深部開采大斷面巷道底鼓變形控制技術研究

溫 超

（山西汾西礦業孝義煤礦管理分公司，山西 孝義 032300）

引言

隨著礦井采掘深度增加，井下掘進巷道圍巖變形控制難度不斷提升，特別是巷道掘進斷面大時圍巖控制更為困難[1-3]。山西某礦15062 巷道設計斷面大、埋深超過680 m，巷道出現較為嚴重的底鼓問題，給巷道正常使用帶來嚴重影響。為此，文中以15062 巷底鼓防治為工程研究背景，對底鼓產生原因進行分析，并針對性提出底鼓防治措施，現場取得較為顯著的應用成果。

1 15062 巷工程概況

山西某礦15062 巷為采面回風巷，巷道沿著5號煤層底板掘進，巷道埋深平均680 m。5 號煤煤層結構較為簡單，厚度平均3.6 m，硬度0.8～1.5，中部夾雜有1～4 層泥巖矸石（單層厚度在0.35 m 左右）。1506 巷設計掘進長度為1 950 m，沿著5 號煤層底板掘進，煤層頂底板巖性以砂質泥巖、鋁質泥巖以及細粒砂巖為主，具體巖性參數見表1 所示。

表1 頂底板巖性參數

15062 巷設計斷面為矩形（凈寬×凈高=5.6 m×3.6 m），為煤層巷道。巷道東側為已經回采完畢的1503 采面采空區，留設護巷煤柱寬度為10 m。15062巷采用錨桿（索）+金屬網+鋼帶聯合支護方式，在巷道掘進時圍巖基本穩定，但是隨著15062 工作面回采巷道出現嚴重的底鼓問題。監測發現在采面回采期間15062 巷最大底鼓量達到873 mm，給巷道正常使用帶來嚴重影響。

2 15062 巷底鼓特征以及底鼓原因分析

2.1 底鼓特征

15062 巷在1506 工作面回采期間出現嚴重的底鼓、巷幫收斂問題。為了掌握底鼓特征，在15062 巷內布置窺視鉆孔對圍巖變形特征進行分析，具體在超前1506 工作面70 m 范圍內布置3 個窺視鉆孔（鉆孔間距均為10 m、孔深3 m）。在窺視鉆孔與采面相距50 m 時開始記錄巷道底板巖層位移情況，具體結果見圖1 所示。

圖1 底板巖層位移量監測曲線

從上圖看出[4-5]：

1）在距離巷道底板一定位置存在有位移零點（N0），在位移零點與巷道底板間巖層呈現上升狀態，在位移零點以下位置巖層呈下沉狀態，具體位移零點距巷道底板1.35 m。在巷道底板表面底鼓量最大達到873 mm，巖層下沉區域內最大下沉量可達到142 mm。

2）在位移零點以上區域隨著與底板距離的增加，巖層上升位移量程下降趨勢；在位移零點（N0）以下區域隨著距離的增加，巖層下沉量呈先增加后降低的趨勢。

3）巷道底板位移零點將巷道底板巖層劃分為壓應力區以及壓應力區，具體零點位置為分界位置。

2.2 底鼓影響因素分析

2.2.1 巷道圍巖強度

15062 巷道圍巖為較為軟弱的巖層，在受到采面采動動壓影響下，圍巖在剪切以及拉伸應力作用下容易出現破壞，從而惡化圍巖受力環境，進一步降低圍巖承載力[6]。

2.2.2 圍巖應力

15062 巷埋深平均680 m，巷道圍巖不僅承受大的地應力作用，而且受到鄰近采空區側向應力影響。在圍巖水平應力集中作用下15602 巷圍巖變形主要集中在巷道頂底板位置；由于巷道底板未有支護措施，同時底板巖層本身強度較低，底板巖層對水平應力較為敏感。

2.2.3 圍巖原有支護形式

15062 巷頂板、巷幫均采用錨桿（索）+金屬網+鋼帶支護形式，錨桿（索）均垂直頂板、巷幫施工。由于采用的錨桿長度較短，使得圍巖自身支護強度較低；同時底板巖層承載能力不足，容易形成自由面，在水平應力作用下即會出現變形，從而向巷道空間內擠壓，出現嚴重底鼓問題[7]。

3 底鼓變形控制技術

3.1 巷道支護參數優化

合理布置巷道支護參數可有效控制圍巖變形。針對現階段15062 巷錨桿長度較短，支護強度不足以及未對底板進行支護問題，提出通過增加錨桿長度、優化布置形式等方式對巷道支護參數進行優化。具體優化后的圍巖支護設計見圖2 所示。

圖2 優化后的圍巖支護設計（單位：mm）

將巷道巷幫采用的玻璃鋼錨桿由規格Φ18 mm×2 200 mm 改為Φ22 mm×2 800 mm；頂板螺紋鋼錨桿由規格Φ18 mm×2 400 mm 改為Φ22 mm×3 100 mm。巷幫以及頂板錨桿均采用全錨方式，從而有效限制巷道圍巖變形，將圍巖應力向深部轉移；將巷道支護采用的規格Φ18 mm×6 300 mm 鋼絞線錨索改為Φ22 mm×7 500 mm。巷道頂板、巷幫邊緣錨桿由垂直頂板、巷幫布置改為與頂板、巷幫呈30°、45°角，從而增加幫角巖層強度。

3.2 底板巖層注漿加固

在實際生產過程中當遇到巷道底鼓段較為嚴重時可先對底鼓段進行拉低、硬化處理，后采用局部注漿方式來控制底鼓變形。注漿選用的漿液為水泥單液漿，在漿液添加一定量添加劑，從而提高注漿漿液性能以及可注性。將注漿漿液水灰比設計為2:1，注漿壓力設計為4～8 MPa，注漿孔孔深均為3.0 m，均垂直底板施工。注漿時漿液順著底板巖層裂隙擴展，從而達到提高底板巖層強度以及穩定性目的，從而有效限制底鼓變形。

3.3 現場應用效果分析

在15062 巷中對圍巖支護參數進行優化并對底鼓量嚴重段進行注漿加固后，巷道底鼓量得以有效控制。在受到1506 工作面回采影響時巷道底鼓量最大降低至256 mm，不會給巷道的正常使用以及通風造成明顯影響，底鼓防治取得較為顯著的應用成果。

4 結論

1）對引起16052 巷底鼓量較大的原因進行分析，歸結起來主要為巷道圍巖本身承載能力以及抗變形能力差、巷道埋深深、原有巷道支護參數設計不合理以及采動動壓影響等。提出以強度圍巖支護強度以及底板巖層承載能力為核心的底鼓防治技術，并針對巷道圍巖變形特點對巷道支護參數、底板注漿加固參數等進行設計。

2）通過強化巷道支護強度以及底板巖層承載能力，不僅改善了巷道底板受力環境，而且提高了底板巖層抗變形能力。現場應用后，巷道底鼓量控制在256 mm 以內，較底鼓措施應用前降低了617 mm，取得較為顯著的底鼓防治效果。