新疆伊北礦區軟巖巷道底臌機理及其控制措施的研究

熊鵬飛，朱美燕

（新汶礦業集團（伊犁）能源開發有限責任公司，新疆 伊犁 835000）

軟巖巷道其圍巖應力平衡十分脆弱，其圍巖變形和破壞的一種主要方式就是巷道底臌。因此，長期以來研究巷道底臌的機理和巷道底臌的控制措施一直是礦井巷道維護的重大難題之一。新疆伊北礦區煤炭資源豐富，是我國重要的煤炭戰略儲備基地，伊犁四礦為伊北礦區首個大型綜合機械化開采礦井，主要可采煤層為淺埋深厚煤層，頂底板巖性較復雜，以泥巖和粉砂質泥巖為主，屬我國西部分布廣泛的典型弱膠結軟巖地區礦井。在這種獨特的工程地質和少有前人研究成果的情況下，研究該地區巷道底板底臌及防止措施具有重要的意義。

1 工程概況

伊犁四號礦井位于伊犁盆地北部一寬緩的傾伏向斜盆地中，區域地勢東高西低。井田含煤地層主要為中生代侏羅紀八道灣組、三工河組，前期主要開采煤層為21-1煤層和23-2煤層。其中，+660m水平石門在開挖過程中，現場監測發現其圍巖表面破碎、自穩時間短、頂板下沉及底板隆起速度快，尤其底臌持續時間長、變形量大、呈現撓曲褶皺性，若支護不及時或不合理，極易造成巷道破壞，嚴重威脅施工安全及制約煤礦開采。

2 軟巖巷道圍巖變形特征

+660m水平石門在進行初次錨網噴支護后，現場監測其圍巖收斂變形及底臌速率如圖1所示，可知：

圖1 巷道圍巖變形曲線

1）巷道開挖后，圍巖變形劇烈，兩幫開始破碎甚至剝落，頂板下沉明顯，底板發生快速隆起，巷道來壓快、應力釋放明顯，若不及時支護將引起巷道片幫、頂板破碎，甚至導致冒頂及巷道整體失穩。

2）由于巷道在開挖后即進行及時初期支護，因此監測數據是在初支后的巷道變形，發現兩幫收斂與底臌變形速度仍然較快，變形持續時間較長，兩幫收斂量達到145mm，底臌量達到320mm，呈弧狀型底臌，對煤礦開采運輸造成影響。因此，單純的初期錨網噴支護不能有效控制巷道圍巖變形，需及時進行二次錨網噴+預應力錨索支護[4]。

3）巷道開挖初期，底臌變形速率達到50mm/d，且變形速率受地質條件影響較大，不同巖性條件下的巷道圍巖變形速率差異顯著；開挖后前10天變形速率一般在10mm/d以上，10天后底臌變形進入平緩階段，40天后底臌變形速率基本穩定，呈現流變特性，變形持續時間較長。

3 底臌成因分析

國內眾多學者對巷道底臌機理進行了一系列研究。姜耀東等[2]將底臌類型分為遇水膨脹型、剪切錯動型、擠壓流動型、撓曲褶皺型4類，并深入研究了其變形破壞機理及影響因素；劉泉聲等[6,7]研究認為軟巖巷道底臌的主要成因為地層巖性、水理作用及高地應力；康紅普等[3]提出了巷道底臌主要由底板巖層壓曲、偏應力下巖石擴容及巖石遇水膨脹等因素導致。

本文結合西部弱膠結軟巖地質特征及本礦區實際情況，其底臌形態主要為剪切錯動性底臌，總結該巷道底臌成因的關鍵影響因素如下：

3.1 底板巖性和結構狀態

底板巖層的結構狀態、軟弱程度及巖層厚度直接決定著底臌大小及底臌形態。當底板位于軟弱泥巖中時，由于巖體強度低、吸水率高、吸水后膨脹變形，其自身穩定性和承載能力較差，在地應力作用下易產生底臌，造成底板失穩破壞。

+660m水平石門底臌段底板主要為泥巖、炭質泥巖，強度低、脆性大、遇水易崩解軟化，自身穩定性和承載能力較差；并且其底角和底板普遍沒有采取有效的支護措施，僅用混凝土硬化，當巷道頂幫壓力較大時，造成底板出現應力集中現象，致使底板產生塑性變形、出現底臌。現場觀測發現，該段巷道底板隆起嚴重，將硬化混凝土整體剝離抬起。

3.2 巖層應力

巷道開挖破壞了原始應力平衡狀態，引起圍巖應力重分布，當巖層應力達到一定條件時，由于底板支護強度最低，底板巖層最先不能承受過大的應力作用而發生應力釋放，導致底臌產生。

3.3 支護強度

底板敞開不支護是巷道底臌量大于頂板下沉量的重要原因。底板支護對控制底臌有重要作用，足夠的支護阻力可顯著減小底臌量。

該段水平石門巷道采用二次錨網噴+錨索+U形棚支護，底板采用混凝土硬化，底板的支護強度和深度顯著低于頂板和兩幫，是巷道強度的薄弱部位。由于軟巖巷道四周來壓，將擠壓底板產生裂隙和流變擴容，這時僅采用剛性支護無法達到支護強度。因此，底板成為巷道支護體系的薄弱環節，應力釋放通過底板隆起體現出來。

4 底臌聯合控制技術

從上文的底臌成因分析，單獨采用混凝土硬化無法有效控制軟巖巷道底臌，需采用多種方式的聯合支護技術。從巖層應力分布和支護強度方面進行控制，先加強兩幫底角錨桿支護，然后進行錨桿+錨網+錨梁澆筑混凝土的聯合支護技術，如圖2、圖3所示。

圖2 巷道兩幫底角錨桿支護

圖3 巷道底板聯合支護

通過提高底板圍巖強度或提高對底板圍巖的支護力來達到控制底臌的目的，是一種最常用的底臌控制方法。

相同圍巖條件的巷道，加強底角支護，其底臌量會大為減少，圖2可見加強巷幫支護的底臌控制效果。

底板錨桿主要有兩個作用:一是把淺部不穩定的巖層與下部穩定巖層聯結在一起，二是通過底板錨桿在巷迫底板形成組合巖梁，此組合梁的極限抗彎強度比單一巖層抗彎強度的總和大，可抑制下部巖層因擴容引起的裂隙張開及新裂隙的產生，同時，也可限制下部巖層向上鼓起，可起到一定的阻止底板向巷道內移動的作用。

該聯合支護技術的優勢為：①錨桿+錨梁的柔性支護作為主動支護，提高底板巖層的整體強度，充分發揮其深部巖層的自穩性；②網噴+澆筑混凝土作為被動支護，可提高底板的整體剛度，抵抗底板底臌壓力，抑制底板變形；③該聯合支護充分發揮了主被動支護的優勢，與頂板錨網噴+錨索支護和兩幫錨網噴支護共同形成了封閉的支護體系，有效控制巷道變形，最終實現底板的穩定性控制。

5 工程應用效果

將錨梁+錨桿+網噴+澆筑混凝土的聯合支護技術應用于+660m水平石門，對其進行了3個月的現場實時監測，其巷道圍巖變形情況如圖4所示。

圖4 巷道圍巖變形監測曲線

對比圖4采用聯合支護技術與圖1僅采用網噴支護可知，①軟巖巷道底板采用聯合支護技術后，圍巖變形顯著減小，兩幫收斂量最大值為38mm，比未采用時降低了80%，底臌量最大值為59mm，比未采用時降低了83.6%，說明通過對巷道底板進行主被動聯合支護，有效提升了巷道的整體穩定性，變形抑制效果顯著；②采用聯合支護技術后，底臌速度明顯降低，在巷道開挖前10d內，底臌速度小于頂板和兩幫變形速度，在10d～40d內，底臌以較為平穩的速度發展，直至50d后底臌基本保持穩定，說明底板聯合支護結構發揮了較好的作用，將兩幫傳遞來的圍巖壓力傳遞至底板深部巖層。因此，軟巖巷道采用錨梁+錨桿+網噴+澆筑混凝土的聯合支護技術能夠有效控制圍巖變形，具有良好的工程應用效果。

6 結 論

1）西部弱膠結軟巖巷道具有巖性強度低、膠結性弱、裸露易風化、遇水易崩解、開挖大變形等特點，尤其底臌速度快、隆起量大等問題給巷道開挖和采礦運輸帶來了極大挑戰。

2）根據現場監測得到軟巖巷道底臌的關鍵影響因素主要為底板巖性和結構狀態、巖層應力、支護強度、水理作用。

3）提出了巷道底板采用錨梁+錨桿+網噴+澆筑混凝土的聯合支護技術，現場監測表明該技術能夠有效控制圍巖變形，具有良好的工程應用效果。