深部軟巖巷道底鼓機理與治理技術研究

袁長才

（寧夏寶豐集團紅四煤業有限公司）

軟巖巷道支護是困擾當前煤礦開采的一大難題。由于軟巖自身強度低、遇水軟化膨脹、易破壞等特點，在高應力作用下，巷道底板易出現底鼓，導致維修費用巨大［1-4］。目前，我國眾多學者對軟巖底鼓發生機理與防治進行了大量研究。張官禹等［5］分析了底板巖層結構、應力狀態及支護強度等因素對底鼓的影響，并提出錨梁+錨桿+網噴+澆筑混凝土的聯合支護技術治理底鼓；張杰等［6］通過載荷及水理作用分析了底鼓發生機理，并提出開挖卸壓槽的措施治理底鼓。雖然對底鼓的研究較多，但由于軟巖受底板水影響及錨固支護的作用有限，對底鼓的控制難度較大。本研究通過分析某礦8110 運輸巷底板變形規律機理，提出底板超挖錨桿加固回填的支護方案控制底鼓，以基本提高巷道底板的穩定性。

1 工程地質概況

1.1 工作面概況

8110 工作面位于某礦八采區北翼東部，北側為設計8112 工作面，東側為8008 工作面采空區，西側為八采區3 條大巷，南側為實體煤。工作面主采8#煤層，平均煤層厚度3.5 m，平均傾角2.5°。工作面運輸巷沿5#煤頂板掘進，頂板由泥巖、中砂巖及中粒砂巖等組成，底板由泥巖、砂質泥巖及粉砂巖等組成。巷道掘進后受頂板砂巖水影響，底板遇水軟化膨脹，巷道底板變形速率及變形量大，造成巷道反復返修，影響工作面回采速率。

1.2 底鼓特征

8110 工作面運輸巷未受采動影響前，底板變形量較小；隨著工作面的回采，采動對巷道穩定性的影響逐漸變大，巷道底板變形量增加。通過沿著巷道走向方向布置2個監測測站，監測30 d內巷道底板變形量，監測結果如圖1所示。

由圖1 可知，隨著監測測站與工作面的距離減小，8110 運輸巷底鼓量呈現逐漸增加的趨勢，在監測30 d 內巷道最大底鼓量為300 mm。當測站距工作面80 m 處，巷道底鼓量較小，變形速率較慢；距工作面35～80 m 處，巷道底鼓量逐漸增加，變形速率有所增快；距工作面10～35 m 處，巷道底鼓量增加較快，變形速率明顯加快，此時巷道底板處于劇烈變形階段。8110 運輸巷底鼓對巷道運輸、行人等影響較大，需要對巷道進行反復返修，嚴重制約工作面的回采速率。

2 底板變形規律數值模擬

2.1 模擬方案

采用數值模擬8110 運輸巷底板塑性區分布情況，研究底板變形破壞規律。建立長×寬×高=538 m×54 m×100 m 的力學模型，X、Y、Z方向分別施加5.6，6.37，9.16 MPa 應力，XY平面施加2.01 MPa 剪應力，力學參數如表1所示。

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2.2 模擬結果分析

工作面超前不同距離時，8110 運輸巷底板塑性區分布情況和底板破壞情況如圖2所示。

由圖2可知，8110運輸巷底板塑性破壞范圍與距工作面距離呈負相關，塑性破壞主要集中在底板及兩幫底部。當工作面超前5 m 時，巷道受采動影響劇烈，底板塑性區范圍最大，底板塑性破壞嚴重，最大破壞深度為2.25 m；當工作面超前10～20 m 時，底板塑性區范圍逐漸減小，最大破壞深度為2 m；當工作面超前25 m 后，巷道受采動影響程度明顯減小，底板塑性區范圍逐漸區域穩定，穩定后最大破壞深度為1.75 m。

3 底鼓影響因素分析

3.1 底板巖性和結構狀態

巷道的底板巖性和結構狀態決定著底鼓的大小及形態。當底板巖層堅硬、強度高時，較為穩定，一般不發生底鼓；當底板巖層較軟、強度低時，穩定性較差，易形成應力集中區，造成失穩而出現底鼓。

8110 運輸巷底板由泥巖、砂質泥巖及粉砂巖等軟巖組成，巖層強度低，遇水易崩解軟化，底板及兩幫底部未采用有效的支護措施，底板巖層穩定性差，發生塑性破壞，出現大范圍底鼓。

3.2 水理作用

巷道底板積水會加劇底鼓的程度，部分黏土巖層遇水后易崩解軟化，巖層強度降低，穩定性變差；部分含蒙脫石巖層遇水后易發生膨脹，進一步加劇底鼓。同時，底板積水不僅影響巷道底板巖層，還隨著裂隙擴張至底板深處，對深部巖層強度及體積產生影響，進一步影響巷道底鼓程度。

3.3 采動應力

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采用數值模擬分析8110 運輸巷最大主應力分布情況，研究采動應力對底鼓的影響，超前工作面不同距離時巷道最大主應力分布情況如圖3所示，最大主應力值如表2所示。由圖3、表2 可知，8110 運輸巷最大主應力與工作面距離呈負相關。當工作面超前5～10 m 時，巷道受采動影響劇烈，兩幫和底板最大主應力分別為21.15，11.65 MPa；當工作面超前20～30 m 時，隨著與工作面的距離逐漸增加，巷道受采動影響逐漸減弱，兩幫和底板最大主應力緩慢減小；當工作面超前30 m時，巷道受采動影響較弱，圍巖逐漸趨于穩定狀態，兩幫和底板最大主應力分別為19.45 MPa 和11.05 MPa。

4 底鼓治理技術

針對8110 運輸巷底板變形規律及原因，提出底板超挖錨桿加固回填的支護方案，即首先對底板開挖一定深度進行超前卸壓；然后對底板施加錨桿支護，改變底板巖層力學狀態，控制底板塑性變形破壞；最后采用高強度混凝土進行回填，加強底板巖層的強度和承載能力，并阻斷水與底板巖層的接觸，具體支護如圖4所示。

由圖4 可知，8110 運輸巷首先進行底板開挖，開挖深度為200～300 mm。隨后進行錨桿支護，選用φ20 mm×2 500 mm 的高強螺紋鋼錨桿，間距800 mm，排距800 mm，底板每排布置6 根錨桿，其中，靠幫部2 根錨桿傾斜布置，與垂直方向夾角20°，其余4根垂直布置。幫部底角處各傾斜布置1根錨桿，與水平方向夾角45°。最后采用C30高強度混凝土進行回填，避免與水接觸，提高底板巖層強度。

5 效果檢驗

采用底板超挖錨桿加固回填的支護方案后，通過監測巷道底鼓量驗證治理效果，監測結果如圖5所示。

由圖5 可知，支護后8110 運輸巷底鼓量有了明顯減小，在監測的30 d 內最大底鼓量僅為58 mm，比支護前降低了80.67%。因此，底板超挖錨桿加固回填的支護方案治理效果明顯，有效改善了底板塑性變形破壞，避免巷道反復返修，提高了工作面的回采速率。

6 結 論

（1）8110運輸巷最大底鼓量為300 mm，嚴重影響工作面的回采速率。采用數值模擬巷道底板塑性區分布情況，得到底板塑性破壞范圍與工作面距離呈負相關，即距離工作面越近，巷道受采動影響劇烈，底板塑性破壞越嚴重，底鼓量越大。

（2）分析了底板巖性和結構狀態、水理作用及采動應力對巷道底鼓情況的影響，提出底板超挖錨桿加固回填的支護方案，支護后最大底鼓量僅為58 mm，治理效果良好，有效改善了底板的變形狀態，提高了底板圍巖的強度。