回采巷道底鼓區聯合治理技術應用

張建軍

（山西陽城陽泰集團小西煤業有限公司，山西 晉城 048000）

綜采工作面在回采期間受回采應力、構造應力、煤巖體力學結構等影響，回采巷道圍巖會出現不同程度破壞現象，主要表現在兩幫收縮、頂板下沉、底板鼓起等。其中，底板鼓起是回采巷道最常見的應力現象。底板鼓起后不僅降低了巷道成型率，影響工作面支架正常移架，而且發生底鼓后降低了兩幫圍巖穩定性，在剪切應力作用下，巷幫很容易發生片幫現象［1］。以小西煤礦3107 回風巷為例，針對傳統底鼓治理技術存在的主要問題，提出“施工水力膨脹錨桿+ 安裝L 型鋼棚+ 施工注漿錨索”聯合治理技術，并進行實際應用。

1 概述

山西陽城陽泰集團小西煤業有限公司3107 回風巷位于3107 工作面南部，主要作為3107 工作面回采期間材料運輸以及回風巷道。3107 回風巷長度為1 200 m，巷道沿3#煤層頂底板平行掘進，3#煤層平均厚度為4.0 m，平均傾角為3°；巷道高度為4.0 m，寬度為4.5 m。3107 回風巷直接頂主要以砂質泥巖、炭質泥巖互層為主，平均厚度為3.4 m，局部裂隙發育； 老頂主要以礫巖為主，平均厚度為11.2 m；直接底主要炭質泥巖為主，平均厚度為3.8 m；老底主要以細粉砂巖為主，平均厚度為8.9 m。

3107 回風巷為矩形斷面，巷道頂板主要采用錨桿、錨索、W型鋼帶聯合支護；頂板每排5 根長度為2.5 m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距為1.0 m；錨索長度為5.3 m，每排3 根，排距為3.0 m，間距為1.5 m；巷幫采用單錨桿支護，每排3 根長度為2.0 m左旋無縱筋螺紋剛錨桿，錨桿排間距為1.0 m。

根據巷道掘進資料顯示，位于3107 回風巷540 m處揭露一條F6正斷層。斷層落差為1.5 m，傾角為57°；斷層與3#煤層煤層斜交，角度為62°，預計對工作面回采影響長度為40 m。截止2020年3月2日3107 工作面回采至533 m里程牌處，受回采應力、構造應力以及采空區殘余應力影響，3107 回風巷在525 m處出現底鼓現象，最大底鼓量為0.82 m，兩幫收縮量達0.54 m，導致回風巷變形嚴重，工作面回采時過渡支架移架困難，工作面回采速度僅為3.6 m/d，嚴重制約著工作面安全高效回采。

2 底鼓區傳統治理技術及問題分析

2.1 底鼓區傳統治理技術

3107 回風巷應力區底鼓段前期主要采用起底、澆筑混泥土，錨注錨桿等技術手段進行控制維護，底板起底深度為1.0 m，寬度為4.5 m（巷寬），起底后在起底處施工錨桿，錨桿長度為2.0 m，采用端頭錨固方式，錨桿排距為2.0 m，間距為1.2 m。最后對起底處進行澆筑混泥土，直至與巷道原底板齊平。

2.2 問題分析

（1）起底工程量大。由于3107 回風巷底板主要以炭質泥巖為主，平均厚度為2.9 m，傳統施工工藝時需采用人工松動爆破進行起底，不僅造成巷道起底工程量大、起底工序復雜，而且3107 回風巷內瓦斯濃度相對較高，松動爆破施工不利于回采安全［2］。

（2）錨桿支護效果差。通過對3107 回風巷底鼓段施工一個深度為8.0 m，直徑為60 mm窺視孔觀察發現，在應力作用下導致巷道底板巖體出現裂隙破碎，在0～3.8 m范圍內巖體破碎嚴重且出現鼓起現象，在4～6.0 m范圍內巖體裂隙高度發育，在6.0 m以外巖體相對穩定，見圖1；而原施工工藝中錨桿長度為2.0 m，錨固長度為0.6 m，錨桿在裂隙底板中錨固效果相對較差。

圖1 3107回風巷底鼓區底板巖體窺視柱狀圖

（3）底板應力持續破壞作用。底鼓區傳統工藝治理后在7 d范圍內底板變化不大，在7 d后隨著地應力持續作用下澆筑底板發生隆起斷裂現象。通過現場觀察發現，底板澆筑后在第9 d局部底板出現鼓起，鼓起量為0.33 m；第11 d后出現底板大面積斷裂破碎現象，傳統施工工藝對地應力破壞作用控制力度不足，無法根本消除底板鼓起現象。

3 底鼓區聯合治理技術措施

為了保證3107 工作面安全快速通過F6斷層，控制3107 回風巷應力區底鼓現象，決定對3107 回風巷應力區采取 “施工水力膨脹錨桿+ 安裝L型鋼棚+施工注漿錨索”聯合治理技術。

3.1 施工水力膨脹錨桿

（1）水力膨脹錨桿施工原理

與傳統錨注錨桿不同，水力膨脹錨桿主要采用高壓水力作為動力，在水力作用下使錨桿膨脹，錨桿在膨脹期間對鉆孔壁圍巖產生環形垂直應力，從而使鉆孔壁附近破碎巖體擠壓收縮，達到控制地應力釋放以及巖體裂隙進一步發育的目的；同時當錨桿在水力作用下發生膨脹后，桿體徑向長度變短，從而對錨桿托盤起到提高預應力的作用［3］，見圖2。

圖2 底鼓區水力膨脹錨桿支護原理

（2）水力膨脹錨桿施工工藝

①首先對底鼓區進行起底施工，起底深度為0.5 m，起底后對底板施工水力膨脹錨桿鉆孔，每排施工2 個鉆孔，鉆孔深度為3.5 m，直徑為30 mm，間距為2.0 m，排距為3.0 m，見圖2。

②鉆孔施工完后對鉆孔內安裝水力膨脹錨桿，錨桿長度為3.6 m，錨桿側面為凹型且中空狀，錨桿材質為柔性鋼材，膨脹前桿體直徑為25 mm，膨脹后桿體直徑為32 mm。

③錨桿安裝后對同一排錨桿外露段安裝一根長度為4.0 m，寬度為0.5 m梯形梁；梯形梁安裝后對桿體進行注水加壓，注水壓力為15～20 MPa范圍內，在注水過程中錨桿桿體膨脹并擠壓鉆孔壁巖體，同時桿體膨脹過程中桿體縮短，梯形梁受壓預緊。

3.2 安裝L型鋼棚

（1）安裝L 型鋼棚主要目的是提高巷幫煤柱支撐強度，降低了應力傳遞過程中煤柱對底板產生剪切破壞作用，使得煤柱與底板嵌為一體；同時安裝L型鋼棚后增加了底板抗載荷能力。

（2）L 型鋼棚主要由15#槽鋼焊制而成，鋼棚長梁長為1.8 m，短梁長為1.0 m，且在梁的中部各焊制一個直徑為25 mm加固錨桿固定孔；鋼棚安裝時鋼棚長邊與起底面接觸，短邊與巷幫接觸，每架鋼棚采用兩根長度為1.5 m，直徑為20 mm“反麻花式”錨桿固定，見圖3。

（3）L 型鋼棚安裝排距為1.5 m，在底板鼓起嚴重區鋼棚與底板之間必須安裝讓壓件，起到讓壓耦合支護作用，鋼棚安裝必須牢固，固定錨桿預緊力不得低于150 N·m。

3.3 施工注漿錨索

（1）注漿錨索長度為2.5 m，直徑為17.8 mm，注漿錨索施工在起底處底板上，每排施工兩根，錨索間距為3.0 m，排距為1.5 m，注漿錨索垂直底板布置［4］。

（2）首先采用鉆機進行注漿錨索鉆孔施工，鉆孔直徑為30 mm，鉆孔深度為1.5 m，鉆孔施工完后將一根直徑為8 mm注漿軟管捆綁在錨索上，并隨同錨索一同埋入至鉆孔內。

（3）注漿錨索安裝后將注漿軟管與注漿泵連接進行注漿施工。注漿液采用泥漿與水玻璃配比為1∶1.5 的混合液，注漿壓力為0.9 MPa，注漿長度為1.3 m，注漿后對孔口采用快速膨脹水泥進行封堵。

（4）起底處所有注漿錨索施工完成后，對起底處進行混凝土澆筑，混凝土水泥、沙子、石子，速凝劑配比為1∶2∶2∶0.5，水泥采用42#普通硅酸鹽水泥，澆筑后混凝土強度不得低于C30。

（5）澆筑期間必須采用振動泵進行攪拌均勻，當澆筑高度達0.8 m時確保澆筑面位于同一水平面上后在同一排注漿錨索上安裝一根長度為4.0 m工字鋼梁并進行預緊，見圖3。鋼梁安裝后繼續澆筑直至澆筑面與巷道設計底板面平整［5］。

圖3 3107 回風應力底鼓區聯合治理施工斷面（單位/mm）

4 結語

截止2020年3月21日3107 工作面已回采至610 m處，且完全通過F6斷層影響區。對3107 回風巷應力底鼓區采取聯合治理措施后，通過現場觀察發現，采取治理措施后工作面在應力區回采過程中未出現嚴重底鼓現象，當工作面揭露F6斷層時應力區最大底鼓量僅為0.3 m，兩幫平均收縮量不足0.4 m，大大提高了巷道成型率，工作面后期回采期間未出現支架移架困難現象，工作面平均回采速度提高至6.1 m/d。

1）對底鼓區施工水力膨脹錨桿后，解決了傳統錨桿在應力破碎區錨固效果差等技術難題，大大削弱了應力破壞作用，控制了底板裂隙區范圍擴大，避免了地應力在底板裂隙區釋放，造成底板鼓起、斷裂現象。

2）通過對3107 回風巷底鼓區安裝L型鋼棚后，提高了巷幫及底板支撐作用力，避免了應力傳遞作用導致煤壁片幫現象，防止了煤壁支撐強度低，出現巷幫插底，造成兩幫對底板產生切底破壞作用。

3）對巷道采取注漿錨索后，加強了底鼓區破碎巖體整體穩定性，提高了巖體柔性，降低了應力破壞作用導致底板破碎現象；同時，水力膨脹錨桿屬柔性錨桿，進一步提高了底板穩定性，有效阻止了底鼓現象。