松軟巷道底鼓治理技術應用

王虎強

（山西蘭花科創(chuàng)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048000）

0 引言

隨著煤炭資源向深部開采，采掘力度的逐年提升，巷道變形、圍巖應力集中的現(xiàn)象越發(fā)嚴重，頂板下沉、底板鼓起等問題時有發(fā)生。巷道掘進和煤層開采都會對底板巖層巷道的圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響[1-2]。大陽煤礦巷道直接底為砂質(zhì)泥巖與細砂巖，膠結程度差、結構疏松，并且容易破碎、風化，在巷道開掘后會對底鼓產(chǎn)生破壞[3-4]。

1 煤層頂?shù)装迩闆r

大陽煤礦目前開采3 號煤層，煤層結構復雜，埋深為324～438 m，平均厚度為6.3 m。3 號煤層偽頂為灰黑色泥巖，厚度為0～0.5 m。直接頂為灰黑色泥巖，局部有粗粉砂巖，中上部有小煤層，平均厚度為4.3 m。老頂為灰色中砂巖，平均厚度為8.8 m，硅鈣質(zhì)膠結，局部含大量白云母片，有時含炭質(zhì)條帶。由于頂?shù)装逡越Y構疏松的黑色薄層狀砂質(zhì)泥巖與細砂巖為主，隨采隨落，容易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，需要對可能出現(xiàn)的底鼓進行提前支護工作。

2 3 號煤層底板礦物組成分析

2.1 底板礦物成分分析

為了解底板巖性結構屬性，對底板巖樣進行采樣分析，并使用D/MAX-2400 型X-射線衍射光譜儀對礦物組成進行了定性、定量的分析。X-射線衍射光譜儀主要由主機、水冷循環(huán)系統(tǒng)、礦物分析工作站組成。需對煤巖樣品進行研磨，制成粒徑＜2 μm 的微粒后，再使用X-射線以1°/min 的2θ 掃描速度，最終分析數(shù)據(jù)見圖1 所示。

圖1 3 號煤直接底泥巖礦物成分X-衍射圖譜

對大陽煤礦3 號煤層直接底泥巖的測試結果見圖1 和表2 所示。測定結果表明，直接底泥巖主要為石英、高嶺石、蒙脫石和珍珠石組成，其中高嶺石、蒙脫石與珍珠石均為黏土礦物。經(jīng)計算得出石英質(zhì)量分數(shù)占48%～62%，平均55%；高嶺石質(zhì)量分數(shù)占11%～18%，平均14%；蒙脫石質(zhì)量分數(shù)占13%～19%，平均16%；珍珠石質(zhì)量分數(shù)14%，也就是說3 號煤層直接底泥巖中黏土礦物質(zhì)量分數(shù)高達48%～62%，遇水易膨脹的蒙脫石占比達10%。礦物分析數(shù)據(jù)表明直接底的力學強度較低，并且遇水易崩解。

2.2 底鼓原理分析

根據(jù)對大陽煤礦3 號煤層大巷的圍巖地質(zhì)力學特征（包括圍巖物理力學特性、水理崩解特性、礦物組成等）分析可知，造成大巷底鼓的原因主要包括：

1）應力狀態(tài)。巷道出現(xiàn)底鼓與所受應力的狀態(tài)有極大關系，3 號煤層巷道埋深較深，在巷道開始采掘后，圍巖所受應力由三向應力轉為二向應力，在應力狀態(tài)重新分布期間SIP 集聚的能量會快速釋放，是造成底板巖層破壞和出現(xiàn)底鼓的主要原因。

2）圍巖性質(zhì)。直接底為抗拉強度較低的泥巖，且泥巖中黏土礦物含量較高，遇水易膨脹的蒙脫石質(zhì)量占比達10%，且遇水會發(fā)生崩解。

3）支護狀態(tài)。3 號煤層大巷頂板與兩幫采用的是聯(lián)合支護，并未對底板進行有效保護，巷道在采掘過程中，圍巖應力將重新分布。此時，聚集在頂板和兩幫處的應力無法釋放便會向底板傳遞，造成底板起鼓、圍巖破壞。

綜上所述，3 號煤層大巷發(fā)生底鼓的類型屬于擠壓流動型底鼓，形成過程如圖2 所示。此類底鼓常見于兩幫和頂板巖層條件較好（或支護措施完善時），但底板巖層軟弱或缺乏支護處理的區(qū)域。在巷道掘進過程中圍巖應力會重新分布，聚集在頂板和兩幫的圍巖應力無法充分釋放而向底板傳遞，松軟結構的巖層底板受到擠壓傳向巷道中部，從而產(chǎn)生形變并出現(xiàn)底鼓。

圖2 擠壓流動型底鼓示意圖

3 3 號煤層大巷底鼓治理方案

3.1 方案1——U 型鋼反底拱+錨注支護

選擇高強度的U 型鋼反底拱+注漿錨桿+注漿錨索補強+混凝土對底板進行支護。U 型鋼反底拱的主要作用是提高底板圍巖的初始支撐力，阻止底板破碎巖體受力向巷道內(nèi)部釋放的可能性，降低底鼓變形量。錨桿、錨索及U 型鋼反底拱的具體參數(shù)設置如下：

1）底板注漿錨桿參數(shù)：型號GY28 的中空注漿錨桿，外徑為28mm，長度為2400mm，間排距為800mm×800 mm。

2）底板補強錨索形式和規(guī)格：采用Φ21.6 mm 注漿錨索，長度為6 300 mm。

3）U 型鋼反底拱參數(shù)：對巷道進行臥底后，即開始安裝U 型鋼，U 型鋼規(guī)格為U29 型鋼，拱弧水平長度為5 000 mm，弧長為5 500 mm，高度為1 000 mm，曲率半徑為3 600 mm。U 型鋼安裝完成后，通過U 型鋼中的預留孔安裝注漿錨桿。U 型鋼反底拱間距為800 mm，噴射混凝土厚度400 mm。通過錨桿注漿起到反底拱下部圍巖強度增強作用，可以有效預防圍巖的變形，該方法的特點在于施工較快，但治理效果有限。

3.2 方案2——鋼筋混凝土反拱+底板錨桿+底板錨索補強支護

3 號煤層巷道底板為泥巖，具有遇水易軟化、膨脹的特點，因此需在底板敷設隔水層來隔絕礦井水進入底板巖層。同時泥巖較松軟、結構松散，對應力的抵御能力有限，由此可以選擇在巷道底角或底板施工錨桿增強支護。鋼筋混凝土反拱具有較強的支護阻力，能使底板所受應力通過反拱傳遞至巷幫，進而減少巷道變形的可能性，在巷道底板為膨脹性軟巖中采用鋼筋混凝土反拱，其優(yōu)勢更為明顯。該方法的優(yōu)點在于防治效果好，但存在施工周期長、費用高的缺點。

3.3 方案3——底板中部切槽+底角錨索支護

底板中部切槽可以使支撐壓力峰值向巷道圍巖深部轉移，縮小巷道應力峰值范圍，同時卸壓槽為底板的變形提供了補償空間，使得巷道圍巖變形量減小。切槽寬為0.5 m，深為3 m。采用分次爆破對底板切槽，保證卸壓槽深度不低于3 m。另外，在底角補打錨索，可以起到以下作用：

1）阻止底板塑性區(qū)發(fā)展。進入采掘工作后，巷道底板尤其是兩底角隨之產(chǎn)生較大的水平應力集中。3號煤層底板為軟弱巖層更容易受到二次破壞。隨著時間的推移，塑性區(qū)向其他部位擴展，進行底板錨索可以明顯增強圍巖強度，降低塑性區(qū)的影響程度。

2）阻止底板巖體塑性流動。類似于平面應變條件下地基的滑動面形狀，即主動應力區(qū)、過渡區(qū)和被動應力區(qū)，在底角方向布置錨桿（索），主動應力區(qū)的底板巖層動就必須克服錨桿（索）阻力，如果該阻力足夠大則可以使應力區(qū)的巖體保持受力均衡，弱化底鼓發(fā)生的可能性。

3）減少兩幫下沉。底角的錨索可以減少兩幫和頂板巖體的垂直位移，對維護巷道圍巖整體穩(wěn)定性起到積極作用。

3.4 治理方案經(jīng)濟比較

經(jīng)核算，方案1 中混凝土施工總長260 m，需要約330 塊混凝土磚塊，混凝土磚塊經(jīng)地面加工完成后運至井下壘砌，每日施工20 m，施工周期13 d，以單價為1 800 元/m 計算則需投資23.4 萬元，同時需要疊加大量錨桿及其耗材的投入，總費用約為60 萬元；方案2 需混凝土施工總長320 m，需要約400 塊混凝土磚塊，單日施工費用與方案1 相近，費用達到54 萬元，錨桿投資約30 萬元，總計投資84 萬元；方案3 采用掘進機施工，預計工期15 d，總費用50 萬元，同時可以保留大量煤炭資源。因此，最終采用方案3 進行底鼓防治。

4 底鼓治理效果

在3306 回采工作面生產(chǎn)過程中，根據(jù)巷道受礦壓的影響頻次設置了3 個位移觀測站，分別距切眼50 m、100 m 和150 m，3 個測點的底鼓變形趨勢基本一致，距離切眼越近則底鼓量越小，并且所有的測定在30 d 時趨于穩(wěn)定，最大底鼓量為出現(xiàn)在測點3，達到24 mm，對生產(chǎn)幾乎沒有影響。

5 結論

1）大陽煤礦3 號煤層大巷底鼓為擠壓流動型。底鼓主要影響因素是高水平應力、直接底為厚3.65 m的軟弱泥巖、底板無支護。

2）大陽煤礦3 號煤層大巷底鼓治理建議方案有3 種，最終選用底板中部切槽+底角錨索支護的治理方式。經(jīng)過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，最大底鼓量約為24 mm，在3 號煤層掘進期間并不影響井下正常生產(chǎn)。