深部开采软岩巷道底臌机理及其控制

张迷魁

（阳泉煤业有限责任公司 五矿，山西 阳泉045000）

随着煤矿开采深度的不断增加，深部开采软岩巷道支护成为影响煤矿建设与生产的重要因素。深部软岩巷道支护实践可知，深部软岩巷道存在地压大、巷道易破坏、支护难度大、底臌明显等特点，尤其是软岩巷道底臌往往成为制约巷道行人、运料和通风的主要问题〔2〕。随着开采深度的不断增加，山西也开始面临着这个问题。近年来，部分国内外专家、学者一直致力于深部软岩巷道底臌机理和控制研究，并根据其研究成果总结出了相关理论，这些研究成果为指导深部软岩巷道支护提供了一定的理论基础。但是，各个矿井地质条件差别较大，巷道围岩变形影响因素彼此不同，这样采用相同的巷道支护理论和方法往往难以奏效。2204工作面目前开采深度为840～860m，工作面围岩软弱易变形，在回采过程中需要不断地拉底确保通风断面，严重的阻滞了工作面正常推进。现以该矿工作面为研究对象，对深部开采软岩巷道底臌机理进行研究，并据此提出相应的底臌控制方案以指导该工作面开采。

1 工作面概况

2204工作面所采煤层为二叠系山西组己16、己17煤。该煤层距离石炭系太原组顶部灰岩9～18m，煤层厚度2.95～3.85m，煤层倾角5°～13°。该工作面范围煤层埋深为840～860m，工作面整体属于稳定可采厚煤层工作面。2204工作面沿底板掘进，直接顶为厚2～2.5m的泥岩～砂质泥岩，基本顶为6.2～8.4m的砂质泥岩－煤线－中、细粒砂岩，直接底为1.2～2.5m的块状炭质泥岩－泥岩，基本底为4.6～6.5m的厚层状砂质泥岩－细粒砂岩。该工作面设计可采走向长度为1350m，可采倾斜长度为145m，采用综合机械化开采，采场支架型号为ZY4000－17／37型掩护式支架。工作面通风方式为一进两回，即由运输巷进风，回风巷和瓦排巷回风，巷道断面设计尺寸（宽×高）为4200mm×3900mm，支护方式采用“锚网索”联合支护。由于该工作面围岩软弱，尤其是底板炭质泥岩－泥岩强度低、遇水易膨胀，在采掘期间变形显著，2个月的时间底臌量可达450mm以上，给工作面的通风、运料和行人带来了极大的问题，不得不采用“前掘进、后卧底”的方式进行巷道掘进和“边回采、边卧底”的方式进行回采。

2 巷道围岩变形规律

为了掌握2204工作面回采巷道变形规律，以该工作面回风巷为研究对象进行现场实测研究。在工作面煤壁前方110m和111m位置布置两个测点，即11＃、12＃测点（见图1）。采用“十字交叉”法对两测点变形量进行观测，观测频率为2次／天。

图1 2204工作面巷道布置及测点布置示意

根据观测结果进行绘图，由图2和图3可知，随着2204工作面的不断推进，该工作面回风巷围岩变形量逐渐增大，观测期间顶底板累计变形量为570～590mm，两帮累计变形量为610～615mm，底臌量为490～510mm，其中在距离煤壁60～40m范围时，围岩变形开始显著增大，底板变形速率可达41mm／d，两帮变形速率可达65 mm／d；在距离煤壁15～0m范围时，回风巷围岩变形进一步加剧，底臌量和两帮移近量呈线性变形。由上述分析可知，控制2204工作面回风巷变形的关键在于控制底板变形，如若能够将底臌量控制在一定范围内，不仅可以大幅度的降低卧底的劳动量和劳动强度，同时对提高巷道稳定性，降低两帮变形，提高工作面回采速度也有着积极意义。

图2 11＃测点表面位移观测数据

图3 12＃测点表面位移观测数据

3 巷道底臌影响因素

由2204工作面回风巷变形规律可知，该工作面底板变形较明显。分析认为该工作面底臌影响因素主要为人的因素和环境的因素两个方面。人的因素是指巷道支护方式、回采工艺的选择、工作面的布置等。环境的因素主要指顶底板围岩岩性、地应力、地下水等。

1）开采实践和理论研究表明，井巷底板岩层结构和特点往往决定着巷道底板变形的程度和类型，往往是底板围岩强度越低，软岩厚度越大，底板变形程度也越严重。2204工作面直接底为1.2～2.5m的块状炭质泥岩－泥岩，基本底为4.6～6.5m的厚层状砂质泥岩－细粒砂岩，底板岩层整体属于弱岩，强度较低，且工作面埋深较大，煤层上方应力经煤柱和煤体传递给底板，使巷道围岩在底板中部隆起，形成底臌。

2）一般认为，工作面埋深越大，巷道围岩所受应力也越大，巷道围岩变形也越明显。2204工作面埋深为840～860m，平均为845m，属于深部开采，自重应力超过15 MPa，集中应力局部可达28MPa。工作面受到巨大的应力作用，应力通过煤柱和煤体转化为水平应力作用于巷道底板围岩。工作面的底板岩层难以抗拒水平应力会产生剪切破坏和塑性变形，最终形成底臌。

3）巷道支护方式、回采工艺的选择、工作面的布置是否科学合理，也是影响巷道底臌程度的重要因素。2204工作面巷道采用“锚网索”联合支护，但只是对顶板和两帮进行维护，底板处于无支护状态，这对控制巷道围岩变形尤其是底板变形极为不利。该工作面采用综合机械化开采，采高较大，采动扰动较剧烈，采动影响范围和超前支承应力较大，这些均有利于底臌的形成。

4）水理作用是影响巷道底臌程度的重要因素。对2204工作面回风巷底板岩层进行分析，得出炭质泥岩～泥岩中粘土矿物质含量可达65%～72%，其中蒙脱石、伊利石和高岭土可达4%～28%、15%～32%和22%～31%。这类粘土类矿物遇水易发生水理作用，即遇水易膨胀泥化。己16、1722041工作面回风巷地表散水较多，主要来自钻场渗水、顶板淋水、喷雾洒水等，这些散水的存在促进了底臌的形成。尤其是底板在应力作用下开裂后，散水进一步深入到底板岩层深部，进一步降低了底板岩层的强度。

5）在2204工作面回风巷掘进期间，共揭露大小断层9个，这些断层的存在不同程度的破坏了巷道围岩的强度和整体性，进一步加剧了回风巷底板岩层的破碎程度，这也会一定程度的促进底板变形加剧。

3 巷道底臌控制方案

3.1 底臌控制措施

目前，工作面回采巷道底臌治理的方法主要是底板加固、卸压和卧底。其中底板加固和卧底属于被动式底臌控制措施，卸压属于主动式控制措施。底板加固常用的方法为打设底锚杆、封闭性支架、底板注浆等。底板卸压包括挖卸压槽、打释放孔等。选择底臌治理方法应根据巷道实际情况进行确定。一般情况下，被动式控制方法往往适应于巷道围岩条件较好，巷道自稳性较高的底板控制。主动式支护是指通过改变应力状态促使底板所受应力降低进而确保底板稳定的方法，适应范围较广。考虑到2204工作面属于深部开采，且巷道围岩软弱，底板围岩遇水易膨胀，原支护结构难以保证巷道的稳定性，故认为应采取复合式控制方式治理底臌。具体方案如下：

（1）加强2204工作面回风巷散水治理。将回风巷散水引至挖好的水槽内，并利用风泵外排，确保散水不会对巷道底板进行侵蚀。

（2）考虑到2204工作面回风巷底板围岩软弱、节理裂隙发育，且尚未进行任何支护，故应从提高底板围岩强度和完整性来控制底臌。经研究，决定采用中空注浆锚杆进行底板围岩加固。注浆锚杆规格为Φ22×2200mm，间排距顶板和帮锚杆相同，即800mm×800mm，其中边锚杆距巷帮500mm（见图4）。

（3）采用200＃混凝土对底板进行浇筑，浇筑厚度以覆盖注浆锚杆外露端为准。

3.2 巷道底臌控制效果分析

为了掌握2204工作面回风巷底臌治理效果，在煤壁前方100m范围内布置两组测点，采用“十字交叉”法对测点变化情况进行观测。观测结果表明，该工作面回风巷两帮变形量为430～450mm，为未支护前的69.8%左右；底臌量为120～135mm，仅为未支护前的23.5%左右。通过散水治理，打设注浆锚杆和底板混凝土浇筑，有效地控制了2204工作面回风巷底板变形程度，提高了巷道的稳定性。

图4 底臌控制巷道支护示意

4 结语

对于深部开采，软岩巷道底臌治理是保证工作面正常回采的关键。2204工作面在高地应力、水理作用、围岩软弱、开采扰动等多重因素的影响下，回风巷底臌可达490～510mm，严重制约了该工作面的高效开采。通过采用散水治理，打设注浆锚杆和底板混凝土浇筑，有效地避免了巷道底板围岩受到水理作用影响，提高了巷道底板围岩强度和整体性，大幅度降低了巷道底臌量，对于此类巷道底臌治理具有一定的推广意义。

〔1〕刘成明，陈旱生.复杂巷道底臌治理技术的应用实践〔J〕.煤炭技术，2009，28（12）：161－162.

〔2〕王卫军，侯朝炯.回采巷道底臌力学原理及控制新进展〔J〕.湘潭矿业学院学报，2003，18（1）：1－6.

〔3〕桑普天，唐百晓.级软围岩条件下巷道底臌治理加固技术研究〔J〕.混凝土与水泥制品，2011，（5）：62－64.