因礦山壓力和工程擾動的作用下遭到破壞，致使巷道頂底板和兩幫煤巖體向巷道內部移動，其中底板向巷道內隆起形成底臌。底臌的存在不僅會影響到正常的行人、通風和運料，還會造成巷道圍巖失穩，甚至致使整條巷道破壞失效。據相關資料顯示，國內巷道頂底板變形量的75%以上均是由底臌引起，巷道的總維修量成本的50%以上也是用于底臌治理〔1－2〕。對于工作面軟底巷道而言，底臌問題顯得尤為明顯，如何治理底臌已經成為了眾多軟底煤層礦井的重要工作。目前，國內外相關學者對軟底回采巷道的底臌發生機理和控制進行了多方面研究，分析了水理作用、巖石特性、支護結構等因素對底臌的影響作用，也有針對性的提出來如卸壓法、底板加固法等多種底臌治理手段，然而鑒于軟底巷道的復雜性，底臌問題依然不能夠徹底解決〔3－5〕。山西煤炭運銷集團店上煤礦3302工作面所采煤層為山西組3＃煤層，其直接頂和直接底均由泥巖和砂質泥巖組成，在工作面回采過程中底臌問題突出，嚴重地影響了該工作面的安全回采。現以該工作面為研究對象，分析回采巷道底臌產生的機理，并探求如何治理3302工作面回采巷道底臌。

1 工作面概況

3302工作面東側和南側為實體煤，西側為正在掘進的3304工作面運輸巷，北側為采區上山，工作面蓋山厚度為463.5～634.5m。工作面所采煤層為山西組3＃煤層，該煤層以亮煤為主，含有少量的暗煤和鏡煤，煤層厚度4.2～6.5m，平均為5.5m，傾角1°～12°，平均為8.5°，煤層自上而下表現為軟～硬～軟，煤層整體表現為質軟、疏松。工作面設計可采長度為1757m，工作面長219.5m，可采儲量為270.68萬噸。由工作面現場取芯和實驗室物理力學實驗分析結果可知，3302工作面頂底板巖性較復雜，偽頂為0.25～0.47m的泥巖，直接頂為厚4.2～6.5m層理發育程度較高的泥巖～砂質泥巖，基本頂為厚8.5～12.6m的砂質泥巖～粉砂巖，直接底為厚4.5～6.4m的破碎泥巖～砂質泥巖，基本底為厚9.6～11.2m的深灰色粗粒砂巖～粉砂巖。工作面共探出斷層28個，均為正斷層，落差為0.8～4.6m；陷落柱一個，EW 向長85m，NS向長427 m。工作面運輸巷和回風巷規格（長×寬）均為5.8m×5.6m，支護方式均為“錨網索鋼帶”聯合支護，兩巷超前50m范圍內采用兩趟鉸接梁配合單體柱進行加強支護。

2 工作面回采巷道底臌分析

2.1 影響因素分析

底臌與巷道變形密切相關，在巷道掘進前，巷道圍巖體處于應力平衡狀態，巷道的開挖破壞了這種應力平衡狀態，在開挖過程中出現的能量釋放和應力集中使巷道圍巖出現彈塑性變形，而底板變形的表現形式便是底臌。理論研究和生產實踐表明，開挖應力變化作用是底臌形成的主導因素，除此之外還有水理作用、圍巖體特性、工作面采動擾動和支護結構體等。

（1）水理作用：3302工作面巷道水主要包括頂板淋水、降塵水、底板滲流水等。現場實踐表明，巷道水是引起該工作面回采巷道底臌的重要因素。理論研究表明，水進入巖體內可以促使巖體礦物質出現理化性變化，造成巖體軟化、崩解和膨脹，這種水理作用對于含有蒙脫石、伊利石等礦物質的泥巖和砂質泥巖表現尤甚。3302工作面直接底為厚4.5～6.4m的破碎泥巖～砂質泥，實驗室測試結果表明，該直接底巖層含蒙脫石和伊利石等礦物質含量高達35%以上，水由巖體表面或者巖體裂隙侵入巖體內部在水理作用下引起底板臌起和開裂。

（2）回采擾動作用：軟底回采巷道與一般回采巷道相比，其上覆巖層結構更容易受到支承壓力的作用發生破壞，具體表現在煤柱易變性和頂板易失穩兩個方面。由砌體梁理論可知，巷道上覆巖層結構遭到破壞后，頂板關鍵巖塊出現回轉和下沉，工作面超前和側向支承壓力在巷道兩幫出現疊加。在高應力垂直作用下，巷道兩幫向軟底中嵌入使底板向巷道中間隆起，考慮到疊加應力的不均勻性，巷道底臌也出現不對稱性，由現場可知，3302工作面回采巷道底臌較靠近巷道煤體側。

（3）圍巖特性：回采巷道圍巖特性包括強度、擴容性、水理性和粘性等，這些特性或多或少對巷道變形程度有直接的影響。一般認為，底板圍巖若致密性高、強度大、厚度大則有利于降低底臌的發生率和底臌程度；擴容性是指巖體因裂隙的存在和發展出現巖體體積膨脹的現象，巖體內裂隙發育程度越高，巖體擴容性越好，越不利于控制底臌；粘性也稱為流變性。軟巖粘性要遠遠強于硬巖，隨著回采巷道暴露時間越長，巷道圍巖受粘性影響也越明顯，底板變形也越嚴重。

（4）支護結構：合理的巷道支護方式是控制巷道變形的有效途徑。以往工作面回采巷道僅僅是采用“錨網索”支護對巷道頂板和兩幫進行支護，而忽視了對底板的控制，造成底板巖層抗壓作用更弱，在兩幫煤巖體的應力傳遞的作用下更易出現變形和破壞。

2.2 巷道底臌規律

工作面回采巷道變形包括頂底板變形和兩幫變形，頂底板變形和兩幫變形交互影響。掌握巷道變形規律和特點可為治理巷道底臌提供現場依據。基于此，2014年9月12日在3302工作面回風巷布置兩組測點（1＃測點和2＃測點），每班采用“十字交叉”法對測點進行測量并將所測數據定期進行匯總分析，數據處理結果見圖1、圖2。

圖1 1＃測點表面位移變化規律

圖2 2＃測點表面位移變化規律

由圖1和圖2可知，3302工作面回風巷兩幫移近量與頂底板移近量大致相同，其中兩幫移近量為600～610 mm，頂底板移近量為560～580mm。考慮到巷道尺寸，認為影響巷道行人、運料和通風的主要是頂底板變形，其中以底板變形為主。由圖可知，巷道底板變形量為460～475 mm，超占頂底板移近量的80%以上。對測點數據進一步分析可知，隨著工作面的逐漸推進，70m范圍內的巷道變形速度和變形程度逐漸加大，在距離煤壁前方50～52m時巷道變形顯著增加，其中底臌速度達到42mm／d以上。隨著回采的繼續推進，在煤壁前方8～10m時巷道變形率達到最大。由此說明，影響3302工作面回風巷穩定性主要是巷道底臌，控制巷道變形，保證巷道穩定性的關鍵在于控制巷道底臌。

3 治理措施及效果

關于底臌治理，國內外學者專家給出了很多控制方法如底板加固法、底板卸壓法、聯合支護法等，其出發點主要是通過提高底板圍巖強度、降低圍巖應力和提高支護阻力來治理底臌，這些方法治理底臌取得了一定的效果。根據3302工作面巷道變形規律和現場研究，認為影響底臌的主要因素為礦壓作用和底板圍巖特性，同時結合臨近礦井治理底臌的經驗，決定采用注漿錨桿加固底板來治理底臌。注漿錨桿可起到錨桿加固和注漿加固的雙重效果，即利用錨桿組合梁作用將底板巖層固定在一起，利用注漿加固使底板形成強度較大的厚層狀反拱，這樣可有效地抑制底板出現開裂和隆起。

將距離煤壁150～250m的回風巷段作為實驗段巷道，在原“錨網索”聯合支護的基礎上采用注漿錨桿對底板進行加固。根據巷道尺寸、底板圍巖特性和巷道變形特點等選擇規格為Φ22mm×1800mm的注漿錨桿，采用水灰比為0.8～1.0的注漿液（水泥、水玻璃和拌合水），要求注漿錨桿初始錨固力不低于70kN，錨桿間排距為800mm×800mm，底角注漿錨桿與水平呈45°打設。注漿工藝流程為施工準備－測量布眼－鉆孔－插錨桿－安墊板和螺母－注漿。試驗段巷道注漿錨桿施工完畢后對底板進行混凝土澆筑，澆筑厚度以完全覆蓋注漿錨桿裸露端為宜。該試驗段巷道底板加固結束后在相應位置布置測點（3＃、4＃測點）來測量巷道變形情況，結果見圖3、圖4。由圖可知，底板經過注漿錨桿加固后兩幫變形和底板變形量分別為375～380mm和160～180mm，約為底板加固前變形量的62%和28%，由此可知，對底板打設注漿錨桿可有效控制3302工作面回風巷底臌。

考慮到引起3302工作面回采巷道底臌的因素較多，在治理底臌時應綜合考慮這些因素，如應及時對底板積水進行疏排，避免底板巖層因水理作用出現崩解和膨脹；根據開采實際相應提高回采速度可以減緩礦山壓力對底板作用時間，有利于降低底臌程度。

圖3 3＃測點表面位移觀測數據

圖4 4＃測點表面位移觀測數據

4 結語

1）3302工作面回采巷道變形以底臌為主，影響巷道底臌的主要因素有水理作用、回采擾動、支護結構和圍巖特性等。

2）通過現場實測，掌握了3302工作面回風巷變形規律，認為確保巷道穩定性的關鍵在于控制底臌。

3）確定了采用注漿錨桿來治理3302工作面回風巷底臌的方案，通過該方案的實施，有效控制了巷道底板變形，同時指出應采取多種輔助手段來聯合治理底臌。

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〔2〕王洪立，王玉白，胡冠英.巷道底臌的原因及防治措施〔J〕.煤礦安全，2005，36（8）：43－45.

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