富水软岩条件下底鼓防治技术研究①

张志智 赵长红 黎劲东

(神华宁夏煤业集团清水营煤矿，宁夏 银川 751401)

0 引言

软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称［1］。具有显著塑性变形的复杂岩石介质，巷道软弱围岩受水及支护方案等多种因素的影响，围岩力学性质更加恶化。清水营煤矿巷道围岩较松散、易风化，煤层顶底板岩层均属较软弱或软弱类岩层，抗拉、抗压、抗剪切能力小，伊利石、绿泥石等膨胀性矿物成分占70%以上，矿井的地下水造成底板岩石物理化学性质发生变化。巷道在掘进过程中后巷底鼓严重，造成皮带及轨道倾斜不能正常运转，严重影响煤矿安全生产。

1 工程地质概况

清水营煤矿+965 m水平中部车场掘进层位由二煤底板穿二煤至二煤顶板，大部在二煤顶板中。掘进断面30.81 m2，净断面23.97 m2，巷道总长244 m，二煤顶板岩石为灰白色，黄褐色，以石英、长石为主，云母次之，泥质胶结，易碎，中部夹泥岩薄层，分选性较差，胶结松散、孔隙发育，属于IV类围岩，稳定性较差岩层，为主要含水层。正常涌水量为30～40 m3/h，最大涌水量为60 m3/h。底板灰白至黄褐色，夹薄层煤线，递变层理，底板为细粒砂岩薄层，岩层综合柱状图如图1。瓦斯含量低，煤尘具有爆炸性，二煤属于易自然煤层。

图1 岩层综合柱状图

2 影响底鼓的主要因素

引起底鼓的因素很多，主要影响因素有底板围岩性质、结构和地应力、水理作用、支护强度和巷道断面形状。

2.1 围岩性状

底板岩层性状主要是指它的性质和状态，这其中包括底板岩层的强度、厚度及节理裂隙的发育程度，它们影响了底鼓量的大小。当底板岩层强度大于两帮围岩支承压力时，底板岩层是稳定的，且不会发生底鼓，反之则不稳定。

2.2 地应力

地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。它是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件［2］。

岩层性质和结构状态是巷道底鼓的充分条件，地应力则为必要条件。地应力达到一定值时巷道就会底鼓，地应力越大，变形速度越快，底鼓越严重。并且巷道开挖后，应力重新分布，随时间延长变形量增大，围岩产生裂隙，形成松动圈。变形量达到某一值时，变形趋于平缓，软岩变形特征图见图2。

图2 软岩变形特征图

+965m水平车场埋藏深度470m，随着深度的增大，围岩应力增高，应力集中，巷道底板未采取加固措施时，易产生塑性变形，巷道出现底鼓［3－4］。

2.3 水理作用

巷道所处位置含有泥岩，遇水体积发生膨胀、破碎、泥化，强度弱化，围岩自承能力减小，甚至强度完全丧失，由水理作用和岩石化学作用，改变了围岩胶结程度，胶结程度降低，结构松散，引起膨胀变形，降低围岩强度，属于遇水膨胀型底鼓。膨胀又因底板没有采取支护措施，处于敞开状态，巷道在静水压力作用时，压力在无支护的巷道底板应力集释放，使底板产生塑性变形，出现底鼓。巷道在整个巷道掘进时发生不同程度的底鼓，在积水较多、底板破碎的地方底鼓量大。

2.4 支护强度

支护强度过大，岩体的进一步变形受支护阻挡，不能充分发挥围岩和支护在双方作用下形成的共同作用;支护强度过小，岩体破碎并充分发展，从而导致巷道破碎区、塑性区范围扩大，致使围岩整体失稳、巷道严重变形。

2.5 断面面积

巷道开挖表面积与巷道稳定程度成反比，巷道断面尺寸要符合通风、运输、行人要求，其形状越接近圆形越有利于稳定。

3 治理底鼓的方法

3.1 变形情况

二煤底板岩巷的变形情况:清水营煤矿主斜井布置在二煤底板中，采用锚网喷支护，施工过程中出现不同程度的顶板下沉、裂缝、脱层掉包及底鼓等现象，局部出现冒顶。巷道变形如图3所示，主要有以下四个方面的表现:一是顶板喷层受挤压变形、掉包、下沉，锚杆支护失效，个别锚杆被拉出或拉断，初喷巷道较成巷后的巷道这一现象突出，掉包严重时出现冒顶，通常伴有渗水、淋水现象;二是两帮受顶板下沉和底鼓影响，喷层开裂、向外鼓出，巷道宽度不够;三是巷道底板鼓起，最大底鼓量1 200mm，造成轨道变形，巷道高度不够;四是台阶向巷帮一侧严重倾斜，水沟开裂变形。

图3 巷道变形情况

+965m水平车场底板为灰白至黄褐色，夹薄层煤线，递变层理，底板为细粒砂岩薄层，遇水泥化，稳定性极差。二煤顶板岩石为灰白色，黄褐色，以石英、长石为主，云母次之，泥质胶结，易碎，中部夹泥岩薄层，分选性较差，胶结松散、孔隙发育，属于IV类围岩，稳定性较差岩层，为主要含水层。根据上一区段车场揭露实际情况，二煤底板遇水泥化，施工难度大，对顶板只要及时疏放水，岩性明显好于底板。

3.2 加强治水

巷道底鼓，一般是由于岩石吸水膨胀引起，因此，加强治水防底鼓是行之有效的方法。施工时要有防水措施，做到预防为主。施工现场必须考虑治水方法，做到防水系统完善、防水设备齐全，有备无患，保持巷道无积水、无淤泥。

+965 m水平车场施工期间，采取打超前钻孔，积极疏放水措施，钻孔直径133 mm，长度为80 m，共打11组钻孔，共疏放水15.6万m3。

3.3 联合支护

在巷道开挖前，岩体处于三向应力平衡状态，开挖后，破坏了围岩原有的三向应力平衡状态，使应力重新分布，一是切向应力增加，并产生应力集中;二是径向应力降低，巷道周边处应力达到零;三是围岩受力状态由三向变成近似二向，岩石强度明显下降，如果集中应力值小于下降后的岩石强度，围岩将处于弹塑性状态，围岩可自稳，不存在巷道支护问题。相反地，如果集中应力值等于下降后的岩石强度，围岩将发生破坏，这种破坏将从周边开始逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现一个破裂带，这个破裂带成为围岩松动圈［5－6］。

通过矿压观测，巷道施工后4～35天内变形量最大，拱顶沉降量为12～30 mm，两帮变形量为5～10mm，底鼓量最大达到200 mm，巷道底鼓量及速率变化曲线见图4，其中(a)为底鼓量变化曲线，(b)为底鼓速率变化曲线。40天以后巷道处于相对稳定状态。由于围岩应力改变引起应力重新分布，巷道产生二次变形，40～60天后巷道处于稳定状态。

图4 底鼓变化曲线

井巷施工时一般注重顶板和两帮的管理，容易忽视底板管理，+965 m水平车场施工时顶板及两帮采用一次锚网喷、二次架设29号U型钢支架支护，钢支架架好后及时喷射混凝土，厚度为174 mm，强度等级要求不低于C20，待钢支架架设完成后开始施工反底拱地坪，既提高底板围岩的强度又增加围岩的变形阻力。

3.4 优化断面

为提高断面利用率，巷道断面通常采用梯形或直墙拱顶形状，但是，区段车场服务年限较长，一般采用直墙拱形，+965m水平车场断面图见图5。

4 反底拱施工工艺

+1065m水平车场为上一区段车场，层位布置在二煤顶板，采用锚网喷+钢支架支护，由于初喷未及时紧跟迎头封闭围岩，二次支护严重滞后，并且未施工反底拱，造成围岩水化风化，潮解膨胀，强度降低，破碎区、塑性区范围扩大导致巷道严重变形，局部冒顶，后期进行了三次维修，不但增加了巷道成本、影响工作面准备工期，而且施工安全得不到保障。

根据相似工程类比，并结合二煤顶板岩性软弱，胶结松散、孔隙发育、遇水易软化、抗风化能力差，底板虽孔隙率不大，但吸水率较高，软化系数低，岩石强度低，不坚固的特点，+965 m水平车场调整了施工工艺，优化了施工方案。

图5 +965 m水平车场断面图

+965m水平车场施工时分两次施工，一次巷道开挖后，及时进行锚网喷支护，为控制底鼓，底角锚杆要与巷道水平成45°夹角布置，其它孔垂直岩面;二次滞后迎头60m开始架设钢支架，架好后喷射厚度为204mm混凝土，拆除临时轨道，采用放震动炮的方式起底，起底底板成反底拱形状，底板开挖后，铺设一层厚200 mm，强度为C20混凝土，并抹成弧形，底板有水时可先铺一层防水材料，在铺底混凝土上铺φ20mm螺纹钢，间排距为250×250mm，纵筋横筋之间用铁丝捆绑，螺纹钢搭接长度不少于200mm，根据中腰线铺设并调整好永久轨道，最后施工矢高为500mm的地坪，混凝土强度等级为C25，形成封闭的应力承载拱圈。

5 结论

+965m水平车场施工时加强矿压观测，及时掌握巷道变形情况，根据矿压观测及相似岩性工程类比，在巷道开挖后及时进行锚网喷支护，改善围岩应力状态，提高围岩强度，顶帮采取锚网喷+钢支架，反底拱采用矢高为700 mm的混凝土+螺纹钢联合支护技术，有效地控制了顶帮变形及底鼓，解决了软岩巷道支护问题，保证了车场的正常使用，减少了巷道维修，提高经济效益。

［1］何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程地质力学研究进展［J］.工程地质学报，2000，8(1):56 －62

［2］蔡美峰.岩石力学与工程［M］.北京:科学出版社.2002

［3］王铁牛.三软煤层底板岩巷变形分析与加固技术［J］.煤炭科学技术，2012，40(5):17 －19，59

［4］许兴亮，张农.富水条件下软岩巷道变形特征与过程控制研究［J］.中国矿业大学学报2006，36(3):298－302

［5］杨旭旭，王文庆，靖洪文.围岩松动圈常用测试方法分析与比较［J］.煤炭科学技术，2012，40(8):1 －5，54

［6］王建军，卢志愿，刘新芳.软岩巷道底鼓机理的探讨［J］.煤炭工程，2005