深部軟巖巷道底鼓機(jī)理與治理技術(shù)研究

袁長(zhǎng)才

（寧夏寶豐集團(tuán)紅四煤業(yè)有限公司）

軟巖巷道支護(hù)是困擾當(dāng)前煤礦開采的一大難題。由于軟巖自身強(qiáng)度低、遇水軟化膨脹、易破壞等特點(diǎn)，在高應(yīng)力作用下，巷道底板易出現(xiàn)底鼓，導(dǎo)致維修費(fèi)用巨大［1-4］。目前，我國(guó)眾多學(xué)者對(duì)軟巖底鼓發(fā)生機(jī)理與防治進(jìn)行了大量研究。張官禹等［5］分析了底板巖層結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)及支護(hù)強(qiáng)度等因素對(duì)底鼓的影響，并提出錨梁+錨桿+網(wǎng)噴+澆筑混凝土的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)治理底鼓；張杰等［6］通過載荷及水理作用分析了底鼓發(fā)生機(jī)理，并提出開挖卸壓槽的措施治理底鼓。雖然對(duì)底鼓的研究較多，但由于軟巖受底板水影響及錨固支護(hù)的作用有限，對(duì)底鼓的控制難度較大。本研究通過分析某礦8110 運(yùn)輸巷底板變形規(guī)律機(jī)理，提出底板超挖錨桿加固回填的支護(hù)方案控制底鼓，以基本提高巷道底板的穩(wěn)定性。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工作面概況

8110 工作面位于某礦八采區(qū)北翼東部，北側(cè)為設(shè)計(jì)8112 工作面，東側(cè)為8008 工作面采空區(qū)，西側(cè)為八采區(qū)3 條大巷，南側(cè)為實(shí)體煤。工作面主采8#煤層，平均煤層厚度3.5 m，平均傾角2.5°。工作面運(yùn)輸巷沿5#煤頂板掘進(jìn)，頂板由泥巖、中砂巖及中粒砂巖等組成，底板由泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖等組成。巷道掘進(jìn)后受頂板砂巖水影響，底板遇水軟化膨脹，巷道底板變形速率及變形量大，造成巷道反復(fù)返修，影響工作面回采速率。

1.2 底鼓特征

8110 工作面運(yùn)輸巷未受采動(dòng)影響前，底板變形量較小；隨著工作面的回采，采動(dòng)對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響逐漸變大，巷道底板變形量增加。通過沿著巷道走向方向布置2個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)30 d內(nèi)巷道底板變形量，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

由圖1 可知，隨著監(jiān)測(cè)測(cè)站與工作面的距離減小，8110 運(yùn)輸巷底鼓量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，在監(jiān)測(cè)30 d 內(nèi)巷道最大底鼓量為300 mm。當(dāng)測(cè)站距工作面80 m 處，巷道底鼓量較小，變形速率較慢；距工作面35～80 m 處，巷道底鼓量逐漸增加，變形速率有所增快；距工作面10～35 m 處，巷道底鼓量增加較快，變形速率明顯加快，此時(shí)巷道底板處于劇烈變形階段。8110 運(yùn)輸巷底鼓對(duì)巷道運(yùn)輸、行人等影響較大，需要對(duì)巷道進(jìn)行反復(fù)返修，嚴(yán)重制約工作面的回采速率。

2 底板變形規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

采用數(shù)值模擬8110 運(yùn)輸巷底板塑性區(qū)分布情況，研究底板變形破壞規(guī)律。建立長(zhǎng)×寬×高=538 m×54 m×100 m 的力學(xué)模型，X、Y、Z方向分別施加5.6，6.37，9.16 MPa 應(yīng)力，XY平面施加2.01 MPa 剪應(yīng)力，力學(xué)參數(shù)如表1所示。

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2.2 模擬結(jié)果分析

工作面超前不同距離時(shí)，8110 運(yùn)輸巷底板塑性區(qū)分布情況和底板破壞情況如圖2所示。

由圖2可知，8110運(yùn)輸巷底板塑性破壞范圍與距工作面距離呈負(fù)相關(guān)，塑性破壞主要集中在底板及兩幫底部。當(dāng)工作面超前5 m 時(shí)，巷道受采動(dòng)影響劇烈，底板塑性區(qū)范圍最大，底板塑性破壞嚴(yán)重，最大破壞深度為2.25 m；當(dāng)工作面超前10～20 m 時(shí)，底板塑性區(qū)范圍逐漸減小，最大破壞深度為2 m；當(dāng)工作面超前25 m 后，巷道受采動(dòng)影響程度明顯減小，底板塑性區(qū)范圍逐漸區(qū)域穩(wěn)定，穩(wěn)定后最大破壞深度為1.75 m。

3 底鼓影響因素分析

3.1 底板巖性和結(jié)構(gòu)狀態(tài)

巷道的底板巖性和結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定著底鼓的大小及形態(tài)。當(dāng)?shù)装鍘r層堅(jiān)硬、強(qiáng)度高時(shí)，較為穩(wěn)定，一般不發(fā)生底鼓；當(dāng)?shù)装鍘r層較軟、強(qiáng)度低時(shí)，穩(wěn)定性較差，易形成應(yīng)力集中區(qū)，造成失穩(wěn)而出現(xiàn)底鼓。

8110 運(yùn)輸巷底板由泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖等軟巖組成，巖層強(qiáng)度低，遇水易崩解軟化，底板及兩幫底部未采用有效的支護(hù)措施，底板巖層穩(wěn)定性差，發(fā)生塑性破壞，出現(xiàn)大范圍底鼓。

3.2 水理作用

巷道底板積水會(huì)加劇底鼓的程度，部分黏土巖層遇水后易崩解軟化，巖層強(qiáng)度降低，穩(wěn)定性變差；部分含蒙脫石巖層遇水后易發(fā)生膨脹，進(jìn)一步加劇底鼓。同時(shí)，底板積水不僅影響巷道底板巖層，還隨著裂隙擴(kuò)張至底板深處，對(duì)深部巖層強(qiáng)度及體積產(chǎn)生影響，進(jìn)一步影響巷道底鼓程度。

3.3 采動(dòng)應(yīng)力

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采用數(shù)值模擬分析8110 運(yùn)輸巷最大主應(yīng)力分布情況，研究采動(dòng)應(yīng)力對(duì)底鼓的影響，超前工作面不同距離時(shí)巷道最大主應(yīng)力分布情況如圖3所示，最大主應(yīng)力值如表2所示。由圖3、表2 可知，8110 運(yùn)輸巷最大主應(yīng)力與工作面距離呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)工作面超前5～10 m 時(shí)，巷道受采動(dòng)影響劇烈，兩幫和底板最大主應(yīng)力分別為21.15，11.65 MPa；當(dāng)工作面超前20～30 m 時(shí)，隨著與工作面的距離逐漸增加，巷道受采動(dòng)影響逐漸減弱，兩幫和底板最大主應(yīng)力緩慢減小；當(dāng)工作面超前30 m時(shí)，巷道受采動(dòng)影響較弱，圍巖逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，兩幫和底板最大主應(yīng)力分別為19.45 MPa 和11.05 MPa。

4 底鼓治理技術(shù)

針對(duì)8110 運(yùn)輸巷底板變形規(guī)律及原因，提出底板超挖錨桿加固回填的支護(hù)方案，即首先對(duì)底板開挖一定深度進(jìn)行超前卸壓；然后對(duì)底板施加錨桿支護(hù)，改變底板巖層力學(xué)狀態(tài)，控制底板塑性變形破壞；最后采用高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行回填，加強(qiáng)底板巖層的強(qiáng)度和承載能力，并阻斷水與底板巖層的接觸，具體支護(hù)如圖4所示。

由圖4 可知，8110 運(yùn)輸巷首先進(jìn)行底板開挖，開挖深度為200～300 mm。隨后進(jìn)行錨桿支護(hù)，選用φ20 mm×2 500 mm 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間距800 mm，排距800 mm，底板每排布置6 根錨桿，其中，靠幫部2 根錨桿傾斜布置，與垂直方向夾角20°，其余4根垂直布置。幫部底角處各傾斜布置1根錨桿，與水平方向夾角45°。最后采用C30高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行回填，避免與水接觸，提高底板巖層強(qiáng)度。

5 效果檢驗(yàn)

采用底板超挖錨桿加固回填的支護(hù)方案后，通過監(jiān)測(cè)巷道底鼓量驗(yàn)證治理效果，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

由圖5 可知，支護(hù)后8110 運(yùn)輸巷底鼓量有了明顯減小，在監(jiān)測(cè)的30 d 內(nèi)最大底鼓量?jī)H為58 mm，比支護(hù)前降低了80.67%。因此，底板超挖錨桿加固回填的支護(hù)方案治理效果明顯，有效改善了底板塑性變形破壞，避免巷道反復(fù)返修，提高了工作面的回采速率。

6 結(jié) 論

（1）8110運(yùn)輸巷最大底鼓量為300 mm，嚴(yán)重影響工作面的回采速率。采用數(shù)值模擬巷道底板塑性區(qū)分布情況，得到底板塑性破壞范圍與工作面距離呈負(fù)相關(guān)，即距離工作面越近，巷道受采動(dòng)影響劇烈，底板塑性破壞越嚴(yán)重，底鼓量越大。

（2）分析了底板巖性和結(jié)構(gòu)狀態(tài)、水理作用及采動(dòng)應(yīng)力對(duì)巷道底鼓情況的影響，提出底板超挖錨桿加固回填的支護(hù)方案，支護(hù)后最大底鼓量?jī)H為58 mm，治理效果良好，有效改善了底板的變形狀態(tài)，提高了底板圍巖的強(qiáng)度。