回采巷道底鼓机理及控制技术应用

赵泽鹏

（晋能控股煤业集团四侯煤矿，山西 晋城 048100）

1 概述

晋能控股煤业集团四侯煤矿3108 工作面位于一采区，工作面采用南北走向布置，东部为3103采空区与3108 回风顺槽预留的21 m 宽煤柱，西部为准备阶段的3110 工作面，北部为采掘区域，南部为一采区三条大巷。3108 工作面设计走向长度为160 m，工作面回采煤层为3#煤层，平均厚度为3.7 m，煤层倾角为15°。3#煤层存在伪顶，煤层顶板岩体结构不稳定，顶板承载能力差，具体顶板岩性见表1。

表1 3108 工作面3#煤层顶底板岩性表

3108 回风顺槽设计长度为650 m，巷道主要用于工作面回风及物料运输，巷道为矩形断面。巷道沿3#煤层顶底板布置，巷道宽度为4.5 m，高度为3.7 m。巷道顶板及两帮主要采用锚杆（索）+金属网联合支护。为了便于物料运输，底板采用混凝土浇筑硬化处理，硬化厚度为0.12 m。

2 工作面回采现状及底鼓机理

2.1 工作面回采现状

3108 工作面采用综合机械化后退式回采工艺。工作面回采至45 m 处时，位于工作面尾端顶板出现局部破碎，在工作面前方25 m 处回风顺槽底板出现底鼓现象，底鼓量为0.34 m，底鼓长度为12 m。随着工作面推进，当工作面回采至50 m 处时，在工作面前方8～45 m 范围内回风顺槽出现大面积底鼓现象，最大底鼓量达0.38 m。底鼓后回风顺槽底板中部断裂隆起，在底鼓段两帮煤柱出现局部收敛现象，最大收敛量达0.45 m，导致围岩失稳现象严重。

2.2 回风顺槽底鼓机理

（1）底板稳定性差。3108 回风顺槽底板主要以炭质泥岩为主，稳定性差，岩体呈脆性及层状结构，易破碎。回风顺槽在掘进过程中，底岩在掘进开挖应力作用下已形成底岩裂隙，当工作面回采时，回风顺槽在采动应力作用下再次产生破坏作用，导致底岩失稳。

（2）多重集中应力影响。3108 回风顺槽47 m处（由里向外）揭露一条F8 正断层，断层落差1.5 m，断层以45°夹角向工作面内延伸。工作面回采至42 m 处时揭露该断层，工作面回采至45 m 处时出现初次来压，3108 回风顺槽在构造应力、回采应力以及采空区等多重应力作用下，导致底板在应力作用下出现断裂、移位以及隆起破碎[1-5]。

（3）两帮煤柱破坏严重。3108 回风顺槽位于3103 采空区侧，煤柱在采空区残余应力作用下出现破碎、片帮现象，两帮煤柱在多重应力作用下，煤柱承载强度减弱，对应力无法起到有效的约束与控制作用，应力沿不稳定煤柱向底板传递，并通过底板裂隙向巷道内释放，两帮侧底板岩体受相向的水平剪切应力作用，导致底板中部断裂、隆起，两侧煤柱插入底板。

3 巷道底鼓控制技术应用

3.1 巷帮加固措施

为了有效控制巷帮煤柱失稳现象，且不影响工作面后期回采，决定对底鼓段两帮煤柱施工玻璃钢自锁恒阻式锚杆进行加固。

（1）3108 回风顺槽两帮煤柱采用的玻璃钢自锁恒阻式锚杆主要由玻璃钢杆体、端头自锁式结构、尾部恒阻器以及高强度玻璃钢W 型托盘等部分组成。

（2）玻璃钢杆体长1.8 m，直径为23 mm，锚杆最大屈服强度为280 kN，水平抗剪应力185 kN。杆体锚固段安装一个自锁件，锚杆锚固时自锁件可与钻孔围岩自锁。尾部恒阻器长度为0.35 m，由三组让压弹簧构成，如图1。恒阻器最大抗载荷能力为477 kN。玻璃钢W 型托盘长度为0.48 m，宽度为0.25 m。

图1 玻璃钢自锁恒阻式锚杆结构示意图

（3）玻璃钢自锁恒阻式锚杆采用迈步式布置，两侧巷帮各施工两排玻璃钢锚杆，两排锚杆排距为1.3 m，第一排与顶板间距为0.8 m。

3.2 巷道底鼓加固措施

为了达到控制底鼓的目的，需对原软岩底板进行人工加固。通过研究决定对底鼓处采取“起底浇筑+注浆锚索+安装张拉钢梁”联合控制技术。

（1）回风顺槽起底。对3108 回风顺槽距工作面8～45 m段进行起底施工，采用松动爆破起底方式，起底深度为0.4 m，起底宽度为4.5 m，起底后保证起底底板平整。

（2）注浆锚索施工。注浆锚索采用9 股中空锚索，锚索长度为3.0 m，直径为25 mm，中部孔直径为12 mm。首先在起底底板处施工9 排锚索钻孔，锚索钻孔采用“二.一.二”布置方式，锚索排距为5.0 m，间距为3.0 m。锚索锚固后外露长度控制在0.4～0.5 m 范围，然后对钻孔进行注浆，注浆液采用硅酸水泥与水玻璃混合浆液。

（3）浇筑施工。起底处注浆锚索全部施工完后，对起底处进行混凝土浇筑，浇筑厚度为0.5 m，混凝土中水泥与沙子配比为1:2。为了提高浇注体韧性及强度，底板每浇筑混凝土厚度达0.1 m 时在浇筑面上铺一片聚氨酯纤维网，纤维网长度为40 m，宽度为5.0 m。纤维网由宽度为50 mm 纤维条带编制而成。

（4）安装张拉钢梁。当混凝土浇筑达0.3 m 时停止浇筑施工，对浇筑面进行整平，待混凝土浇筑面凝固后在每两根注浆锚索外露端安装一根张拉钢梁，并采用锁具进行预紧。每根张拉钢梁长4.0 m，宽度为0.20 m，张拉钢梁安装再进行浇筑，直至与巷道设计底板面齐平。3108 回风顺槽底鼓区控制技术施工断面如图2。

图2 3108 回风顺槽底鼓区控制技术施工断面示意图

4 应用效果

对3108 工作面回采期间回风顺槽底鼓原因进行分析，提出合理有效的底鼓控制技术，通过实际应用取得了显著的应用成效。

（1）与传统的无纵筋螺纹钢锚杆相比，玻璃钢自锁恒阻式锚杆不仅提高了锚杆与破碎围岩锚固质量，而且该锚杆中安装的恒阻器能够对应力围岩蠕动变形现象起到很好地让压作用，实现了支护体与变形围岩耦合支护效果。3108 回风顺槽底鼓段巷帮煤柱施工迈步式玻璃钢锚杆后，有效控制了两帮煤柱受中部收敛、破碎等现象，两帮移进量控制在0.12 m 以下，提高了两帮煤柱支撑强度及承载能力，有效削弱了应力传递对底板破坏作用。

（2）3108 回风顺槽底鼓区采取“起底浇筑+注浆锚索+安装张拉钢梁”联合控制技术，人工加固了回风顺槽底板，提高了底板抗应力强度，采取联合控制技术，底板鼓起现象得到了有效的控制。巷道在回采超前应力区25～35 m 段底鼓量最大，达0.16 m，其他区域底鼓量控制在0.10 m 以下，后期回采期间未出现底板断裂、两帮煤柱插底现象。