高應力軟巖巷道底鼓治理技術研究

邢立召，秦慶舉，李永紅，席 明，年伏軍

（陜西金源招賢礦業有限公司，陜西 寶雞 721500）

底鼓是一個復雜的動力現象，與地應力、工程地質條件及施工技術等多種因素有關，因此底鼓一直是煤礦巷道支護的難題。招賢礦大巷所處層位的巖石組分含有伊利石、蒙脫石及高嶺石，為極易親水性圍巖，遇水膨脹或極易風化，巷道掘進成巷后北翼輔助運輸大巷、帶式輸送機巷及副立井井底車場局部地段頂、幫漿皮開裂，底鼓嚴重，初期礦井采用臥底法治理底板，但僅滿足短時巷道的底鼓控制，治理效果欠佳。綜上所述，需對巷道底鼓機理和治理技術進行研究。

1 大巷底鼓機理分析

1.1 招賢礦大巷底鼓機理確定

根據巷道底鼓形成的力學作用機理，巷道底鼓可以分為5 種類型[1]，即擠壓變形性底鼓、擠壓撓曲性底鼓、剪切性底鼓、遇液體膨脹性底鼓和復合型底鼓。

招賢礦業北翼大巷及北翼帶式輸送機大巷幫頂破壞、底鼓嚴重點均為變坡點前后，該處存在一條麥里溝向斜褶曲構造。根據招賢礦大巷圍巖變形破壞情況，招賢礦巷道底鼓類型為遇水膨脹型底鼓和擠壓流動型底鼓2 種形式的組合。

1.2 周邊礦井工程實例

1.2.1 郭家河礦I盤區西翼輔運下山[2]

郭家河礦I盤區西翼輔運下山穿越5 條褶曲和2 條斷層，其中褶曲構造包括3 條向斜和2 條背斜，斷層包括F+1 斷層和F16 斷層。圍巖以炭質泥巖為主，炭質泥巖主要含有伊蒙混層礦物，屬膨脹巖；底鼓類型為遇水膨脹型底鼓和擠壓流動型底鼓2種形式的組合；采用反底拱+錨注修護后聯合支護。

治理效果：頂底板、兩幫約在15 d 后變形量基本穩定，兩幫變形量最大達到12 mm。

1.2.2 崔木煤礦北翼回風大巷[3]

崔木煤礦北翼回風大巷位于花園陽坡向斜軸部，地應力實測其構造水平應力高達28.8 MPa。北翼回風大巷沿3#煤層下部掘進，預留2～4 m 底煤。煤層老頂以細或中粒砂巖為主，巖性較為穩定，厚度為10.3 m，抗壓強度為29.4 MPa；直接頂多為炭質泥巖，厚度約為2.8 m，抗壓強度為22.7 MPa；直接底板多為炭質泥巖，水平層理，厚度不穩定，其下部為鋁質泥巖，厚度為3.9～4.4 m，巖性破碎、極易風化，遇水潮解，抗壓強度為18.4 MPa。采用高預緊力全長錨固錨桿+幫部錨索二次補償支護。

治理效果：跟蹤監測100 d 左右，兩幫位移量為80 mm，頂底板移進量為120 mm。

1.2.3 亭南礦井西翼軌道大巷[4]

亭南礦井西翼軌道大巷埋深為463 m，底板無支護，底板巖層遇水極易軟化膨脹，底鼓嚴重，最大底鼓量達到500 mm，多次挖底返修。采用反底拱+底角錨桿+補打幫部錨桿的支護和鋪設隔水層防治水措施。

治理效果：兩幫累計位移最大值為7 mm；頂板下沉累計最大值為2 mm，底鼓量最大值只有10 mm。

從工程實例能看出，工程實例中的圍巖中均含有膨脹性的高嶺土、蒙脫石；巷道埋深為305～463 m；巷道的支護均為錨網噴+錨索支護；巷道有位于向斜軸部，褶曲和斷層的地質構造。這些工程實例中都出現了巷道底鼓和圍巖破裂，導致工程不能正常使用。對于巷道底鼓和圍巖變形破裂采取的防治措施均為底板加固。加固后的變形觀測圍巖移近量均在100 mm 以內，圍巖變形得到了有效控制。

2 招賢礦大巷底鼓治理方案

2.1 “頂板完整+兩幫完整”的底鼓治理方案

2.1.1 工程概況

井底車場繞道三岔門至消防材料四岔門段軌道大巷，總長約200 m，巷道采用直墻半圓拱斷面，凈寬×凈高=5 000 mm×4 700 mm 錨網梁索噴支護，該段巷道頂幫完好底板持續底鼓多次臥底翻修效果不明顯。

2.1.2 治理方案

治理采取的支護方式為：臥底+底板錨網梁索+底板錨桿+底板注漿+噴射混凝土。

首先將多次修復后破碎的底板清理，然后采用錨網梁噴對底板進行加固處理。錨桿為Φ22 mm、長度L=2 400 mm 的高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；注漿錨桿規格為Φ22 mm、L=2 500 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm；配合錨桿使用的鋼筋梯子梁垂直于巷道布置，配合注漿錨桿使用的鋼筋梯子梁平行于巷道布置；采用的注漿錨索為Φ21.8 mm、L=5 000 mm，配合L=3 800 mm 的36U 型鋼平行于巷道方向，錨索間距為1 600 mm。錨桿注漿張拉后，預緊力不小于210 kN，張拉后錨桿外露為100 mm。噴射混凝土，巷道全斷面進行噴漿，強度等級為C20，噴漿厚度為100 mm。

2.1.3 治理效果

支護完成后，在大巷F7 測點前10 m 至前40 m 位置處進行巷道圍巖表面收斂變形監測，每間隔5 m 布置一組測試斷面，測量巷道頂底板相對移近、頂板下沉及底鼓量、兩幫相對移近等。觀測點數據如圖1 所示，圖中數據顯示，巷道位移量變化較小，兩幫未出現明顯的變形，頂底板移近量最大值為16 mm，達到預期效果。

圖1 F7 測點前10 m 至前40 m 段巷道觀測點頂底板移近量變化圖

2.2 “頂板完整+兩幫開裂”的底鼓治理方案

2.2.1 工程概況

北翼膠帶輸送機大巷P11 測點前20 m 至前40 m段，巷道采用直墻半圓拱斷面，凈寬×凈高=5 400 mm×4 700 mm 錨網梁索噴支護，該段巷道頂板完整，兩幫開裂，底板鼓起。

2.2.2 治理方案

治理采取的支護方式為：刷幫補打錨索+底板反拱梁+底板錨桿+噴射混凝土。

幫補打錨索為Φ21.8 mm×7 300 mm、1×19 芯結構的鋼絞線，每排4 根；間排距為1 800 mm×1 200 mm；錨索托盤為300 mm×300 mm×15 mm 的碟形托盤；樹脂錨固劑為Z2370 樹脂藥卷和K2335 樹脂藥卷；每根錨索2 支Z2370 和1 支K2335 樹脂藥卷，錨固長度為2 472.36 mm，預緊力不低于210 kN，拉拔力為500 kN。底板反拱梁采用U36 彎曲成反拱形，矢跨比為0.2，反拱梁中點與2 個端點的垂距為1 250 mm。錨桿為Φ22 mm×2 400 mm 左旋無縱筋超強螺紋鋼錨桿，錨桿對稱布置，間排距為1 200 mm×1 200 mm，每排5 根；采用Φ28 mm 鉆頭施工，每根錨桿1 支Z2370 和1 支K2335 樹脂藥卷，錨固長度為1 555.88 mm，預緊力矩不小于240 N·m，拉拔力為127 kN。噴射混凝土，巷道全斷面進行噴漿，強度等級為C20，噴漿厚度為100 mm。

2.2.3 治理效果

支護完成后，在大巷P11 測點前20m 至前40 m段處進行巷道圍巖表面收斂變形監測，每間隔5 m 布置一組測試斷面，測量巷道頂底板相對移近、頂板下沉及底鼓量、兩幫相對移近等。觀測點數據如圖2 所示，圖中數據顯示，斷面位移量變化較小，兩幫收斂沒有出現明顯的變形，最大值為16 mm，其中左幫變化最大值為11 mm，右幫變化最大值為5 mm ；頂板下沉也沒有出現明顯的變化，最大值為13 mm。

材料圖文并茂，圖片材料呈現“玄奘西游”（中印）和“鑒真東渡”（中日），可以將兩個信息源升華成“中外文化交流”一個對象。文字材料反映了玄奘西游推動了佛教傳播和中印外交史研究。鑒真東渡把先進的中華文明傳播到日本，推動了日本社會的進步。可以將這兩個信息源升華成“人類文明”或“世界文明”的發展。這兩個對象之間可以構成因果邏輯關系，因此，這個“全開”式論題基本確定，即論題1（觀點）：中外文化交流推動了人類文明的發展。而參考答案提供的論題2（觀點）：中國為世界文明的發展做出貢獻。按此法擬定的論題和參考答案提供的高度相似。

圖2 P11 測點前20 m 至前40 m 段巷道觀測點斷面位移量變化圖

2.3 “頂板下沉+兩幫開裂”的底鼓治理方案

2.3.1 工程概況

北翼膠帶輸送機大巷P10 測點前10 m 至前25 m段，巷道采用直墻半圓拱斷面，凈寬×凈高=5 400 mm×4 700 mm 錨網梁索噴支護，該段巷道頂板開裂下沉、兩幫開裂、底板鼓起。

2.3.2 治理方案

治理采取的支護方式為：U 形棚+頂板和幫部補打錨索+底板反拱梁+底板錨桿+噴射混凝土。

U 形棚采用U36 可縮型U 形棚，排距為600 mm。幫部補打錨索為Φ21.8 mm×7 300 mm、1×19 芯結構的鋼絞線，每排7 根；間排距為1800 mm×1 200 mm；錨索托盤為300 mm×300 mm×15 mm 的碟形托盤；樹脂錨固劑為Z2370 樹脂藥卷和K2335 樹脂藥卷；每根錨索2 支Z2370 和1 支K2335 樹脂藥卷，錨固長度為2 472.36 mm，預緊力不低于210 kN，拉拔力為500 kN。底板錨桿為Φ22 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排5 根；采用Φ28 mm 兩翼復合片鉆頭施工，每根錨桿1 支Z2370 和1 支K2335 樹脂藥卷，錨固長度為1 222 mm，預緊力矩不小于300 N·m，拉拔力為129 kN。底板反拱梁采用礦用U 型鋼彎曲成反拱形，反拱梁中點與2 個端點的垂距為1 250 mm。噴射混凝土，巷道全斷面進行噴射混凝土施工，強度等級為C20，噴漿厚度為100 mm。

2.3.3 治理效果

支護完成后，在大巷P10 測點前10 m 至前25 m段進行巷道圍巖表面收斂變形監測，每間隔5 m 布置一組測試斷面，測量巷道頂底板相對移近、頂板下沉及底鼓量、兩幫相對移近等。觀測點數據如圖3 所示，圖中數據顯示，斷面位移量變化較小，兩幫收斂沒有出現明顯的變形，最大值為15 mm，其中左幫變化最大值為11 mm，右幫變化最大值為4 mm；頂板下沉也沒有出現明顯的變化，最大值為15 mm。

圖3 P10 測點前10 m 至前25 m 段巷道觀測點斷面位移量變化圖

2.4 “頂板下沉開裂嚴重+兩幫開裂+底鼓多次翻修”的治理方案

2.4.1 工程概況

北翼輔助運輸大巷中點Y12 測點前50 m 至F11 測點后25 m 段，巷道采用直墻半圓拱斷面，凈高×凈寬=4 700 mm×5 200 mm。該段巷道頂板下沉開裂嚴重，兩幫開裂，底板持續底鼓，每次臥底翻修效果不明顯。

2.4.2 治理方案

采取的支護方式為：U 形棚+頂板和幫部補打錨索+底板反拱梁+底板錨桿+噴射混凝土+全斷面注漿。U形棚采用U36 可縮型U 形棚，排距為600 mm。

幫部補打錨索為Φ21.8 mm×7 300 mm、1×19 芯結構的鋼絞線，每排7 根；間排距為1 800 mm×1 200 mm；錨索托盤為300 mm×300 mm×15 mm 的碟形托盤；樹脂錨固劑為Z2370 樹脂藥卷和K2335 樹脂藥卷；每根錨索2 支Z2370 和1 支K2335 樹脂藥卷，錨固長度為2 472.36 mm，預緊力不小于210 kN，拉拔力為500 kN。底板錨桿為Φ22 mm×2 400 mm 左旋無縱筋超強螺紋鋼錨桿，錨桿對稱布置，間排距為1 20 0 mm×1 200 mm，每排5 根；采用Φ28 mm 鉆頭施工，每根錨桿1 支Z2370 和1 支K2335 樹脂藥卷，錨固長度為1 555.88 mm，預緊力矩不小于240 N·m，拉拔力為127 kN。底板反拱梁采用U36 彎曲成反拱形，矢跨比為0.2，反拱梁中點與兩個端點的垂距為1 250 mm。噴射混凝土，巷道全斷面進行噴漿，強度等級為C20，噴漿厚度為100 mm。

全斷面注漿：高強注漿錨桿規格為Φ22 mm×3 000 mm，采用無縫鋼管制作，厚度為4 mm，桿體上設置Φ6 mm 注漿孔，1 個樹脂錨固藥卷端錨，封孔采用快硬水泥藥卷，高強注漿錨桿間排距為1 500 mm。注漿參數[5]選擇如下：注漿材料采用凱密安JUST-2 型快速注漿材料，漿液水灰比為0.3∶1～0.7∶1。注漿量首先要控制泵壓，在圍巖內泵壓達到4.0 MPa 時應停止注漿；其次要根據相鄰鉆孔跑漿量來決定，相鄰鉆孔一旦跑漿應停止注漿。注漿壓力為2.0～3.0 MPa，最大注漿壓力為4.0 MPa。一般單孔注漿時間取2～6 min。

2.4.3 治理效果

治理工程完成后，在北翼輔助運輸大巷中點Y12點前50 m 至點前70 m 位置處與F11 點前5 m 至F11點后25 m 段，設置圍巖觀測站，每間隔5 m 布置一組，測量巷道頂、頂板離層量、頂板下沉量及底鼓量、兩幫相對移近等。觀測點數據如圖4 所示，圖中數據顯示，斷面位移量變化較小，兩幫收斂沒有出現明顯的變形，移近值為13 mm，其中左幫移近值為1 mm，右幫移近值為12 mm ；頂板下沉也沒有出現明顯的變化，最大值為5 mm。

圖4 Y12 測點前50 m 至F11 測點后25 m 段巷道觀測點斷面位移量變化圖

3 應用效果及評價

招賢煤礦大巷的地質構造、圍巖性質、水的作用和支護方式是產生圍巖變形破壞的重要因素，大巷底鼓變形類型屬于遇水膨脹型底鼓和擠壓變形型底鼓2種形式的組合。采用工程類比法，根據工程條件相似性分別參考了郭家河礦I盤區西翼輔運下山、崔木煤礦北翼回風大巷及亭南礦井西翼軌道大巷3 個巷道圍巖變形破壞翻修治理的工程實例。根據招賢煤礦大巷底鼓機理不同制定了相應治理方案，通過對治理后巷道圍巖表面收斂變形進行監測，測量巷道頂底板相對移近、頂板下沉及底鼓量、兩幫相對移近等數據，巷道治理達到預期效果能夠滿足安全生產需要。