賀西礦軟巖巷道底鼓機理及控制技術研究

曹三平

（呂梁市應急管理局，山西 呂梁 033000）

0 引言

隨著，煤炭資源開采逐步向著深部礦井進行轉移。開采的深度接近甚至超過千米，隨著開采深度不斷深入，使得礦井巷道的圍巖應力狀態變得十分復雜，受到工程擾動及開采深度的影響，礦山的壓力顯現情況更加明顯，此時巷道巖體出現明顯的軟巖特性，圍巖蠕變現象加強，使得巷道的支護變得十分困難。不僅造成巷道支護及維護的成本大幅度增加，同時耗費大量人力物力，但支護效果有時并不能達到預期效果，巷道支護失效失穩現象屢見不鮮[1-2]。底鼓問題是影響巷道圍巖穩定性的重要難題，對巷道進行支護控制研究十分重要[3]。以賀西礦3316（以下簡稱3316）綜采工作面為工程背景，由于其處于高應力位置，巷道圍巖變形明顯，同時底鼓劇烈，所以本文以綜合數值模擬、工程實踐等方法對深部高應力軟巖巷道底鼓支護進行研究，為礦井安全高效開采作出一定參考。

1 礦井概況

賀西煤礦位于河東煤田中部，柳林縣城東南12 km,井田面積18.9 km2，礦井核定生產能力300 萬t/a，目前開采山西組3 號、4 號煤層，3316 綜采工作面主要開采三采區3 號煤層，綜采工作面運輸順槽長度935 m，運輸順槽口至回風大巷南側長度為45 m，停采線為40 m，可回采長度850 m，工作面傾向長度145 m，埋藏深度231.4 m，2 號煤層結構較簡單，煤層厚度2.80～3.38 m，平均為3 m，煤層結構簡單，含0～2 層夾矸。頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖或砂質泥巖，底板多為泥巖，局部為粉砂巖，煤層傾角3°～8°，平均為5°。

3316 綜采工作面巷道斷面為半圓拱，斷面凈高為4 850 mm，凈寬6 000 mm，斷面凈面積為25.24 m2，原支護采用“錨網索噴+錨索+壁后注漿”聯合支護方式。錨桿采用KMG22-600 型尺寸Φ22 mm×3 000 mm的高強樹脂錨桿，間排距700 mm×700 mm，每支錨桿配MSCK2850、MSK2850 型樹脂藥卷各一卷，每排19根。錨桿托盤采用尺寸為Φ150 mm×10 mm 的碟形托盤，金屬網采用鋼筋網，網格尺寸為80 mm×80 mm。錨索采用尺寸為Φ21.6 mm×8 000 mm 的絲鋼鉸線，間排距為1 400 mm×1 400 mm，每支錨索分別配備MSCK2850、MSK2850 型樹脂藥卷一卷，每排9 根，錨索托盤采用Φ300 mm×14 mm 碟形托盤。同時采用全斷面注漿，設置深孔和淺孔注漿，注漿孔的間排距1 500 mm×1 500 mm，每排10 根，設置淺孔1.5 m，深孔長度2.5 m。

在原有支護方案下通過對巷道底鼓的動態監測分析可以看出，巷道底鼓變形較為嚴重，支護體系嚴重失穩，在原有補強方案中，主要針對頂板及兩幫進行補強支護，對底板的治理主要為打設幫、底腳錨桿，治理效果不明顯。因此對底板進行有效的治理，避免巷道反復出現劇烈底鼓對于巷道穩定十分必要。

2 巷道底板控制研究

針對巷道底鼓問題提出底板卸壓方案，底板卸壓法是一種常見的降低集中程度的方法，本質是改變巷道底板巖層結構，從而打破巷道內部巖體整體連續狀態，將原有應力形式進行改變，轉移應力峰值，形成底板卸壓帶，使得底板處于低應力范圍，達到控制底鼓的目的。目前底板卸壓主要方法有切槽卸壓和爆破卸壓兩種，對兩種方案進行對比擇優，方案一為在巷道底板中心布置卸壓槽，切槽寬度為500 mm，切槽深度設定為1 500 mm；方案二在巷道底板進行爆破鉆孔布置，鉆孔深度為13 m，鉆孔直徑為75 mm，間排距為5.6 m×6 m，裝藥長度和直徑分別為1.2 m 和35 mm，裝藥量為1.2 kg。對兩種方案進行必選，選定FLAC3D數值模擬軟件進行研究，根據巷道實際地質條件，進行模型的建立，對模型進行網格劃分，網格劃分遵循巷道邊緣細，模型邊界粗的原則，對模型進行邊界條件設定，完成上述操作后，對模型進行計算，兩種方案下巷道垂直位移如圖1 所示。

圖1 巷道垂直位移云圖

如圖1、圖2 所示可以看出，采用切槽和爆破卸壓兩種方式均能夠有效減少巷道的底鼓問題，對比兩種卸壓方案下巷道底板中心位移量，發現爆破卸壓后底鼓量最大值為0.28 m，而切槽卸壓的底鼓量最大值為0.56 m，爆破卸壓比切槽卸壓最大底鼓量降低了100%。同時切槽后，此時底板由于應力作用向著切槽位置不斷擠壓，極有可能導致切槽位置不均質巖性巖層出現不均勻變形量，從而導致切槽閉合后底板出現高度不一致現象，嚴重時會影響兩幫圍巖穩定。所以綜合考慮后選定爆破方式對底板進行卸壓。

圖2 底板注漿及錨索布置示意圖（單位：mm）

圖2 垂直位移量

經過分析后，決定在巷道600～650 m 位置采用底板注漿+錨網索聯合支護方案，在巷道650～700 m 位置采用底板爆破卸壓方案。

1）方案一。對底板進行注漿+錨網索支護。在巷道的底板布設注漿孔注漿，并通過錨索孔安裝底板錨索，在通過注漿提高底板抗變形能力的基礎上，聯結底板破碎巖層，避免塌孔。同時錨索能夠加固底板，從而提高巷道底板穩定性。具體施工順序如下：噴止漿層→注漿（淺孔）→打設錨索→安裝錨網索→注漿(深孔)→進行回填。

2）方案二。底板爆破切底。在巷道幫腳打設爆破孔，通過三級乳化炸藥進行深孔爆破。具體施工順序如下：打眼→裝藥→爆破。

通過對施工效果進行分析，確定施工方案的可行性。

對底板澆筑錨索布置進行施工，由于軟巖巷道底鼓較為嚴重，巖層存在破碎情況，所以為了防止淺孔注漿時漿液漏漿，在施工前，噴射砼地，對底板進行封閉。進行淺孔注漿，保證巖層完整性，避免打設深孔錨索時出現塌孔現象。選用淺孔注漿的主要注漿材料為425 號普通硅酸鹽水泥混合高效凝固劑。注漿孔間距設定為2 000 mm×2 000 mm，注漿孔深度為3 000 mm。同時在底板施工Φ75 mm 的大孔徑鉆孔，沿著底板進行垂直布設。錨索長度為8 m，間排距1 200 mm×1 200 mm，錨索預緊力為100 kN。底板注漿及錨索布置示意圖如2 所示。爆破卸壓在底板布置底板炮孔，炮孔長度約為13 m。采用三級乳化炸藥，采用毫秒延期電雷管，藥卷規格為Φ35 mm×200 mm，每孔6 卷，間排距設定為5.6 m×6 m，巷道試驗爆破長度50 m，爆破孔共施工8 排，每排2 孔。

對巷道試驗段的底板巖層活動規律進行監測，在巷道內部布置7 個監測巷道，分別監測未處理段底板、注漿錨索加固段底板及爆破試驗段底板，分別在巷道底板處間隔一定距離設置位移監測站。在巷道600～700 m 處的試驗巷道監測施工完成后，對巷道試驗段進行為期兩個多月的監測，巷道底板垂直位移變形曲線如圖3 所示。

圖3 巷道底板垂直位移變形曲線

從圖3 可以看出，隨著監測天數的不斷增加，巷道底板垂直位移變化曲線均呈現逐步增大的趨勢，但在未進行處理段的監測點巷道底板垂直位移量增加的趨勢明顯大于爆破卸壓及切槽卸壓段，爆破卸壓與切槽卸壓段的底板變形量均處于可控狀態，巷道底板垂直變形量最大值在42 mm 左右，所以兩種方案均能使巷道底鼓量得到有效控制，兩種方案均可行。

3 結論

1）對原有支護方案下巷道底板變形量進行分析，發現原有支護方案下巷道底鼓變形較為嚴重，支護體系嚴重失穩。

2）對切槽卸壓和爆破卸壓效果進行分析，通過模擬得出爆破卸壓較切槽卸壓的底鼓量控制效果更好，所以確定爆破卸壓方案。

3）在巷道600～650 m 位置采用底板注漿+錨網索聯合支護方案，在巷道650～700 m 位置采用底板爆破卸壓方案，經過監測發現兩種方案均能滿足巷道底板控制要求。