深部高應力軟巖巷道底鼓機理及防治對策

胡加振

（河南省許昌新龍礦業有限責任公司梁北煤礦，河南 許昌 461000）

隨著開采深度的增加，巷道圍巖在深部高應力狀態下往往表現為大變形、難支護的軟巖特征[1-6]。新龍礦業有限責任公司梁北煤礦目前正在生產的21采區下部埋深達930 m，地應力較大，受采動影響采區準備巷道收斂嚴重。基于此，梁北煤礦以21采區軌道下山為研究對象，研究采動影響下深井高應力大斷面軟巖底板流變與結構失穩問題，以期控制深部軟巖巷道變形，保證礦井安全生產。

1 工程概況

21 采區準備巷道初期布置未充分考慮采動的影響，受采動影響采區準備巷道收斂嚴重，成為制約礦井安全生產的瓶頸。其中，軌道下山變形最為嚴重，該巷圍巖以泥巖為主，裂隙發育，掘進中揭露二1 煤層（由頂板揭露，進入底板），巷道成型后不足4 個月開始出現底板變形。采用常規措施修復過后6～8 個月，巷道再次收斂變形，尤其是底板起鼓嚴重，影響巷道使用，需采取更有針對性的對策防治底鼓。21 采區軌道下山平面布置圖如圖1。

圖1 21 采區軌道下山平面布置圖

2 巷道底鼓機理

2.1 底鼓產生原因

21 采區下部投產至今，部分準備巷道已進行臥底維修4 次，但底鼓時有發生。根據21 采區地質現狀，結合現場底鼓破壞實際情況，分析原因如下：

1）圍巖強度低

巷道圍巖以泥巖為主，巖層裂隙發育，結構較差，整體圍巖強度低。

2）底板未加固

巷道掘進過程中，未進行底板加固，待巷道成型后，受圍巖應力影響，底板出現底鼓變形，影響安全生產，需進行大量臥底工作。臥底作業除對底板圍巖造成擾動，還使得巷道整體圍巖松動圈擴大，巷道兩幫也出現向內收縮的情況，進一步加大圍巖破壞。

2.2 底鼓機理

軟巖一般包括弱巖和泥巖，兩者巖性存在差異，底鼓機理也不同，對比見表1。21 采區軌道下山圍巖為強流變、高構造應力泥巖，經測定，該巖石側向壓應力系數值可達0.7。這種情況下，巖層豎向地應力和水平地應力值都很高。因此，巷道底板未加固時，地應力作用效果尤為明顯。

表1 不同類型軟巖對比

巷道底板巖性為泥巖時，巷道底部環向應力圈橫向應變會產生內側位移。該應力值呈現中部高、兩邊低的情況，受水平應力作用，巷道底鼓程度沿底板橫向也呈現中部最高、兩邊最小的分布。

3 巷道底鼓防治對策

梁北煤礦巷道支撐結構的整體性破壞是巷道變形破壞的最主要因素。巷道圍巖控制的關鍵是提高支護結構的整體性及承載能力。特別是深部軟巖巷道，因其埋藏深，受上覆巖層自重、采動影響與圍巖巖性弱等因素，除增強巷道支護結構整體性，還需要采用補償性技術增強其穩定性，從而實現圍巖支撐結構的長期穩定。

為保證巷道斷面滿足通風、行人及安全生產的要求，當巷道底板發生底鼓時，一般采用臥底作業進行巷道維修。底板巖性為泥巖的巷道，因圍巖具備流變性，臥底后，圍巖仍然會向底板上方產生塑性流動，即反復出現底鼓，不能有效實現巷道圍巖的長期有效控制，同時，需要投入大量的人力。因此，需要采用更加有效的技術方案進行底板治理。為充分發揮巷道支撐結構的整體性，在底板中部施工3根錨索，與錨網形成整體支撐結構。錨索施工采用梅花眼布置（圖2），材質為鋼絞線，型號為Φ17.8 mm×6500 mm，施工間距1600 mm，施工排距800 mm，錨固力≥120 kN，使用中速型樹脂錨固劑，每孔使用4 卷錨固劑，錨固長度約2200 mm。

圖2 底板錨網索聯合支護示意圖（mm）

整體支護方案采用兩個支護斷面實現結構性補償（圖3），兩個斷面間隔800 mm。軌枕中間通過加設錨桿提升支護結構的整體性，底板錨桿材質為鋼錨桿，型號為Φ20 mm×2500 mm，施工間排距為800 mm，錨固力矩≥200 N·m，使用Z2350樹脂錨固劑，每個錨桿孔使用2 卷錨固劑；錨索托盤使用鼓型托盤，材質為18#槽鋼，型號為150 mm×150 mm×10 mm。

圖3 錨網+錨索聯合支護方案（mm）

為進一步增強底板支撐結構的整體穩定性，增加鋼筋梯子梁，與底板錨索、錨桿共同組成整體圍巖支撐結構。鋼筋梯子梁加工材料使用Φ14 mm 圓鋼，具體加工尺寸如圖4。

圖4 鋼筋梯子梁加工尺寸（mm）

21 采區軌道巷底板防治方案具體施工要求如下：

1）在進行底板錨網+錨索配合支護前，先進行巷道臥底。臥底的標準為：臥底后，底板標高低于設計值400 mm。

2）底板鋼筋網鋪設，底板錨索、錨桿施工。底板錨索錨固力≥120 kN，底板錨桿錨固力矩≥200 N·m。

3）底板混凝土澆筑作業，澆筑厚度≥100 mm。

4）施工完成后，首先使用專用工具將錨索外露部分（超出設計范圍）截除，然后對底板進行回填。回填標準為：回填后，底板標高等于設計值。

5）在水溝中施工時，應分段進行。施工后，進行澆筑作業，澆筑厚度為500 mm，覆蓋錨索外露部分。

4 應用效果分析

為驗證技術方案的效果，沿巷道布置觀測站，對巷道維修后的效果進行分析。圖5 為隨著時間推移巷道底鼓量變化情況，圖6 為隨著時間推移巷道底鼓速度變化情況。

圖5 巷道底鼓量變化

圖6 巷道底鼓速度變化

由上述觀測結果可知，受巷道維修引起的圍巖松動圈的發展，巷道底鼓量在維修后的50 d 內迅速增加，且底鼓變化速度響度較大，隨著巷道圍巖整體支撐結構發揮作用，以及巷道維修擾動的減弱，巷道底鼓量與底鼓速度都逐步降低，52 d 后，巷道底鼓速度接近于0 mm/d，巷道底鼓變化趨于穩定狀態。

5 結論

1）巷道巖性與巷道底鼓的形成高度相關。泥巖等巖性強度低且具備流變性的巖層巷道，易發生巷道底鼓。合理的巷道規劃和布置，有利于底鼓防治，布置于受采動影響較大或者煤層的巷道，極易發生底鼓。

2）巷道底板中部為高應力集中區，底鼓現象最為嚴重，可通過錨索施工深入巖層，并配合錨桿、鋼筋梯子梁、鋼筋網形成整體的支撐結構，保證支護效果的整體性和穩定性，能夠有效防治巷道底鼓，取得良好的維護效果。