采動應力影響下采區巷道底鼓演化規律及治理措施

孟 雷，張 磊

(山西焦煤集團有限責任公司 官地煤礦， 山西 太原 030022)

底鼓是煤礦巷道中經常發生的動力現象，由一系列的煤礦現場觀測資料可知，底鼓量一般能夠占到巷道頂底板總收斂量的70%以上[1]，特別是受多次采動影響下的采區集中巷道，底板的變形和失穩將顯著加劇，主要表現為底板中部拱起開裂，底板整體抬升，架棚腿子扭曲，使巷道前后需進行多次起底整巷，需投入大量人力、物力，更對安全生產造成極大影響[2].

1 概 況

官地煤礦中五區上組煤采區位于井田西北部，共有2#、3#兩層煤層，其中2#煤層已全部回采結束，3#煤層正在回采，左右兩翼布置采煤工作面，該采區集中軌道巷與集中皮帶巷均沿3#煤頂板掘送，最大埋藏深度達769 m，其頂底板情況見表1. 該采區巷道600～800 m段受左右兩翼采煤工作面先后采動影響，出現底鼓、頂板及兩幫變形等一系列礦壓顯現，特別是底鼓明顯，最大變形量超過1.0 m.

表1 3#煤層巷道頂底板特征表

2 采區巷道底鼓演化規律分析

2.1 圍巖物理力學性質

官地煤礦中五區采區巷道圍巖具有以下主要性質特點：

1) 砂質頁巖有時相變為細砂巖，普氏系數0.9～1.6，屬很軟-軟巖層，強度低，遇水易發生顯著軟化膨脹。

2) 砂質頁巖和細砂巖的彈性模量都不高，在0.09～5.53 GPa，平均為2 GPa. 受多處采動影響后容易發生變形，屬于目前官地煤礦巷道中典型的軟巖，直接造成巷道底鼓變形。

2.2 巷道底鼓變形破壞特征

采區巷道開挖后，巷道周邊圍巖受力狀態由三向應力變為二向應力甚至是單向應力，在巷道周圍由內向外依次形成破碎區、塑性區、彈性區。當采區巷道受兩翼采煤工作面多次采動應力影響下，產生超前支撐應力疊加效應，采區巷道會表現出明顯的圍巖變形現象，兩幫及頂板因及時施工錨桿索支護，改善了錨固圍巖應力環境，產生的變形量相對較少，而底板無任何支護，成為應力釋放面，從而產生較明顯的底鼓現象，且采區巷道兩幫及頂板往往采取較強的支護策略，則底板受到的應力影響越明顯[3-4].

盡管巷道底板發生明顯的底鼓顯現，但在巷道底板塑性區范圍(底板下1.0～1.5 m)內仍會形成一個極限平衡拱，見圖1，在此范圍內圍巖達到三向應力平衡，形成穩定結構，在不受外力擾動下，底鼓變形將停止。如果人工起底深度較大，破壞了該穩定受力結構，同時不采取任何圍巖修復或支護措施，該平衡拱將繼續向深部發展，繼續發生底鼓變形，周而復始。需要注意的是，當人工起底過深時，會造成巷道整體結構失衡，巷道將發生結構性大變形，給安全生產帶來安全隱患。因此在受多次動壓影響的采區巷道，底鼓治理需引起足夠重視。

圖1 巷道開挖后極限平衡拱結構圖

2.3 官地礦中五區集中巷道底鼓特征

經過近兩年現場觀測，官地礦中五區集中巷道底鼓主要具有以下特點：

1) 應力擠出型的底鼓破壞。該礦中五區集中巷道在支護設計中，并沒有對底板采取任何支護措施，造成底板發生撓曲性變形，產生劇烈底鼓，其應變表現為底板巖層拱起開裂、松散破碎，巷道中部凸起劇烈，由于巷道群對應力分布造成的影響，巷道底板表現出不對稱底鼓現象。

2) 底板巖層破裂，在進出支架等較重設備的壓力下，底板破碎，遇水易出現脹化現象，加劇了底鼓變形量。

3) 巷道受采動影響頻繁，長期處于不穩定狀態，在臨近采煤工作面拆除后，蠕變變形始終存在，后期在接續工作面回采動壓影響下表現出強烈底鼓變形。

4) 巷道群周邊底鼓更明顯，在中五區集中供液硐室及23512回風聯絡巷段，軌道巷的底鼓最大量達到1.0 m，較其余地點變形大40%.

5) 從巷道底鼓量與整個圍巖的變形量相對關系上看，底鼓量占據巷道圍巖變形的主要部分，與該礦其它采區有較大不同，分析其原因是該采區埋深較深，巷道變現表現出一定的深井變形規律。

6) 發生嚴重底鼓的巷道底板均為巖體強度與彈性模量較低，在水及外力作用下，表現出一定的膨脹性底鼓特征。

3 治理方案及礦壓觀測

3.1 錨注加固結構與承載機理

錨注支護實質上是錨固支護技術和注漿加固技術的結合，利用中空的錨桿/錨索兼做注漿管，在保證全長錨固的前提下，利用注漿材料改變圍巖的性質，提高圍巖的強度和自承能力，保持巷道的穩定，巷道底鼓量與底板支護阻力關系見圖2.

圖2 巷道底鼓量與支護阻力關系曲線圖

通過錨注作用形成的加固拱結構，其承載機理主要反映在以下幾個方面：

1) 注漿和固結改善了破碎圍巖的物理和力學狀態。漿液固化后，可充填和封堵圍巖的裂隙，隔絕空氣，減輕已破碎圍巖的風化，防止圍巖被水浸濕軟化，降低圍巖本身強度。同時，注漿后松散破碎圍巖被膠結成整體，巖體內聚力和內摩擦角得到提高，從而顯著提高破裂巖體的承載能力[5].

2) 多層組合拱結構的可靠性與承載能力顯著提高。注漿充填圍巖空隙和裂隙，固化后配合錨桿索的錨固作用，可形成多層有效的組合拱結構，且支護體內錨桿索均轉化為全長錨固，它將多層組合拱聯成一個整體，共同承載，擴大了支護結構的有效承載范圍，提高了支護結構的整體性和承載能力。

因此，錨注加固結構具有其它支護所沒有的特性，主要體現在較好的整體性、穩定的結構性、較高的承載力和較強的讓壓與抗變形能力。

3.2 注漿錨桿工作原理

上饒自進式中空注漿錨桿結構見圖3，其工作原理為：

1) 注漿錨桿桿體是用三角鋼絲螺旋式纏繞在管壁上，并焊接在管外壁，起到了螺釘外扣螺牙的作用。

2) 安裝錨桿時，當錨桿擰入巖孔，纏繞在錨桿外壁的三角鋼絲螺牙在巖孔擰緊過程中不斷增加摩擦力，錨桿越長，鉆的越深，錨固力越大。為使水泥順利滲入巖縫，管壁周圍均勻分布了許多溢漿孔。在高壓下，泥漿通過管腔從孔中溢出，滲入各個巖縫，起到黏結、密封、加固的作用，從而防止巷道變形、透水或塌方等事故的發生。

3) 管壁小孔為水泥及其他漿液由小孔進入巖層裂隙的通道，為防止漿液在高壓下返漿外溢，用止漿塞防止漿液返漿。桿體尾部裝有密封套，托盤、螺母作為桿體緊固裝置。

1—螺母；2—托盤；3—止漿塞；4—三角絲；5—桿體圖3 中空注漿錨桿結構圖

3.3 注漿泵及加固材料

針對注漿壓力低時需要大流量，而注漿壓力升高時需要小流量的工況條件，選用ZBQ氣動型注漿泵。

加固材料選用ZHM-Ⅲ固安豐注漿料，該加固材料具有無收縮、微膨脹、高流動性、不含氯化物、抗腐蝕等優點，其性能指標:1 d抗壓強度≥10 MPa，3 d抗壓強度≥40 MPa，7 d抗壓強度≥45 MPa，28 d抗壓強度>50 MPa，粒徑為30～50 μm，施工溫度為5～35 ℃，初始流動度(23 ℃)為10～17 s，30 min流動度(23 ℃)為10～20 s，耗量約為1 600 kg/m.

4 巷道底鼓控制方案

4.1 底板錨注施工方案

頂板支護：d22 mm中空注漿錨索，鋼絞線長度7 300 mm，垂直于頂板巖面布置，間排距1 800 mm×2 000 mm，注漿終壓≤3 MPa.

兩幫支護：d22 mm中空注漿錨索，鋼絞線長度4 300 mm，與兩幫巖面垂直布置，排距1 600 mm×2 000 mm，注漿終壓≤3 MPa.

底板支護：底板100 mm澆灌混凝土；d20 mm中空注漿錨桿，錨桿長度1 400 mm(加固極限平衡拱范圍)，兩幫下扎45°布置，排距1 000 mm×2 000 mm，軌道中間不布置，注漿終壓≤3 MPa. 巷道錨注支護圖見圖4.

圖4 巷道錨注支護圖

4.2 底板錨注支護技術工藝

單根注漿錨桿施工順序：按間排距鉆孔→壓風掃孔→安裝注漿錨桿及止漿塞→安裝球形閥及注漿管→開泵注漿→達到注漿參數時停止注漿→30 min后卸下球形閥→安裝托盤及螺母；但不要過分用力，只要托盤貼緊巷壁，用板手上緊螺母即可。

4.3 礦壓觀測結果及分析

在中五區集中巷道600～800 m分別布置測點3個，在左右翼采煤工作面回采期間(分別對應集中軌道巷治理前后)，對集中軌道巷道的底鼓變形量分別進行監測，結果見圖5.

圖5 巷道底鼓變形量圖

從圖5可以得出：

1) 在未進行底板治理前，隨左翼采煤工作面的推進，不同測點的底鼓量均呈現指數增長形式，最大變形量達到480 mm，占頂底板移近量的55%，此時巷道變形劇烈，必須進行拉底后方可繼續生產，且工作面推進度越大，采區巷道受采動影響越明顯，底鼓量越大。

2) 進行錨注支護后，隨右翼采煤工作面的推進，底鼓量仍呈指數形式增長，但不同測點的底鼓量均大幅降低，最大變形量為210 mm，僅為支護前的31.8%.

3) 進行錨注支護后，由于增加了圍巖整體力學性能，頂板下沉量與兩幫移近量分別減少了55%與60%.

5 結 論

1) 巷道底板發生底鼓顯現，在巷道底板塑性區范圍內會形成一個極限平衡拱，在此范圍內圍巖形成穩定結構，是控制底鼓的重點區域。

2) 錨注技術可以有效改善破碎圍巖的物理和力學狀態，具有較好的整體性、穩定的結構性、較高的承載力和較強的讓壓與抗變形能力。

3) 對采區集中巷道底板進行錨注支護后，可以有效控制巷道的底鼓變形量，對于兩翼開采布置的采區，能夠有效減少因兩側采動應力對采區巷道底板造成的破壞，大幅減少巷道維修量。