深井大斷面軟巖巷道底鼓破壞特征及治理技術研究

劉 劍，郝萬東

(1.鄂爾多斯市能源局，內蒙古 鄂爾多斯 017000； 2.中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006)

隨著我國煤炭資源開采逐漸向深部發展，巷道圍巖控制變得更為困難，特別是當巷道斷面大、煤層較軟時，巷道變形破壞嚴重，支護困難，回采巷道圍巖的控制已成為礦方關注的主要問題[1-3]。由于埋藏深，斷面大，同時受已采空區應力的影響，巷道圍巖破壞機理復雜，給支護設計與施工帶來困難，對于深井軟巖巷道而言，底鼓破壞成為巷道最主要的破壞形式，對工作面的運輸、通風等造成了較大影響[4-6]。在實際支護過程中，由于對巷道圍巖破壞機制不明確，主要是通過以往經驗或者參考相鄰礦區，造成巷道圍巖變形量大，甚至支護失效，給工作面安全生產造成嚴重影響。為解決深井大斷面軟巖巷道的底鼓問題，以察哈素煤礦11302工作面回風巷為工程背景，對巷道底鼓問題進行了系統的分析，給出了底鼓治理技術，并通過工程實踐進行了驗證，巷道底鼓控制效果理想，具有良好的技術經濟效益。

1 工程概況

察哈素煤礦11302工作面主要回采3-1煤層，煤層埋深631～682m，平均埋深650m，煤層厚度為15.0～26.5m，平均厚度24m。煤層結構簡單，視密度平均1.36t/m3，硬度系數f=1.5，含兩層夾矸，且位于煤層的中上部，夾矸厚度一般小于0.3m，巖性均以泥巖或炭質泥巖為主。工作面可采長度為1893.0m，傾向長度為200.0m。工作面設計預采頂分層，采煤機割煤高度為3.5m，放頂煤開采總厚度預計在10～13.5m范圍，全部垮落法管理頂板，工作面頂底板特征見表1。

表1 煤層頂底板特征表

11302工作面回風巷設計為矩形斷面，巷道寬5.2m，高3.6m，沿煤層上分層底部沿空掘進，為全斷面煤巖巷道，巷道東部為11301工作面采空區區段煤柱，煤柱寬度為6m，采用錨桿(索)加金屬網及鋼帶聯合支護。在11302工作面回采期間巷道變形破壞嚴重，來壓期間底板最大變形量為897mm；兩幫最大變形量為763mm，對巷道運輸造成了嚴重的影響。

2 底鼓破壞特征及影響因素分析

2.1 底鼓破壞特征分析

11302回風巷在工作面采動期間出現了巷道底鼓、兩幫移近現象，導致巷道斷面變形，其圍巖受力狀態發生改變進一步促使巷道的穩定性的下降。回采期間對工作面巷道底板進行了鉆孔窺視，在工作面前方70m處底板中部布置3組鉆孔，鉆孔間距10m，鉆孔深度為3m，當工作面距鉆孔30m時開始觀測，并記錄數據，通過統計、分析所得的巷道底板巖層位移曲線如圖1所示。分析可知：

圖1 巷道底板巖層位移曲線

1)巷道底部存在零位移點(N0)，零位移點上部為上升區域，下部為下降區域，零位移點距巷道底板表面距離約為1.32m，巷道底部上升區域即為巷道底鼓區，最大上升量為876mm，巖層最大下沉量為183mm。

2)隨著深度的增加，上升巖層區域位移量逐漸減小，下沉煤層區域位移量先逐漸增大再逐漸減小，最后趨于相對穩定。

3)巷道底部存在零應變點(N)，如圖1中N點所示，底部上升區域為拉應變，底鼓區域受較大拉應力，下沉區域為壓應變，零應變點距巷道底板表面距離約為1.68m。

4)巷道底部零位移點及零應變點可將巷道底板表面向下分為拉應變上升區、拉應變下降區及壓應變下降區。

2.2 巷道底鼓影響因素分析

1)圍巖強度。11302回風巷為全煤巷道，煤層較軟，在回采過程很容易受采動影響而發生拉伸及剪切破壞，導致巷道圍巖受力狀態惡化，承載能力降低，隨著時間的推移及采動的持續影響，煤巖體破壞程度及破壞范圍進一步增大，導致巷道底板逐步發生破壞。

2)圍巖應力。11302工作面回風巷埋藏深，巷道圍巖不僅承載著較大的垂直應力，而且受側向水平應力的影響，其對巷道造成的破壞主要集中在頂板及底板；由于巷道底板無支護，底部巖層對水平應力的作用表現更為敏感，持續發生拉伸、剪切破壞而向巷道底板表面上部移動，從而發生了嚴重的底鼓破壞。此外，由于區段煤柱尺寸較小，受上工作面影響后發生了嚴重的塑性破壞，基本不具備承載能力，無法承載采空區側向應力，導致巷道煤柱幫及底板發生變形破壞。

3)支護形式。11302工作面回風巷頂板及幫部采用錨桿(索)加金屬網鋼帶聯合支護，采用Φ18mm×2200mm型無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，垂直于頂板及幫部布置，底板無錨桿支護。一方面，由于錨桿相對較短，且不能對巷道幫部底角及底板形成有效的支護，在受工作面采動及采空區側向應力的影響下，錨桿支護力逐步降低，由原來的三向應力狀態逐步變為二向應力狀態，支護效果持續變差；另一方面，由于底板支護且相對較軟，形成了強度較低的自由面，在較高水平應力影響下極易發生破壞而向巷道內部空間運移讓壓，從而出現嚴重的底鼓現象。

3 巷道底鼓治理技術

3.1 區段煤柱合理留設

區段煤柱合理尺寸的確定對巷道圍巖穩定性具有重要影響，當煤柱尺寸過小時巷道變形破壞嚴重，巷道圍巖控制困難；當煤柱尺寸過大時，巷道圍巖可得到有效控制，但又會造成煤炭資源的大量損失，因此在實際生產過程中應該在有效控制巷道圍巖的基礎上盡可能降低煤炭資源的損失[7，8]。基于煤層厚度大且煤質好，且11302工作面原有的區段煤柱為窄煤柱，因此本文確定11302回風巷采用窄煤柱護巷。

通過數值模擬分析所得不同寬度煤柱條件下巷道底鼓量統計見表2，分析表2可知：

表2 不同寬度煤柱下巷道底鼓量統計表

隨著煤柱寬度的增大，巷道底鼓量呈先減小后增大然后又減小的趨勢：當煤柱寬度為4m以內時，巷道最大底鼓量在900mm以上，隨著煤柱尺寸的增大，巷道底鼓量有所降低，當煤柱寬度變為10m時，巷道底鼓量為326mm，當寬度變為12m時巷道底鼓量增加至412mm，而后又有小幅度增加，當煤柱寬度大于18m時，巷道底鼓量又逐漸降低。

進一步分析可知，上一工作面回采結束后，在采空區側向一定范圍內應力會發生重新分布：當煤柱寬度較小時，采空區側向高應力主要集中在巷道另一側的實體煤壁，巷道煤柱幫承載著較小的應力，由于受上一工作面采動影響，煤柱發生了嚴重的塑性破壞，主要表現在巷道底板及煤柱幫部變形破壞；隨著煤柱寬度的增大，結構穩定性有所增強，破壞程度有所降低；當煤柱由10m變為12m時，巷道底鼓量由減小向增大突變，分析可知當煤柱寬度變為12m時采空區側向高應力由實體煤向煤柱側轉移，巷幫煤柱承載著較高的集中應力，煤柱結構穩定性受高應力影響而有所減弱，巷道圍巖穩定性也受到一定影響，因此會出現煤柱寬度增大巷道底鼓量增大的現象。

由上述分析可知，使用窄煤柱護巷時，當煤柱寬度為10m時，受采動影響后巷道底鼓量相對最小，結合11302工作面實際開采情況，為有效降低巷道底鼓量，將區段煤柱由原來6m變為10m。

3.2 巷道支護參數優化

巷道支護參數的合理確定對巷道的有效控制具有重要作用，研究表明，軟巖巷道錨桿及錨索參數設計合理可有效提高采動影響后巷道巖層的峰后強度和殘余強度，是控制巷道圍巖變形最有效的方法[9，10]。11302工作面回風巷現使用的錨桿機錨索較短，有效支護長度小，且對巷道底板不做處理，底板處于無支護的自由狀態，基于此，本文通過系統分析的方法綜合考慮一采區工作面巷道巖性、巷道應力、地質構造、錨固體性能等因素確定巷道錨桿支護參數，如圖2所示。

圖2 巷道支護參數(mm)

通過分析，將原有的Φ18mm×2200mm型無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿變為Φ22mm×2800mm型水力膨脹錨桿；將原有的規格為Φ18mm×2400mm型頂部錨桿變為Φ22mm×3100mm型水力膨脹錨桿；采用全長錨固的方式，將錨固范圍內圍巖變為三向應力狀態，有效限制圍巖弱面的發展，增強巷道圍巖整體承載能力；將原有的Φ18mm×6300mm型錨索規格變為Φ22mm×7500mm型鋼絞線錨索；在巷道頂板邊緣布置錨桿與豎直方向呈30°夾角；巷道幫部頂端錨桿與水平方向呈30°夾角，底端布置的錨桿與水平方向呈45°夾角，限制巷道幫部頂角及底腳處軟弱煤巖體的破壞和發展，加固了巷道幫部及底腳圍巖的穩定性，從而減小巷道的底鼓。

3.3 局部注漿加固底板

在實際生產過正中，遇到巷道底板局部區域底鼓嚴重時，可對巷道底板起底后進行局部注漿硬化底板，采用普通硅酸鹽水泥與添加劑配制而成，水灰比控制在2∶1，注漿壓力為4～8MPa，漿體應充分進入底板裂隙層，漿體凝固后與底板煤巖層組成穩定的結構體，從而限制巷道底鼓。

4 工程實踐

11302工作面回采期間對回風巷進行了起底處理，采用新型錨桿進行補強支護，并在來壓期間對底板進行了局部注漿處理，在采動期間巷道底鼓得到了一定控制，巷道最大底鼓量減小為453mm；11302工作面回采結束后，對巷道進行了重新布置，將區段煤柱由原來的6m增加到10m，根據新設計的錨桿支護參數，使用新型水力膨脹錨桿、強力加長鋼絞線錨索配合鋼帶和金屬網進行聯合支護。目前，11303工作面已回采約600m，回采期間巷道最大底鼓量為265mm，與原有的生產條件相比，巷道底鼓量得到了良好的控制，保障了工作面安全生產及設備運輸，具有良好的技術經濟效益。

5 結 論

通過分析強礦壓巷道的地質賦存情況和底鼓破壞情況，有針對性地分析了厚煤層煤巷底鼓治理的措施，得出如下結論：

1)通過現場實測分析，11302工作面回風巷底板存在零位移點及零應力點，零位移點距巷道底板表面距離約為1.32m，零應變點距巷道底板表面距離約為1.68m，零位移點及零應力點將巷道由巷道底板表面向下分為拉應變上升區、拉應變下降區及壓應變下降區。

2)分析了導致11302回風巷底鼓的影響因素，即圍巖強度、圍巖應力和支護形式對巷道底鼓的影響。

3)根據巷道實際底鼓情況，提出了底鼓控制技術：將區段煤柱增大至10m，重新設計了錨桿錨索的支護參數，并更換錨桿機錨索型號，對巷道局部區域進行注漿加固。

4)工程實踐表明，采取相應措施后巷道底鼓得到了良好的控制，有效解決了巷道的底鼓問題，具有良好的技術經濟效益。