王莊煤業15號煤層大巷底鼓治理技術

徐 鎮

（晉能控股煤業集團王莊煤業，山西長治047100）

隨著我國經濟建設的飛速發展，煤炭工業作為基礎能源發揮出了難以替代的作用。但由于淺部資源的開采進程趨于枯竭，目前我國煤炭開采正以平均15m/a的速度向深部延伸，在此過程中，很多前所未有的安全問題也在生產中頻繁出現，其中礦壓增大、巷道支護困難的現象屢屢發生[1-2]。

現有的支護技術可以對頂板下沉量和兩幫移近量進行有效地控制，但對于底板“底鼓”的防治工作卻稍顯不足。研究發現，在未進行底板支護的深部開采巷道中，出現底鼓的位移量約占巷道移近量的70%[3]。當巷道出現“底鼓”時，將會使圍巖斷面縮小，不利于新鮮風流的流通并造成井下交通和人員行走的不便，嚴重的還會造成整條巷道的報廢。因此對于礦山支護工作來講防治巷道底鼓一直是井下巷道維護的關鍵難點技術之一。研究分析底板底鼓的發生原因、影響因素及其防治措施對于礦井的安全生產有著重大的理論意義和實際應用價值。

王莊煤業為了滿足瓦斯防治及原煤運輸等條件，采用走向長壁式綜采一次采全高采煤法。目前該礦15號煤層直接底為厚度3.65m的泥巖，抗拉強度較低，泥巖中粘土礦物含量高達48%～62%，遇水會出現崩解現象，因此底板容易發生底鼓。目前已在15號煤層一采區運輸大巷、輔運大巷以及15號煤層副暗斜井等巷道內有幾處位置底鼓嚴重，巷道路面雖經過硬化，但仍有裂縫出現，導致底板不平整，對礦井運輸、通風等工作造成一定影響。因此，分析王莊煤業15號煤層巷道底鼓的產生原因并提出有效的防治措施具有重要的現實意義。

1 15號煤層特性與大巷底鼓概況

1.1 煤層概況

王莊煤業15 號煤層的頂板為砂質泥巖與石灰巖，底板為泥巖與砂質泥巖，巖性較為松軟，力學強度低，煤層平均厚度為4.2m，具體如表1所示。

1.2 15號煤層底板泥巖崩解特性

表1 王莊煤業15號煤層頂底板巖層柱狀表

在對巷道支護進行設計前，需要對巷道頂底板巖石的軟化崩解特性進行試驗分析。試驗將煤巖樣品經歷多次吸水—風干循環（浸水6h、烘烤6h，共計12h），直至出現崩解現象為之。圖1為15號煤層直接底泥巖的樣品，可以看出，在經歷6個循環后，煤樣出現破裂崩解。因此水分對煤巖的影響較大，在對巷道進行支護時需考慮水分對巷道的侵蝕。

1.3 15號煤層底板泥巖礦物組成

圖1 15號煤層煤樣崩解試驗

對巷道的支護工作，也需要對頂底板巖樣的礦物組成進行測定。本次測定工作選擇D/MAX-2400 型X-射線衍射光譜儀對礦物組成進行定性、定量的分析。測試前需將巖樣研磨成細小微粒，在放置于光譜儀上用單色光輻射。

圖2 15號煤層底板巖樣礦物成分示意圖

對王莊煤業15號煤層直接底泥巖的測試結果見圖2。測定發現，石英、高嶺石、蒙脫石和珍珠石是構成該煤層直接底泥巖的主要礦物成分。其中石英含量最高，達到55%；高嶺石、蒙脫石和珍珠石的含量分別為14%、15%和16%。值得一提的是，在底板巖樣的礦物組成中，除石英以外均為粘土礦物，即15號煤層直接底泥巖中粘土礦物含量高達45%，并且蒙脫石遇水易膨脹，進而表明15號煤層直接底力學強度較低，并且遇水易崩解。

2 15號煤層支護方式

巷道圍巖的穩定性與支護方案的設計是否合理息息相關。由于15號煤層運輸大巷圍巖較為松軟，采用錨網噴聯合支護，噴漿厚度150mm，底板硬化厚度100mm。頂、幫部的錨桿均采用?20mm×2400mm 高強度螺紋鋼筋材料制成，并用兩支樹脂藥卷錨固，間距、排距設定為800mm 均勻排列；錨索方面采用?18.9mm×6000mm 的高強度鋼絞線，有效錨固長度1.5m。錨索沿巷道中軸排列，每排布置3套錨索，每兩排頂錨桿布置一排錨索，排間距為1600mm。

3 15號煤層大巷底鼓機理

綜合王莊煤業15號煤層大巷底鼓位置處的圍巖地質力學特征（包括圍巖物理力學特性、水理崩解特性、礦物成分、地質構造等）分析可知，15 號煤層大巷底鼓的原因主要有3個方面：

（1）應力狀態：巷道底鼓的發生與所受應力狀態有極大關系，巷道埋深越深，出現底鼓的可能性也就越大。15號煤層運輸大巷最大埋深約350m，在巷道開挖后應力受采動影響將重新分布，在此期間原本積存的能量快速釋放，高水平應力將對底板巖層造成破壞，并極有可能出現大范圍的底鼓。

（2）圍巖性質：煤層直接底為一層厚度3.65m 的泥巖，抗拉強度較低，泥巖中粘土礦物含量高達45%，并且蒙脫石遇水易膨脹，進而表明15號煤層直接底力學強度較低，并且遇水易崩解。

（3）支護狀態。15 號煤層大巷頂板與兩幫采用的是錨網噴聯合支護，但是對底板沒有采區硬化措施。在采動過程中，巷道支護不足的地方率先失穩。當聚集在頂板和兩幫的應力無法充分釋放時，應力會自上而下傳導至底板，巖層內原生裂隙逐漸發育與貫通，疊加應力的影響，大量破碎巖體受力從而產生底鼓。

根據初步判斷，15 號煤層大巷底鼓的類型可以斷定為擠壓流動型，底鼓產生過程如圖3所示。在底板巖層較為軟弱破碎的巷道中，即使底板和兩幫支護條件較好，同樣會在巷道采動過程中對圍巖應力造成重新分布，產生底鼓。

圖3 15號煤層大巷底鼓原理示意圖

4 15號煤層大巷底鼓治理措施

根據對15 號煤層大巷底鼓原因的分析，決定采用“底板中部切槽+底角錨索支護”的方案對底鼓進行治理。施工方式為：采用多次爆破法對底板中部進行切槽，泄壓切槽寬0.5m、深3m；同時在底角處進行打錨索補強工作。

底板支護見圖4，參數如下：錨索形采用?18.9mm的低松弛預應力鋼絞線，長度為6500mm，每排布置2根錨索，各距巷幫500mm，排距1600mm。錨索托盤采用300mm×300mm×16mm拱形高強度可調心托板及配套鎖具。托板鋼號不低于Q235，拱高不低于60mm。保證其承載力部小于錨索的破斷載荷。

通過這兩步的操作，一方面可以使支承壓力峰值向巷道圍巖深部轉移，降低底板所受應力；另一方面卸壓切槽可以為底板變形提供了補償空間，減小巷道整體的圍巖變形量。由于巷道較易受水影響，在施工中需要及時排水、疏干巷道[4]。相比常規方案可以起到以下作用：

（1）阻止底板塑性區發展。巷道采掘過程中，巷道底板尤其是兩底角產生很大的水平應力集中。當底板巖層較為松軟時，易受二次水平應力的作用造成破壞。隨著巷道的掘進塑性區向其他部位擴展。通過在底板巖層打錨索，可以提高圍巖的抗壓強度，限制或減少塑性區的影響范圍。

（2）阻止底板巖體塑性流動。對于松軟巖層的底板，兩幫及頂板應力會向下傳遞，底板巖層因此產生向巷道內的塑性流動。通過對兩幫和底角補打錨索可以增強圍巖主動應力區的范圍，從而可以保持巖體受力平衡，減少底鼓。

5 結論

通過對王莊煤業15 號煤層大巷底鼓原因的分析，將底鼓類型確認為擠壓流動型。為滿足井下安全生產的目的，筆者決定對底板采用“中部切槽+底角錨索支護”的方式進行治理。試驗結果表明對軟巖巷道的底鼓治理起到了很好的治理工作，極大減少底鼓對礦井生產的影響。