软岩巷道底鼓成因及控制技术

郭 忍

（汾西矿业集团高阳煤矿，山西 孝义 032300）

引言

当开采的煤炭资源底板为软岩时，底鼓控制成为制约巷道使用安全的重要方面[1-3]。软岩常表现出强度低、容易风化以及遇水崩解等特征，特别是巷道底板为弱胶结软岩时，底板呈现出底鼓速度快、隆起量大以及变形持续时间长等特点，给巷道使用带来较大影响[4]。为此，众多的研究学者通过理论分析、实验测试、数值模拟等方面对软岩巷道底鼓成因进行分析，并针对性提出底鼓防治技术，研究成果为软岩巷道底鼓控制提供了宝贵经验[5-7]。文章就在前人研究成果基础上，以山西某矿21103 运输石门底鼓治理为工程背景，对巷道底鼓成因进行分析并提出以强化底板岩层强度以及承载能力为核心的底鼓控制技术。研究成果可为其他矿井类似情况下软岩巷道底鼓治理提供经验借鉴。

1 工程概况

山西某矿主采煤层包括有21-1#、21-2#煤层，7#煤层以及11#煤层等4 层煤，现阶段矿井回采主要集中在21-1#及21-2#煤层，煤层厚度平均分别为5.6 m、3.3 m。煤层层间距平均为35 m，层间岩性以软弱的泥岩、炭质泥岩以及粉砂岩等为主。

21103 运输石门设计断面为直墙半圆拱形，巷道长度为105 m，用以联络21-1#煤层2113 回风巷与21-2#煤23-2 主运巷，巷道位于21-1#煤层底板，具体巷道位置关系，如图1 所示。21103 运输石门采用锚网索支护工艺，底板未支护。巷道掘进期间发现底板出现一定程度底鼓问题，同时底鼓表现出速度快、持续时间长以及底鼓量大等问题，给巷道使用带来较大影响；同时若后期持续对底鼓进行处理，可能会影响围岩支护体系稳定性。

图1 巷道位置示意图

2 巷道底鼓原因分析

2.1 巷道底板岩性以及结构

巷道底板岩层性质、岩层结构以及软软程等均会对底鼓有一定影响。当巷道底板为坚硬岩层时，通常巷道底板较为稳定，不会出现底鼓问题；而当底板为软岩时，由于岩层自身强度、稳定性以及抗变形能力较差，在地应力、围岩应力等作用下，岩层容易出现变形进而导致底鼓发生。

21103 运输石门底板以炭质泥岩、泥岩为主，为典型的软岩，同时岩层表现出遇水崩解、脆性大等特点；加之巷道底板未进行支护，仅采用C25 水泥进行硬化，当巷道顶板以及巷帮均进行强支护时，底板会出现一定程度应力集中，从而导致巷道底鼓发生。

2.2 围岩应力及支护强度

巷道掘进会导致围岩内应力重新分布，当应力超过底板岩层承载能力时，往往导致底鼓发生。21103运输石门附近存在有络21-1# 煤层2113 回风巷与21-2# 煤23-2 主运巷，上述两条巷道会导致运输石门位置出现一定程度应力集中，特别是围岩水平应力会明显增大。21103 运输石门顶板以及巷帮均采用锚网喷+锚索方式支护围岩，底板仅采用C25混凝土硬化，围岩支护体系中底板为最薄弱区，在底板水平压力作用下底板出现一定程度隆起，从而出现底鼓。

2.3 水弱化

21103 运输石门底板有一定的积水，在水作用下巷道底鼓问题更为明显。具体水对软岩巷道底鼓影响主要表现为以下几个方面：底板软岩被水浸泡后强度有所降低，底板更容易被破坏；巷道底板中存在有黏土（伊利石以及高岭石等），遇水后会出现破裂、崩解等，严重时会完全丧失强度；底板中含有的蒙脱石会膨胀变形，从而导致底板出现膨胀性底鼓。

3 底鼓控制技术

通过对底鼓成因分站得知，采用单独的混凝土硬化或者锚网喷等方式均无法对软岩巷道底鼓进行控制。为此文中提出综合使用多种方式对21103 运输石门底鼓问题进行治理，具体采取的支护措施为：锚梁、网喷、锚杆+浇筑混凝土等，巷帮以及顶板支护方案保持不变。具体巷道采取的底鼓治理措施，如图2所示。

图2 底鼓治理示意图（单位：mm）

支护采用的螺纹钢锚杆规格为Φ22mm×2400mm，将螺纹钢锚杆置于锚梁上，一排按照1 200 mm 间距布置3 根锚杆，除去底角锚杆为75°角，其余锚杆均垂直底板布置；采用的锚梁为钢筋带（用Φ20 mm 圆钢焊制），长3 000 mm、宽200 mm，单根锚量采用3 根锚杆固定；钢筋网采用Φ8 mm 圆钢编制而成，网孔规格为80 mm×80 mm。在巷道底板浇筑C25 混凝土，混凝土分两次浇筑，其中一次浇筑厚度为300 mm；第二次浇筑厚度为400 mm，通过浇筑混凝土提高底板岩层强度以及承载能力。

在21103 运输石门采用的底鼓支护技术充分发挥主动支护以及被动支护围岩控制效果，以锚梁、锚杆为主的主动支护方式可提高底板软岩整体强度以及承载能力，充分发挥围岩自身稳定性来降低底鼓发生量；通过底板浇筑混凝土、网喷构成被动支护，提高底板岩层整体刚度，抑制底板底鼓。现场采用的底鼓控制方案可与巷帮以及顶板支护方案形成一个封闭的围岩控制体系，从而实现围岩变形有效控制。

4 应用效果分析

在21103 运输石门采用主动、被动支护方式对底鼓进行治理后，对底板变形进行为期3 个月监测，具体监测结果，如图3 所示。

图3 围岩变形监测曲线

从监测结果看出，巷道采用上文所述底鼓治理措施后，底板隆起速度显著降低，在措施应用后的10 d内，底板隆起速度较巷帮及顶板收敛量较小，措施应用10 d～40 d 时底板隆起速度逐渐降低，措施应用50 d 后底板隆起基本不再增加。在监测期间巷帮收敛量以及底板隆起量分别为38 mm、59 mm，较应用前分别降低80%、83.8%，现场采用的防治措施有效提高了巷道围岩支护强度以及整体稳定性，可有效抑制围岩变形。

5 结语

21103 运输石门底板为软岩，具有胶结性差、遇水容易崩解、强度低以及承载能力差等特点，巷道底板在掘进开挖后呈现隆起速度快、隆起量大等问题，给巷道使用及后续掘进带来较大安全制约。从底板岩性、受力、围岩支护以及水等方面对底板隆起原因进行分析。

提出通过主动+被动支护方式对底鼓进行治理，具体为锚梁、网喷、锚杆+浇筑混凝土，现场应用后巷道底板在支护完成50 d 后变形即趋于稳定，最终隆起量控制在38 mm 以内，取得显著底鼓控制效果。