深井軟巖巷道底鼓原因及防治技術

王福潔

(霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200)

0 引言

隨著我國煤炭資源大規模、超強度開采，采掘活動進一步向深部開展，進入深部后煤炭采掘工作受三高一擾動影響更為明顯，其中深部軟巖巷道支護工程更是需要直接明對，無法完全攻克的技術難題。據有關統計資料我國每年巷道掘進量約7 000 km，而深部巷道掘進占總掘進量40%以上，其中需要進行返修的巷道又達到70%以上[1]，換言之，每年因底鼓問題需要重新進行返修的掘進工程量甚至超過了新掘進巷道工程量，同時，軟巖巷道的底鼓問題不僅阻礙了運輸，還使通風阻力大大增加，而給礦井生產帶來不利影響，成為嚴重制約礦井安全與高效生產的不利因素。

對此，國內外學者、專家等開展了大量、關于底鼓機理及防治措施的研究工作。對于底鼓問題的治理首先要對其機理進行分析研究，姜耀東[2]在大量調研、試驗基礎上將深井底鼓問題按形成機理歸結分為4大類，分別為流動性底鼓、撓曲性底鼓、錯動性底鼓及膨脹性底鼓。在此基礎上康紅普院士[3]等通過理論計算及大量工程實踐提出底鼓發生主要是由于底板受褶皺撓曲、巷道受應力不均布傳播及底板巖層遇水泥化膨脹造成的。同時還用大量學者及工程技術人員通過應用計算力學的方法系統分析了巷道底板底鼓發生機理、極限強度、極限變形等力學參量，從理論上對深井軟巖巷道底鼓發生機理進行了闡釋[4-5]。隨著對底鼓發生機理的深入研究工作開展，其防控技術的研究也在逐步得以發展。何滿潮[6]以深部軟巖破壞機理為基礎，提出運用恒阻大變形錨桿索對頂、底、幫進行“三控”支護。Sun[7]等則提出了運用泄壓槽的方法釋放底板應力，已達到控制底板變形的目的。謝廣祥[8-10]等則提出運用預應力錨桿、索與混凝土反拱結構來對底鼓問題進行治理，在控制底鼓問題方面取得良好應用效果。蒲會山[11]在分析綜放工作面進風順槽底鼓的機理的基礎上，提出了利用底角注漿錨桿+底板錨索控制底鼓的治理方案，并在實踐中取得了良好效果。程少北等[12]針對底鼓變形迅速問題，通過礦物分析及力學測試，確定了底鼓的發生機理，并提出了使用底角預應力錨索配合噴漿并與底板潛孔注漿、混凝土噴漿加固聯用來進行治理，控制效果較好。謝騰飛[13]基于深部高地應力巷道底鼓機理分析，建立了“底板-兩幫-頂板”力學模型，提出了“三位一體耦合支護”支護技術，在工程實踐中效果良好。但是由于我國煤炭賦存范圍廣泛，不同礦井生產地質條件各不相同，針對礦井實際提出有針對性的底鼓防治措施對保證礦井安全生產具有重要意義。呂臨能化有限公司南延輔助運輸大巷在生產過程中出現了不同程度底鼓問題，嚴重制約了安全高效生產。在此背景下，采用理論分析方法對其底鼓發生機理進行分析，并根據分析結果提出合理防控技術，以期保證礦井正常生產工作，并能夠為相似條件礦井提供技術參考。

1 工程概況及底鼓原因分析

1.1 工程概況

呂臨能化有限公司南延輔助運輸大巷位于礦井中部，井下標高+620～+745 m。開口位置位于9-3011運輸聯巷，按180°方位角沿6°下山找9號煤，沿底板掘進，掘進3 529 m后停掘。9號煤層頂板多數為泥巖、砂質泥巖，厚度約3 m。底板多為泥巖、砂質泥巖，其中粘土質含量高，質軟且穩定性差，遇水可能膨脹而導致底鼓現象的發生，影響巷道運輸。厚度1～8 m，一般為3 m，變化較大。9號煤層賦存穩定，結構復雜，含0～3層夾矸，煤厚約11.8 m，煤層傾角平均17°。巷道絕對涌出量為0.89 m3/min，相對涌出量為0.18 m3/t。南延輔助運輸大巷采用“錨網梁+錨索+噴漿”聯合支護的方式，頂部采用φ21.8 mm×6 300 mm，幫部采用φ21.8 mm×4 300 mm的19股高強度低松弛鋼絞線，頂、幫均采用φ22 mm×2 400 mm的左旋高強錨桿與錨索交替布置支護，錨桿的排距為1.6 m，錨索的排距1.6 m，錨索與錨桿之間的排距為0.8 m。巷道底板未支護。

1.2 底鼓原因分析

底鼓情形：現場調查發現南延輔助運輸大巷底板整體向上隆起，而頂、幫變形量相對較小。進而針對底板巖層進行了詳細礦物分析，并在此取點進行了地應力測試，如圖1所示。

圖1 巷道底板變形示意

底鼓原因：通過化驗、測量，認為該巷道發生底鼓的主要原因集中在以下3個方面。①底板中黏土礦物有強膨脹性，遇水膨脹顯現劇烈。該巷道在掘進過程用水量較大，頂板存在一定淋水現象，而底板礦物中含有大量蒙脫石，遇水后發生強烈膨脹，破壞了巖層完整結構，使巖石強度大大降低;②該巷道深度已達-750 m，處于巖層高應力狀態，受應力影響巷道發生較大變形。通過應力接觸法測得該巷道最大主應力為水平主應力，數值在25.5～28.1 MPa之間，測壓系數為1.41～1.56；③巷道底板未進行有效支護。經過地應力測試，巷道圍巖處于高應力狀態，且頂底板巖性以軟巖為主，頂、幫支護形式均為錨桿索聯合支護，而底板無有效支護措施，使得底板受多種因素影響發生大變形。

2 巷道底鼓防治技術研究

2.1 切割槽卸壓技術

南延輸送機大巷底鼓的發生原因極其復雜，對其進行治理應著重加強對底板巖層進行卸壓、加固處理，擬緩解其高應力情況、控制大變形問題。針對底板高應力問題，在中央設計切割槽，槽寬500 mm，深2 m，底板形成一個“弱結構”，而這個弱結構能夠使底板應力得到釋放，大量吸收底板變形，改變底板應力狀態，切割槽卸壓力學解析如圖2所示[14]。

圖2 巷道底板中間開挖卸壓槽力學解析[11]

2.2 聯合支護加固技術

支護原理：利用切割槽對底板高應力進行釋放后，經過一定時期調整，使巷道底板應力恢復到一個相對能夠控制程度，采用底角錨桿+底板注漿+底板錨索耦合支護進行加固處理，使底板結構恢復完整，同時在錨桿索作用下與頂、幫形成一個相對完整的“強結構”，此時巷道應力經過重新分布逐漸趨于平穩，此時形成相對較強的支護體系，能夠使巷道得到有效維護，保證生產安全、高效[15-18]。

支護方案：①底角采用φ22 mm×2 400 mm的左旋高強錨桿，錨桿間距設置為800 mm，與底板平面呈45°，在幫、底交界位置進行錨固。巷道底角是整個工程系統中應力集中程度最高的位置，通過在左右底角高密度錨桿的施工，很好的將應力轉移到底角錨桿上。同時，底角錨桿與頂、幫錨桿、索形成一個完整支護系統，限制了上方承載拱的水平位移，承載體的穩定性進一步得到加強，隨著相鄰圍巖位移得到控制，底鼓現象大大減弱，具體技術分析如圖3所示；②沿底板中央對稱布置2個注漿孔，排距為1 200 mm，長3.0 m，漿液采用樹脂-水玻璃，注漿時間以達到額定壓力后穩定10 min為宜。底部巖層受大變形影響，發生撓曲、破碎，通過使用注漿加固，能夠使破碎巖層形成一個完整體，有效控制了底板大變形情況；③底板錨索規格為φ21.8 mm×4 300 mm 19股高強度低松弛鋼絞線，沿巷道底板中部等距布置2根，排距1 600 mm×1 600 mm。錨索使巖層移動得到了有效限制，且其圍巖狀態也得到大大改善，還將高應力向深部轉移。

圖3 技術分析

3 結論

(1)南延輔助運輸大巷底鼓的影響因素主要是底板巖層中膨脹性礦物較多，遇水會發生強烈膨脹，同時巷道埋藏深度較大，底板處于高應力環境，并且原支護系統為對底板進行設計，使得底鼓發生程度強烈。

(2)通過影響因素分析，確定了該巷道治理底鼓使需先進行切割槽卸壓，在應力得到有效釋放后聯合運用錨桿、索與注漿技術對底板進行加固，使得巷道底鼓得到有效控制，經濟效益顯著。