深井软岩巷道底鼓原因及防治技术

王福洁

(霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 吕梁 033200)

0 引言

随着我国煤炭资源大规模、超强度开采，采掘活动进一步向深部开展，进入深部后煤炭采掘工作受三高一扰动影响更为明显，其中深部软岩巷道支护工程更是需要直接明对，无法完全攻克的技术难题。据有关统计资料我国每年巷道掘进量约7 000 km，而深部巷道掘进占总掘进量40%以上，其中需要进行返修的巷道又达到70%以上[1]，换言之，每年因底鼓问题需要重新进行返修的掘进工程量甚至超过了新掘进巷道工程量，同时，软岩巷道的底鼓问题不仅阻碍了运输，还使通风阻力大大增加，而给矿井生产带来不利影响，成为严重制约矿井安全与高效生产的不利因素。

对此，国内外学者、专家等开展了大量、关于底鼓机理及防治措施的研究工作。对于底鼓问题的治理首先要对其机理进行分析研究，姜耀东[2]在大量调研、试验基础上将深井底鼓问题按形成机理归结分为4大类，分别为流动性底鼓、挠曲性底鼓、错动性底鼓及膨胀性底鼓。在此基础上康红普院士[3]等通过理论计算及大量工程实践提出底鼓发生主要是由于底板受褶皱挠曲、巷道受应力不均布传播及底板岩层遇水泥化膨胀造成的。同时还用大量学者及工程技术人员通过应用计算力学的方法系统分析了巷道底板底鼓发生机理、极限强度、极限变形等力学参量，从理论上对深井软岩巷道底鼓发生机理进行了阐释[4-5]。随着对底鼓发生机理的深入研究工作开展，其防控技术的研究也在逐步得以发展。何满潮[6]以深部软岩破坏机理为基础，提出运用恒阻大变形锚杆索对顶、底、帮进行“三控”支护。Sun[7]等则提出了运用泄压槽的方法释放底板应力，已达到控制底板变形的目的。谢广祥[8-10]等则提出运用预应力锚杆、索与混凝土反拱结构来对底鼓问题进行治理，在控制底鼓问题方面取得良好应用效果。蒲会山[11]在分析综放工作面进风顺槽底鼓的机理的基础上，提出了利用底角注浆锚杆+底板锚索控制底鼓的治理方案，并在实践中取得了良好效果。程少北等[12]针对底鼓变形迅速问题，通过矿物分析及力学测试，确定了底鼓的发生机理，并提出了使用底角预应力锚索配合喷浆并与底板潜孔注浆、混凝土喷浆加固联用来进行治理，控制效果较好。谢腾飞[13]基于深部高地应力巷道底鼓机理分析，建立了“底板-两帮-顶板”力学模型，提出了“三位一体耦合支护”支护技术，在工程实践中效果良好。但是由于我国煤炭赋存范围广泛，不同矿井生产地质条件各不相同，针对矿井实际提出有针对性的底鼓防治措施对保证矿井安全生产具有重要意义。吕临能化有限公司南延辅助运输大巷在生产过程中出现了不同程度底鼓问题，严重制约了安全高效生产。在此背景下，采用理论分析方法对其底鼓发生机理进行分析，并根据分析结果提出合理防控技术，以期保证矿井正常生产工作，并能够为相似条件矿井提供技术参考。

1 工程概况及底鼓原因分析

1.1 工程概况

吕临能化有限公司南延辅助运输大巷位于矿井中部，井下标高+620～+745 m。开口位置位于9-3011运输联巷，按180°方位角沿6°下山找9号煤，沿底板掘进，掘进3 529 m后停掘。9号煤层顶板多数为泥岩、砂质泥岩，厚度约3 m。底板多为泥岩、砂质泥岩，其中粘土质含量高，质软且稳定性差，遇水可能膨胀而导致底鼓现象的发生，影响巷道运输。厚度1～8 m，一般为3 m，变化较大。9号煤层赋存稳定，结构复杂，含0～3层夹矸，煤厚约11.8 m，煤层倾角平均17°。巷道绝对涌出量为0.89 m3/min，相对涌出量为0.18 m3/t。南延辅助运输大巷采用“锚网梁+锚索+喷浆”联合支护的方式，顶部采用φ21.8 mm×6 300 mm，帮部采用φ21.8 mm×4 300 mm的19股高强度低松弛钢绞线，顶、帮均采用φ22 mm×2 400 mm的左旋高强锚杆与锚索交替布置支护，锚杆的排距为1.6 m，锚索的排距1.6 m，锚索与锚杆之间的排距为0.8 m。巷道底板未支护。

1.2 底鼓原因分析

底鼓情形：现场调查发现南延辅助运输大巷底板整体向上隆起，而顶、帮变形量相对较小。进而针对底板岩层进行了详细矿物分析，并在此取点进行了地应力测试，如图1所示。

图1 巷道底板变形示意

底鼓原因：通过化验、测量，认为该巷道发生底鼓的主要原因集中在以下3个方面。①底板中黏土矿物有强膨胀性，遇水膨胀显现剧烈。该巷道在掘进过程用水量较大，顶板存在一定淋水现象，而底板矿物中含有大量蒙脱石，遇水后发生强烈膨胀，破坏了岩层完整结构，使岩石强度大大降低;②该巷道深度已达-750 m，处于岩层高应力状态，受应力影响巷道发生较大变形。通过应力接触法测得该巷道最大主应力为水平主应力，数值在25.5～28.1 MPa之间，测压系数为1.41～1.56；③巷道底板未进行有效支护。经过地应力测试，巷道围岩处于高应力状态，且顶底板岩性以软岩为主，顶、帮支护形式均为锚杆索联合支护，而底板无有效支护措施，使得底板受多种因素影响发生大变形。

2 巷道底鼓防治技术研究

2.1 切割槽卸压技术

南延输送机大巷底鼓的发生原因极其复杂，对其进行治理应着重加强对底板岩层进行卸压、加固处理，拟缓解其高应力情况、控制大变形问题。针对底板高应力问题，在中央设计切割槽，槽宽500 mm，深2 m，底板形成一个“弱结构”，而这个弱结构能够使底板应力得到释放，大量吸收底板变形，改变底板应力状态，切割槽卸压力学解析如图2所示[14]。

图2 巷道底板中间开挖卸压槽力学解析[11]

2.2 联合支护加固技术

支护原理：利用切割槽对底板高应力进行释放后，经过一定时期调整，使巷道底板应力恢复到一个相对能够控制程度，采用底角锚杆+底板注浆+底板锚索耦合支护进行加固处理，使底板结构恢复完整，同时在锚杆索作用下与顶、帮形成一个相对完整的“强结构”，此时巷道应力经过重新分布逐渐趋于平稳，此时形成相对较强的支护体系，能够使巷道得到有效维护，保证生产安全、高效[15-18]。

支护方案：①底角采用φ22 mm×2 400 mm的左旋高强锚杆，锚杆间距设置为800 mm，与底板平面呈45°，在帮、底交界位置进行锚固。巷道底角是整个工程系统中应力集中程度最高的位置，通过在左右底角高密度锚杆的施工，很好的将应力转移到底角锚杆上。同时，底角锚杆与顶、帮锚杆、索形成一个完整支护系统，限制了上方承载拱的水平位移，承载体的稳定性进一步得到加强，随着相邻围岩位移得到控制，底鼓现象大大减弱，具体技术分析如图3所示；②沿底板中央对称布置2个注浆孔，排距为1 200 mm，长3.0 m，浆液采用树脂-水玻璃，注浆时间以达到额定压力后稳定10 min为宜。底部岩层受大变形影响，发生挠曲、破碎，通过使用注浆加固，能够使破碎岩层形成一个完整体，有效控制了底板大变形情况；③底板锚索规格为φ21.8 mm×4 300 mm 19股高强度低松弛钢绞线，沿巷道底板中部等距布置2根，排距1 600 mm×1 600 mm。锚索使岩层移动得到了有效限制，且其围岩状态也得到大大改善，还将高应力向深部转移。

图3 技术分析

3 结论

(1)南延辅助运输大巷底鼓的影响因素主要是底板岩层中膨胀性矿物较多，遇水会发生强烈膨胀，同时巷道埋藏深度较大，底板处于高应力环境，并且原支护系统为对底板进行设计，使得底鼓发生程度强烈。

(2)通过影响因素分析，确定了该巷道治理底鼓使需先进行切割槽卸压，在应力得到有效释放后联合运用锚杆、索与注浆技术对底板进行加固，使得巷道底鼓得到有效控制，经济效益显著。