高应力软岩巷道底鼓治理技术研究

邢立召，秦庆举，李永红，席 明，年伏军

（陕西金源招贤矿业有限公司，陕西 宝鸡 721500）

底鼓是一个复杂的动力现象，与地应力、工程地质条件及施工技术等多种因素有关，因此底鼓一直是煤矿巷道支护的难题。招贤矿大巷所处层位的岩石组分含有伊利石、蒙脱石及高岭石，为极易亲水性围岩，遇水膨胀或极易风化，巷道掘进成巷后北翼辅助运输大巷、带式输送机巷及副立井井底车场局部地段顶、帮浆皮开裂，底鼓严重，初期矿井采用卧底法治理底板，但仅满足短时巷道的底鼓控制，治理效果欠佳。综上所述，需对巷道底鼓机理和治理技术进行研究。

1 大巷底鼓机理分析

1.1 招贤矿大巷底鼓机理确定

根据巷道底鼓形成的力学作用机理，巷道底鼓可以分为5 种类型[1]，即挤压变形性底鼓、挤压挠曲性底鼓、剪切性底鼓、遇液体膨胀性底鼓和复合型底鼓。

招贤矿业北翼大巷及北翼带式输送机大巷帮顶破坏、底鼓严重点均为变坡点前后，该处存在一条麦里沟向斜褶曲构造。根据招贤矿大巷围岩变形破坏情况，招贤矿巷道底鼓类型为遇水膨胀型底鼓和挤压流动型底鼓2 种形式的组合。

1.2 周边矿井工程实例

1.2.1 郭家河矿I盘区西翼辅运下山[2]

郭家河矿I盘区西翼辅运下山穿越5 条褶曲和2 条断层，其中褶曲构造包括3 条向斜和2 条背斜，断层包括F+1 断层和F16 断层。围岩以炭质泥岩为主，炭质泥岩主要含有伊蒙混层矿物，属膨胀岩；底鼓类型为遇水膨胀型底鼓和挤压流动型底鼓2种形式的组合；采用反底拱+锚注修护后联合支护。

治理效果：顶底板、两帮约在15 d 后变形量基本稳定，两帮变形量最大达到12 mm。

1.2.2 崔木煤矿北翼回风大巷[3]

崔木煤矿北翼回风大巷位于花园阳坡向斜轴部，地应力实测其构造水平应力高达28.8 MPa。北翼回风大巷沿3#煤层下部掘进，预留2～4 m 底煤。煤层老顶以细或中粒砂岩为主，岩性较为稳定，厚度为10.3 m，抗压强度为29.4 MPa；直接顶多为炭质泥岩，厚度约为2.8 m，抗压强度为22.7 MPa；直接底板多为炭质泥岩，水平层理，厚度不稳定，其下部为铝质泥岩，厚度为3.9～4.4 m，岩性破碎、极易风化，遇水潮解，抗压强度为18.4 MPa。采用高预紧力全长锚固锚杆+帮部锚索二次补偿支护。

治理效果：跟踪监测100 d 左右，两帮位移量为80 mm，顶底板移进量为120 mm。

1.2.3 亭南矿井西翼轨道大巷[4]

亭南矿井西翼轨道大巷埋深为463 m，底板无支护，底板岩层遇水极易软化膨胀，底鼓严重，最大底鼓量达到500 mm，多次挖底返修。采用反底拱+底角锚杆+补打帮部锚杆的支护和铺设隔水层防治水措施。

治理效果：两帮累计位移最大值为7 mm；顶板下沉累计最大值为2 mm，底鼓量最大值只有10 mm。

从工程实例能看出，工程实例中的围岩中均含有膨胀性的高岭土、蒙脱石；巷道埋深为305～463 m；巷道的支护均为锚网喷+锚索支护；巷道有位于向斜轴部，褶曲和断层的地质构造。这些工程实例中都出现了巷道底鼓和围岩破裂，导致工程不能正常使用。对于巷道底鼓和围岩变形破裂采取的防治措施均为底板加固。加固后的变形观测围岩移近量均在100 mm 以内，围岩变形得到了有效控制。

2 招贤矿大巷底鼓治理方案

2.1 “顶板完整+两帮完整”的底鼓治理方案

2.1.1 工程概况

井底车场绕道三岔门至消防材料四岔门段轨道大巷，总长约200 m，巷道采用直墙半圆拱断面，净宽×净高=5 000 mm×4 700 mm 锚网梁索喷支护，该段巷道顶帮完好底板持续底鼓多次卧底翻修效果不明显。

2.1.2 治理方案

治理采取的支护方式为：卧底+底板锚网梁索+底板锚杆+底板注浆+喷射混凝土。

首先将多次修复后破碎的底板清理，然后采用锚网梁喷对底板进行加固处理。锚杆为Φ22 mm、长度L=2 400 mm 的高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm；注浆锚杆规格为Φ22 mm、L=2 500 mm，间排距为1 600 mm×1 600 mm；配合锚杆使用的钢筋梯子梁垂直于巷道布置，配合注浆锚杆使用的钢筋梯子梁平行于巷道布置；采用的注浆锚索为Φ21.8 mm、L=5 000 mm，配合L=3 800 mm 的36U 型钢平行于巷道方向，锚索间距为1 600 mm。锚杆注浆张拉后，预紧力不小于210 kN，张拉后锚杆外露为100 mm。喷射混凝土，巷道全断面进行喷浆，强度等级为C20，喷浆厚度为100 mm。

2.1.3 治理效果

支护完成后，在大巷F7 测点前10 m 至前40 m 位置处进行巷道围岩表面收敛变形监测，每间隔5 m 布置一组测试断面，测量巷道顶底板相对移近、顶板下沉及底鼓量、两帮相对移近等。观测点数据如图1 所示，图中数据显示，巷道位移量变化较小，两帮未出现明显的变形，顶底板移近量最大值为16 mm，达到预期效果。

图1 F7 测点前10 m 至前40 m 段巷道观测点顶底板移近量变化图

2.2 “顶板完整+两帮开裂”的底鼓治理方案

2.2.1 工程概况

北翼胶带输送机大巷P11 测点前20 m 至前40 m段，巷道采用直墙半圆拱断面，净宽×净高=5 400 mm×4 700 mm 锚网梁索喷支护，该段巷道顶板完整，两帮开裂，底板鼓起。

2.2.2 治理方案

治理采取的支护方式为：刷帮补打锚索+底板反拱梁+底板锚杆+喷射混凝土。

帮补打锚索为Φ21.8 mm×7 300 mm、1×19 芯结构的钢绞线，每排4 根；间排距为1 800 mm×1 200 mm；锚索托盘为300 mm×300 mm×15 mm 的碟形托盘；树脂锚固剂为Z2370 树脂药卷和K2335 树脂药卷；每根锚索2 支Z2370 和1 支K2335 树脂药卷，锚固长度为2 472.36 mm，预紧力不低于210 kN，拉拔力为500 kN。底板反拱梁采用U36 弯曲成反拱形，矢跨比为0.2，反拱梁中点与2 个端点的垂距为1 250 mm。锚杆为Φ22 mm×2 400 mm 左旋无纵筋超强螺纹钢锚杆，锚杆对称布置，间排距为1 200 mm×1 200 mm，每排5 根；采用Φ28 mm 钻头施工，每根锚杆1 支Z2370 和1 支K2335 树脂药卷，锚固长度为1 555.88 mm，预紧力矩不小于240 N·m，拉拔力为127 kN。喷射混凝土，巷道全断面进行喷浆，强度等级为C20，喷浆厚度为100 mm。

2.2.3 治理效果

支护完成后，在大巷P11 测点前20m 至前40 m段处进行巷道围岩表面收敛变形监测，每间隔5 m 布置一组测试断面，测量巷道顶底板相对移近、顶板下沉及底鼓量、两帮相对移近等。观测点数据如图2 所示，图中数据显示，断面位移量变化较小，两帮收敛没有出现明显的变形，最大值为16 mm，其中左帮变化最大值为11 mm，右帮变化最大值为5 mm ；顶板下沉也没有出现明显的变化，最大值为13 mm。

材料图文并茂，图片材料呈现“玄奘西游”（中印）和“鉴真东渡”（中日），可以将两个信息源升华成“中外文化交流”一个对象。文字材料反映了玄奘西游推动了佛教传播和中印外交史研究。鉴真东渡把先进的中华文明传播到日本，推动了日本社会的进步。可以将这两个信息源升华成“人类文明”或“世界文明”的发展。这两个对象之间可以构成因果逻辑关系，因此，这个“全开”式论题基本确定，即论题1（观点）：中外文化交流推动了人类文明的发展。而参考答案提供的论题2（观点）：中国为世界文明的发展做出贡献。按此法拟定的论题和参考答案提供的高度相似。

图2 P11 测点前20 m 至前40 m 段巷道观测点断面位移量变化图

2.3 “顶板下沉+两帮开裂”的底鼓治理方案

2.3.1 工程概况

北翼胶带输送机大巷P10 测点前10 m 至前25 m段，巷道采用直墙半圆拱断面，净宽×净高=5 400 mm×4 700 mm 锚网梁索喷支护，该段巷道顶板开裂下沉、两帮开裂、底板鼓起。

2.3.2 治理方案

治理采取的支护方式为：U 形棚+顶板和帮部补打锚索+底板反拱梁+底板锚杆+喷射混凝土。

U 形棚采用U36 可缩型U 形棚，排距为600 mm。帮部补打锚索为Φ21.8 mm×7 300 mm、1×19 芯结构的钢绞线，每排7 根；间排距为1800 mm×1 200 mm；锚索托盘为300 mm×300 mm×15 mm 的碟形托盘；树脂锚固剂为Z2370 树脂药卷和K2335 树脂药卷；每根锚索2 支Z2370 和1 支K2335 树脂药卷，锚固长度为2 472.36 mm，预紧力不低于210 kN，拉拔力为500 kN。底板锚杆为Φ22 mm×2 400 mm 的左旋螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm，每排5 根；采用Φ28 mm 两翼复合片钻头施工，每根锚杆1 支Z2370 和1 支K2335 树脂药卷，锚固长度为1 222 mm，预紧力矩不小于300 N·m，拉拔力为129 kN。底板反拱梁采用矿用U 型钢弯曲成反拱形，反拱梁中点与2 个端点的垂距为1 250 mm。喷射混凝土，巷道全断面进行喷射混凝土施工，强度等级为C20，喷浆厚度为100 mm。

2.3.3 治理效果

支护完成后，在大巷P10 测点前10 m 至前25 m段进行巷道围岩表面收敛变形监测，每间隔5 m 布置一组测试断面，测量巷道顶底板相对移近、顶板下沉及底鼓量、两帮相对移近等。观测点数据如图3 所示，图中数据显示，断面位移量变化较小，两帮收敛没有出现明显的变形，最大值为15 mm，其中左帮变化最大值为11 mm，右帮变化最大值为4 mm；顶板下沉也没有出现明显的变化，最大值为15 mm。

图3 P10 测点前10 m 至前25 m 段巷道观测点断面位移量变化图

2.4 “顶板下沉开裂严重+两帮开裂+底鼓多次翻修”的治理方案

2.4.1 工程概况

北翼辅助运输大巷中点Y12 测点前50 m 至F11 测点后25 m 段，巷道采用直墙半圆拱断面，净高×净宽=4 700 mm×5 200 mm。该段巷道顶板下沉开裂严重，两帮开裂，底板持续底鼓，每次卧底翻修效果不明显。

2.4.2 治理方案

采取的支护方式为：U 形棚+顶板和帮部补打锚索+底板反拱梁+底板锚杆+喷射混凝土+全断面注浆。U形棚采用U36 可缩型U 形棚，排距为600 mm。

帮部补打锚索为Φ21.8 mm×7 300 mm、1×19 芯结构的钢绞线，每排7 根；间排距为1 800 mm×1 200 mm；锚索托盘为300 mm×300 mm×15 mm 的碟形托盘；树脂锚固剂为Z2370 树脂药卷和K2335 树脂药卷；每根锚索2 支Z2370 和1 支K2335 树脂药卷，锚固长度为2 472.36 mm，预紧力不小于210 kN，拉拔力为500 kN。底板锚杆为Φ22 mm×2 400 mm 左旋无纵筋超强螺纹钢锚杆，锚杆对称布置，间排距为1 20 0 mm×1 200 mm，每排5 根；采用Φ28 mm 钻头施工，每根锚杆1 支Z2370 和1 支K2335 树脂药卷，锚固长度为1 555.88 mm，预紧力矩不小于240 N·m，拉拔力为127 kN。底板反拱梁采用U36 弯曲成反拱形，矢跨比为0.2，反拱梁中点与两个端点的垂距为1 250 mm。喷射混凝土，巷道全断面进行喷浆，强度等级为C20，喷浆厚度为100 mm。

全断面注浆：高强注浆锚杆规格为Φ22 mm×3 000 mm，采用无缝钢管制作，厚度为4 mm，杆体上设置Φ6 mm 注浆孔，1 个树脂锚固药卷端锚，封孔采用快硬水泥药卷，高强注浆锚杆间排距为1 500 mm。注浆参数[5]选择如下：注浆材料采用凯密安JUST-2 型快速注浆材料，浆液水灰比为0.3∶1～0.7∶1。注浆量首先要控制泵压，在围岩内泵压达到4.0 MPa 时应停止注浆；其次要根据相邻钻孔跑浆量来决定，相邻钻孔一旦跑浆应停止注浆。注浆压力为2.0～3.0 MPa，最大注浆压力为4.0 MPa。一般单孔注浆时间取2～6 min。

2.4.3 治理效果

治理工程完成后，在北翼辅助运输大巷中点Y12点前50 m 至点前70 m 位置处与F11 点前5 m 至F11点后25 m 段，设置围岩观测站，每间隔5 m 布置一组，测量巷道顶、顶板离层量、顶板下沉量及底鼓量、两帮相对移近等。观测点数据如图4 所示，图中数据显示，断面位移量变化较小，两帮收敛没有出现明显的变形，移近值为13 mm，其中左帮移近值为1 mm，右帮移近值为12 mm ；顶板下沉也没有出现明显的变化，最大值为5 mm。

图4 Y12 测点前50 m 至F11 测点后25 m 段巷道观测点断面位移量变化图

3 应用效果及评价

招贤煤矿大巷的地质构造、围岩性质、水的作用和支护方式是产生围岩变形破坏的重要因素，大巷底鼓变形类型属于遇水膨胀型底鼓和挤压变形型底鼓2种形式的组合。采用工程类比法，根据工程条件相似性分别参考了郭家河矿I盘区西翼辅运下山、崔木煤矿北翼回风大巷及亭南矿井西翼轨道大巷3 个巷道围岩变形破坏翻修治理的工程实例。根据招贤煤矿大巷底鼓机理不同制定了相应治理方案，通过对治理后巷道围岩表面收敛变形进行监测，测量巷道顶底板相对移近、顶板下沉及底鼓量、两帮相对移近等数据，巷道治理达到预期效果能够满足安全生产需要。