長城煤礦回采巷道底鼓控制技術研究

張樹勇

（新礦內蒙古能源有限責任公司，內蒙古 鄂托克前旗 016200）

軟巖巷道支護是礦井生產中尤為棘手的技術難題，若巷道支護方式不合理，圍巖將產生劇烈變形破壞，影響礦井生產。當巷道底板巖性為泥巖等軟巖時，受應力擾動已出現嚴重的底鼓現象，巷道底鼓甚至可占頂底板移近量的2/3至3/4。若巷道底鼓問題無法有效解決，將會影響礦井正常生產，制約礦井生產能力。若巷道底鼓量較大導致巷道斷面過小，不僅限制井下正常運輸，還會降低通風能力，威脅礦井生產安全。因此，需研究并提出巷道底鼓變形機理及控制技術，加強對底板圍巖的控制效果，有諸多學者曾對此進行了研究[1-4]。

為解決長城礦1901N輔助運輸巷底鼓難題，本文分析了巷道底板機理，提出了底鼓控制技術，并進行工業性試驗驗證底鼓控制技術有效性。

1 工程背景

1901N運輸巷為一采區回采巷道，擔負采面生產期間的運輸、通風、行人及管路敷設等任務，巷道長度為1560 m。上覆1301N里工作面正在回采，南側1302N面正在回采，東、西兩側均未開拓。地面標高為+1215 m，井下標高為+812～ +890 m，巷道埋深平均366 m。巷道頂板巖性較好，為灰巖頂板，底板以砂質泥巖、泥質粉砂巖為主，屬軟弱巖石，遇水易膨脹。巷道頂底板賦存情況見表1。由于9#煤層頂板存在砂巖裂隙水，受工作面采動影響巷道頂板存在淋水現象，巷道底板遇水泥化膨脹，加之工作面采動應力擾動影響，巷道底板變形明顯。

表1 煤層頂底板巖性特征

1901N運輸巷采用梯形斷面，巷寬×巷高=4.6 m×3.5 m。原支護參數為：頂部選用5根規格為Φ18 mm×4000 mm錨索，間排距1000 mm×1100 mm；非回采側幫部采用4根Φ20 mm×2200 mm樹脂錨桿，間排距800 mm×1100 mm，頂板肩窩增設1根Φ18 mm×4000 mm錨索；回采側幫部采用3根Φ20 mm×2200 mm樹脂錨桿，間排距1200 mm×1100 mm。原支護情況如圖1。

圖1 1901N運輸巷原支護布置圖

原支護方案下1901N運輸巷底板圍巖變形破壞明顯，底鼓量較大，經歷多次臥底返修仍難以控制，嚴重影響礦井產能，亟需提出支護優化方案以控制底鼓現狀。

2 巷道底鼓變形機理及控制技術

2.1 巷道底鼓機理

巷道底鼓是高應力軟圍巖巷道普遍發生的變形破壞形式，某些礦井巷道底鼓量甚至可達頂底板移近量的70%，嚴重影響巷道整體穩定。底鼓的發生機理錯綜復雜、難以確定，由于理論的應用局限性，很難通過某一種理論能夠闡述清晰，需結合實際情況進行分析。根據已有研究成果，底鼓機理可分為四種：

（1）擠壓流動型

當底板巖層為巖性非常軟弱的巖石，且其強度同頂板和兩幫相比明顯較低時，底板承受的應力超出了其承受極限發生破壞，被擠壓流動到巷道內部發生底鼓，此類型屬于擠壓流動型。

（2）撓曲褶皺型

若底板巖層為層狀結構，受水平應力作用時，由于巷道內側沒有反向力作用，底板向中部發生撓曲褶皺形成底鼓。

（3）遇水膨脹型

當底板巖層具有遇水膨脹性，受礦井水的侵蝕作用后，其體積會膨脹增加，同時力學強度降低，此種情況形成的底鼓屬于遇水膨脹型。

（4）剪切錯動型

剪切錯動型底鼓發生原因主要是高應力環境。在高應力的作用下，底板巖層難以保持初始狀態出現變形破壞，形成剪切破壞帶。若不及時采取控制措施，破壞程度不斷加深，底板發生錯位移動，形成巷道底鼓。

底鼓是由多種因素作用引發的，主要包括底板巖性、巖層的應力狀態及巷道圍巖支護強度等因素。

（1）底板巖性

1901N運輸巷底板為砂質泥巖，含高嶺石、伊利石等軟弱且遇水易膨脹的巖體，在頂板淋水作用下底板巖層遇水膨脹致使底鼓發生。

（2）采動影響

在工作面開采擾動作用下，覆巖重力載荷及超前集中應力向底板傳遞，在鄰近采空面殘余支承壓力的共同作用下，1901N運輸巷底板發生嚴重的變形破壞。

（3）支護參數合理性

1901N運輸巷原支護方案基本未考慮對巷道底鼓的控制，底板未布置支護結構，因此難以避免巷道底鼓的發生。

2.2 巷道底鼓控制技術

國內礦井在底鼓治理方面已有豐富的經驗并提出了較為成熟的巷道底鼓控制技術，根據巷道的用途、服務年限、圍巖性質等條件的不同，提出了針對性的治理技術，并取得了較好治理效果。

（1）臥底+防水

該方法在回采巷道應用廣泛，由于回采巷道服務年限短，采動影響程度較高，底板變形嚴重，通常在底鼓地段通過臥底暫時解決底鼓問題，保證巷道的正常使用。在巷道內通過廢舊皮帶施工臨時排水溝，避免污水在底板聚集，將生產廢水引至巷道的排水溝中，避免底板泥巖遇水軟化現象的發生。

（2）施工底板錨桿

合理的巷道支護參數是影響巷道圍巖控制效果的關鍵要素。錨桿及錨索支護可明顯提升采動巷道圍巖的抗擾動能力，一方面可以連接軟弱底板巖層與其下部穩定巖層，形成承載整體，抑制軟弱巖層向上鼓起；另外可以將底板巖層組成組合梁結構，其整體承載能力要大于單一巖層承載能力的總和。

（3）施工反底拱

若巷道底板圍巖極為破碎，承載能力較差，且服務時間較長，臥底、注漿等方式底鼓控制效果不明顯時，可通過在底板施工反底拱，提高底板的整體抗底鼓的能力，避免因巷道的頻繁返修影響巷道的正常服務。

3 工程應用及效果分析

3.1 支護優化方案

針對1901N運輸巷底鼓情況提出支護優化方案，設計在底板臥底后布置5根Φ20 mm×2200 mm螺紋鋼錨桿，間排距1000 mm×1100 mm，同時在巷道底板施工反底拱，設計拱矢高為400 mm，厚度為300 mm，選用C30混凝土，巷道支護工作完工后再對巷道表面進行整體噴漿，噴漿厚度為80 mm，選用C20混凝土。優化后的支護參數如圖2。

圖2 底鼓變形控制支護優化方案

3.2 底鼓控制效果分析

為證明提出的支護優化方案對巷道底鼓的控制成效，在1901N運輸巷設置了試驗段進行工業性試驗。同時布置了4個圍巖變形監測測點，監測采動超前影響范圍內和影響范圍外支護優化方案的底鼓控制效果，并同原支護方案下底鼓情況進行對比。

從圖3中可以發現，采動超前影響范圍外，采取底板錨桿和反底拱加固措施后，與采取底鼓加強控制段巷道相比，巷道底鼓顯著降低，且19 d后加固段巷道底鼓量增長速度放緩，底鼓變形趨于穩定，而未采取加固控制段巷道變形量保持恒定變形速度持續增長；當巷道在采動超前影響范圍內，加固段巷道與未進行底鼓加固控制段巷道相比底鼓量較小，表明底鼓控制技術能夠有效控制巷道底鼓變形。巷道底鼓結果如圖3。

圖3 底鼓量監測結果

4 結 論

（1）為解決長城煤礦1901N運輸巷底鼓變形嚴重問題，保證巷道的正常使用，提出采取底板錨桿和反底拱控制底板變形。

（2）巷道變形觀測結果證明，底板錨桿+反底拱底鼓控制技術可有效控制底板變形鼓起，保證巷道正常使用，推動礦井安全高效生產。