深部開采大斷面硐室底鼓控制技術研究

（晉能控股煤業集團晉華宮礦 山西 037016）

隨著煤炭開采以及巷道掘進深度增加，采掘作業所在區域地質構造更趨復雜，軟巖、高地應力、構造應力以及地質構造等綜合影響導致煤炭回采及巷道掘進等工作開展更趨困難。常規的巷道圍巖支護措施已難以滿足深部開采圍巖控制需要。山西某礦現階段開采深度為680m，井下布置的6采區變電所出現一定程度底鼓，給變電所正常使用帶來嚴重威脅。文中就對采區變電所底鼓控制技術展開探討，以期為其他礦井深部開采大斷面硐室底鼓控制提供借鑒參考。

1.工程概況

山西某礦6采區變電所位于開采的8#煤層頂板上方20m巖層中，圍巖巖性以粉砂質泥巖以及泥巖為主，受到區域地質構造影響圍巖裂隙及層理發育，遇水容易風化且膠結能力差。6采區變電所為臨近的6采區、8采區供電，設計寬、高分別為5.8m、5.4m，凈斷面積達到31.32m2。變電所圍巖采用常規的錨網索支護方式，底板未采取任何加固措施。

在變電所掘進完成7d后，開始出現底鼓，后經過拉底、整平、砌筑底板等方式對底鼓進行處理。但是變電所底板修整完成20d后仍有較為明顯的底鼓，局部位置混凝土底板開裂，巷幫錨桿出現破斷、失效等問題。為此，需要針對變電所圍巖巖性特征以及地應力分布特點采取針對性的底鼓防治技術。

2.變電所底鼓原因分析

巷道底鼓受到地質條件、圍巖巖性、巷道斷面、圍巖支護參數及支護方式等多因素影響。結合6采區變電所圍巖巖性、地應力分布以及圍巖支護方式，歸結起來底鼓發生主要原因主要為：

(1)變電所底板巖層軟弱

變電所頂板為泥巖，現場測試泥巖抗壓強度為29MPa，自身承載能力較低。在變電所掘進時發現變電所底板泥巖裂隙發育，承載能力及強度較低。底板泥巖難以承受圍巖應力作用，從而導致底板出現一定程度的碎脹變形。

(2)圍巖應力

6采區變電所所處位置埋深在680m，現場測試發現圍巖最大、最小水平應力σa、σm分別18.35MPa、9.56MPa，垂向應力σh=15.94MPa，圍巖應力中構造應力占主導地位。在采區變電所附近掘進的回采巷道等均會在一定程度上影響采區變電所圍巖穩定性，加劇圍巖應力集中程度，導致出現一定的底鼓。

(3)變電所斷面大

在圍巖應力以及圍巖強度一定的情況下，巷道斷面越大、圍巖穩定性越差，從而更容易導致圍巖支護結構失穩。大斷面巷道容易引起底板出現底鼓變形。

(4)底板未進行支護

采區變電所在掘進初期未采取任何底板支護措施是導致底鼓發生的最為主要原因。變電所圍巖支護時僅強化對頂板、巷幫支護，整個圍巖結構中底板是最為薄弱的環節，從而成為高應力釋放的自由面，導致底板出現底鼓破壞。

3.底鼓防治技術措施

對變電所底板進行加固是防治底鼓最為有效的技術措施，通過分析底鼓發生原因并結合現階段圍巖底鼓變形原因，提出采用注漿加固、全長注漿錨索聯合控制技術增加底板巖層強度及承載力，控制底鼓量。

(1)底板預注漿

為了給錨索施工創造良好條件，變電所底板預注漿鉆孔按照2000mm間距、1800mm排距布置，注漿深度為6000mm，并垂直底板施工，具體注漿孔布置見圖1。

圖1 預注漿示意圖

注漿時預埋長度800mm注漿管，在注漿孔內下放長度5000mm射漿管，孔口管與射漿管聯通，并采用水泥、棉紗等固定孔口管。注漿漿液選擇水泥單液漿，并在漿液添加水泥用量10%的添加劑（ACZ-Ⅱ），從而達到增加水泥漿流動性及減少效果。水泥漿按照0.6:1～1:1配合比配置，注漿壓力控制在2～3MPa，并根據現場情況對注漿壓力進行調整。

(2)全長注漿錨索施工

在底板預注漿基礎上通過采用全長注漿錨索進一步增加底板巖層強度及承載力。采用的全長注漿錨索型號為SKP22/1-1860，具體錨索結構見圖2。

圖2 全長注漿錨索結構圖

采用的全長注漿錨索結構包括有索體、止漿塞、柔性注漿管以及錨具等構成，索體結構包括有索尾緊固段、中間段以及端頭實心段。通過端頭實心段對錨固劑進行攪拌，便于錨固；錨索注漿主要通過中部中空高壓軟管實現，在錨索中部及端頭實心段均有出漿口便于注漿；索尾緊固段為中空的剛性注漿管。具體全長注漿錨索技術參數見表2。

表1 全長注漿錨索技術參數

由于全長注漿錨索施工期間孔底有水，因此采取先注漿后張緊。待注入的水泥漿固化后給錨索提供的張緊力在140kN以上，支護時選用的托盤規格為300mm×300mm×16mm的拱形托盤。注漿錨索按照1200mm×1800mm間排距布置，每排布置4根，錨索注漿壓力控制在2.0～3.0MPa。

全長注漿錨索施工工藝。在采區變電所內按照預先設定位置布置鉆機，按照設計要求施工孔深6800mm的錨桿鉆孔，鉆孔施工完畢后插入注漿錨索、安裝止漿塞對鉆孔進行注漿。注漿凝固7d后待水泥漿強度達到要求在注漿錨索上安裝托盤、墊盤以及張拉工具后進行張力，從而給底板提供足夠的張緊力。張拉完成后在底板上澆筑一層厚度30cm的C20混凝土，對變電所底板進行硬化處理。

4.底板防治效果分析

為了掌握變電所底鼓防治效果，在變電所內間隔10m布置2個測點，對底鼓發生量進行監測，具體監測結果見圖3。

圖3

從圖3看出，在底板預注漿階段底鼓量增加速度較快，隨著全長注漿錨索施工以及注漿完畢后，底鼓增加速度顯著降低。底板加固完成后底板巖層變形量趨于穩定，最終底鼓加固完成30d后底板底鼓量最大為17mm。表明文中所提底鼓防治措施可有效確保底鼓變形。

5.總結

（1）對導致礦井6采區變電所底鼓量過大原因進行分析，主要底板為承載能力較差的泥巖且未采取加固措施，在構造應力、地應力以及硐室掘進綜合作用下底板巖層難以承受較大應力作用從而導致底鼓發生。底鼓發生主要原因是變電所跨度大、底板承載能力不強以及未采取底板加固措施。

（2）根據底鼓發生原因，提出采用超前預注漿以及全段注漿錨索對底板進行加固，并具體對注漿以及注漿錨索布置方案進行設計。通過注漿后可提高底板巖層承載能力及穩定性，從而最大幅度降低底鼓量。

（3）現場應用后采區變電所底板底鼓量得以有效控制，監測期間底板最大底鼓量控制在17mm以內。通過對底板采取加固措施，為采區變電所正常運行提供了切實保障。文中所提深部大斷面硐室底鼓控制技術可為其他礦井類型情況下的底鼓防治指導。