深部開采大斷面軟巖巷道底鼓防治技術(shù)研究

（山西潞安工程有限公司 山西 046102）

隨著礦井采掘深度的不斷增加，巷道圍巖控制面臨的問題不斷增加，特別是在高應(yīng)力、軟巖巷道，圍巖控制更為困難。一般情況下，巷道圍巖控制時(shí)注重對(duì)頂板、巷幫控制，而忽視對(duì)底板支護(hù)，而當(dāng)?shù)装鍘r層松軟時(shí)底板往往是整個(gè)圍巖支護(hù)體系中的薄弱環(huán)節(jié)。巷道在高應(yīng)力作用下軟巖巷道底板會(huì)首先出現(xiàn)底鼓，進(jìn)而引起巷幫以及頂板變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致圍巖支護(hù)體系失效。眾多的研究學(xué)者、工程技術(shù)人員等對(duì)巷道底鼓機(jī)理、防治技術(shù)等展開研究，并提出以強(qiáng)化底板巖層強(qiáng)度、頂板及巷幫支護(hù)、圍巖卸壓等為核心的底鼓防治技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用取得顯著成果。受到礦井開采煤層賦存條件差異影響，不同礦井巷道底鼓發(fā)生原因各不相同，應(yīng)針對(duì)性的開展底鼓防治技術(shù)。為此，文中就對(duì)6502運(yùn)輸巷底鼓防治技術(shù)展開分析，以期為其他深部開采礦井底鼓防治工作開展提供借鑒。

1.工程概況

表1 頂?shù)装鍘r性

某礦6502綜采工作面主采6#煤，埋深平均680m，厚度5.3m，采面設(shè)計(jì)推進(jìn)距離為1890m、切眼長度205m。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。6502運(yùn)輸巷沿著6#煤底板掘進(jìn)，斷面為半圓拱形，根據(jù)地質(zhì)資料顯示，運(yùn)輸巷掘進(jìn)至1530m位置時(shí)會(huì)揭露DF35（H=3.6m，152°∠74°）、DF35（H=4.8m，202°∠65°），受到該斷層影響巷道圍巖較為破碎。巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，未加固底板，頂板以及巷幫支護(hù)強(qiáng)度較高。但是巷道在后續(xù)使用過程中在1530-1560m范圍內(nèi)（即為斷層影響范圍）底板底鼓嚴(yán)重，最大底鼓量達(dá)到680mm，給巷道正常使用帶來影響。

2.底鼓影響因素分析

分析巷道底鼓發(fā)生原因，對(duì)提出針對(duì)性的底鼓防治技術(shù)具有顯著意義。一般情況下，底鼓發(fā)生與圍巖應(yīng)力、巖性參數(shù)、水等因素有關(guān)。文中就從地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造以及水等方面對(duì)底鼓發(fā)生原因進(jìn)行分析。

（1）高地應(yīng)力。由于6502運(yùn)輸巷埋深平均680m，巷道圍巖受到較大的地應(yīng)力影響且地應(yīng)力分布較為復(fù)雜。通過應(yīng)力接觸法對(duì)巷道掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)最大水平應(yīng)力、最大垂向應(yīng)力分別為20.6MPa、17.5MPa，水平應(yīng)力高于垂向應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)約為1.18。在高地應(yīng)力作用下底板容易底鼓。

（2）地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。底鼓發(fā)生區(qū)域發(fā)生在DF35（H=3.6m，152°∠74°）、DF35（H=4.8m，202°∠65°）斷層影響區(qū)，在影響區(qū)域內(nèi)巷道底板巖層破碎、穩(wěn)定性降低，同時(shí)該區(qū)域存在較大的構(gòu)造應(yīng)力。抵構(gòu)造應(yīng)力、地應(yīng)力共同作用下導(dǎo)致底板破碎巖層出現(xiàn)一定量底鼓。

（3）巷道底板在斷層影響下較為破碎，同時(shí)巷道底板巖層巖性以炭質(zhì)泥巖、泥巖為主，脆性大、強(qiáng)度低、遇水容易軟化。在斷層作用下底板巖層破碎，頂板淋水以及底板中弱含水層水會(huì)經(jīng)裂隙滲透入至巖層中，從而進(jìn)一步降低底板強(qiáng)度。

綜合分析主要是由于該范圍內(nèi)頂板巖層破碎且松軟，加之巷道支護(hù)時(shí)未對(duì)底板對(duì)底板加強(qiáng)支護(hù)，導(dǎo)致底板在地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、水作用下出現(xiàn)明顯底鼓，給巷道正常使用帶來不利影響。

3.底鼓防治技術(shù)

根據(jù)以往研究成果并結(jié)合礦井以往底鼓治理經(jīng)驗(yàn)，提出采用底板聯(lián)合加固方式對(duì)底鼓進(jìn)行防治。具體施工時(shí)先拉低，使巷道底板恢復(fù)原狀，隨后再加固底板，待加固完成后再回填矸石至設(shè)計(jì)高度。最終在底板噴射厚度100mm混凝土。

(1)淺部注漿

受到斷層影響巷道底板巖層破碎，若直接采用錨桿、錨索加固則存在錨桿、錨索安設(shè)困難問題。為此，在對(duì)底板拉底處理后，先對(duì)破碎巖層進(jìn)行注漿加固，隨后在施工錨桿、錨索支護(hù)底板。

現(xiàn)場施工時(shí)，在巷道底板上按照2000mm×3000mm對(duì)稱施工2個(gè)注漿鉆孔，在孔內(nèi)安設(shè)φ20mm×1500mm鍍鋅鋼管，注漿管布置后外露長度控制在100mm以內(nèi)。注漿孔采用YTP-26鉆機(jī)配合φ28mm風(fēng)鉆頭鉆進(jìn)，使用的鉆桿單節(jié)長度為1600mm。

(2)底板加固

①錨桿、鋼帶及金屬網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)加固。底板加固采用錨桿+M鋼帶+菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，M鋼帶垂直巷道掘進(jìn)方向布置。支護(hù)采用的屈服強(qiáng)度500MPa、規(guī)格φ22mm×2500mm螺紋鋼錨桿，按照750mm×00mm間排距布置，每排布置6根錨桿，每根錨桿采用2支規(guī)格MSM2350錨固劑錨固，施加的預(yù)緊力矩在250N·m以上；采用的M鋼帶長度4000mm，每隔750mm開一個(gè)孔，一根M鋼帶固定6根錨桿；金屬網(wǎng)采用鍍鋅鉛絲編制而成，網(wǎng)孔為200mm×200mm，網(wǎng)片間搭接距離在100mm-200mm。具體底板加固設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 底板加固設(shè)計(jì)方案

②注漿錨固施工。底板采用錨網(wǎng)+短鋼梁進(jìn)行加固，具體如圖1所示，每布置3根錨索采用1根鋼梁固定，鋼梁布置在金屬網(wǎng)上面。鋼梁為長度3000mm的12#槽鋼，錨索為φ21.6mm×6300mm的中空注漿錨索，排距1300mm、間距1500mm。每根錨索采用2支型號(hào)MSM2350樹脂錨固劑錨固。錨索鉆孔通過ZQJC-360/7.1鉆機(jī)鉆進(jìn)。注漿錨索施工完畢后，從1530m位置向1560m位置依次注漿，注漿前采用水泥漿封堵錨索孔口，避免跑漿。注漿漿液為水灰比0.8-1:1的水泥漿（水泥為普通硅酸鹽水泥），注漿壓力為0.8-1.5MPa。注漿結(jié)束48h后，在錨索端頭安裝鋼梁、托盤（90mm×90mm×10mm）并進(jìn)行張拉，施加的預(yù)緊力在36MPa以上。

③底板混凝土澆筑。待錨索張拉完成后，在巷道底板上澆筑厚度100mm、強(qiáng)度為C20混凝土，充分提高底板強(qiáng)度及穩(wěn)定性。文中所提底鼓防治技術(shù)具有下述主要優(yōu)勢：A.充分發(fā)揮注漿+錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼梁等耦合支護(hù)技術(shù)優(yōu)勢，支護(hù)完成后底板巖層與支護(hù)體系形成一個(gè)整體，提高底板巖層整體強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，并將底板應(yīng)力集中向深部轉(zhuǎn)移；B.底板澆筑混凝土為被動(dòng)支護(hù)，可提高淺部巖層抵抗變形能力；C.提出的底鼓防治措施可以頂板、巷幫支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成完整的圍巖支護(hù)體系，從而控制圍巖巷道變形。

4.現(xiàn)場應(yīng)用分析

為了檢測底鼓防治技術(shù)應(yīng)用效果，對(duì)采取底鼓防治措施的巷道圍巖變形進(jìn)行檢測，具體檢測結(jié)果見圖2。

圖2 圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

從變形檢測結(jié)果得知：（1）巷道采取底鼓防治技術(shù)后，底鼓量、巷幫收斂以及頂板下沉量得以有效控制，其中底鼓量最大為57mm、巷幫最大收斂量為37mm、頂板最大下沉量為42mm，表明巷道采取的底鼓防治措施取得顯著成果；（2）底鼓防治措施施工10d后底鼓變形量顯著小于巷幫及頂板收斂量，施工10-40d后底鼓變形量基本平穩(wěn)，施工完成50d后底鼓量基本不在增加，底鼓防治措施起到顯著圍巖控制作用。通過對(duì)底鼓加固可將巷幫傳動(dòng)的應(yīng)力向深度轉(zhuǎn)移，并提升巷道底板巖層強(qiáng)度及穩(wěn)定性，從而降低底鼓量。

因此，在深部大斷面軟巖巷道掘進(jìn)中，采用錨桿+鋼帶+金屬網(wǎng)并結(jié)合注漿錨索可有效控制底板變形，可起到有效的圍巖控制效果。

5.總結(jié)

（1）6502運(yùn)輸巷底鼓主要原因是巷道埋深大，地質(zhì)構(gòu)造影響底板破碎、底板承載力不強(qiáng)，巷道支護(hù)僅強(qiáng)化頂板以及巷幫，從而導(dǎo)致底板在集中應(yīng)力作用下出現(xiàn)嚴(yán)重底鼓。（2）針對(duì)巷道底鼓原因并結(jié)合巷道圍巖地質(zhì)條件，提出以“注漿+錨網(wǎng)索梁”為核心的底鼓防治措施，現(xiàn)場應(yīng)用后，巷道底鼓量控制在57mm以內(nèi)，底鼓控制效果顯著。