软岩巷道底臌机理分析及防治技术探讨

王晓东 汪海平 张红卫

（陕西彬长矿业集团公司，陕西 彬县 713500）

随着煤矿开采深度的增加，地应力的增大，软岩巷道底臌问题日趋严重。巷道底臌导致巷道断面缩小，妨碍通风，增加风阻，阻碍运输和人员行走，强烈的巷道底臌不仅增加大量的维修工作，而且还影响矿井安全生产。实测资料表明，在底板不支护的情况下，巷道顶底板移近量中约有2/3～3/4是由底臌造成的。受施工工艺以及目前人们对软岩巷道支护及其支护性质认识上的欠缺，对巷道底板进行支护和补强的重要性认识不够，巷道底臌问题一直没有较好地解决。

陕西彬长矿区大佛寺矿井生产能力为800万t/a，2008年8月建成并通过竣工验收。矿井虽建成投产时间不久，但首采区401采区及后期改建新增的411采区共计五条大巷，都出现不同程度的底臌现象，为保证矿井安全生产，几经卧底扩修，但始终难以从根本上解决软岩巷道底臌防治技术难题。该矿生产技术部门结合理论分析，提出了底角锚杆+底板注浆+底板锚索耦合支护技术方案，取得了良好的治理效果。

1 工程概况

大佛寺矿401采区及411采区大巷，在原来三巷(主运、辅运和回风)基础上再增加一条回风大巷和一条辅运大巷，形成“五巷制”布局，巷道间距40m，工作面接续时为四巷制，大巷沿4煤层布置。

4煤层伪顶为0.5m以下的炭质泥岩，零星分布。直接顶以泥岩、砂质泥岩为主，次为粉砂岩、砂岩，为半坚硬不稳定顶板。基本顶多为细粒砂岩或粉砂岩，局部为中～粗粒砂岩，为半坚硬较稳定顶板～稳定顶板。底板多为铝质泥岩，次为泥岩或炭质泥岩，一般2.14～6.75m，遇水泥化，易发生底臌。

五条巷道均采用锚网喷+锚索支护，顶部采用M22×2700mm等强锚杆，帮部采用M22×2700mm等强锚杆，锚杆间排距800×800mm。锚索采用Φ=15.24mm，L=6900mm钢绞线锚索。巷道底板未支护。

2 底臌机理分析

（1）围岩质点位移。巷道开挖改变了围岩的应力状态，从而导致了围岩质点的形状及体积弹性改变。而围岩质点的流动就是每一个微小的质点形状及体积的改变引起相邻质点位移所形成的。大佛寺矿401采区及411采区五条大巷底板均未支护，导致底板一定范围内的围岩质点位移比顶帮部位大得多。

（2）蠕变动力难以自制。围岩质点均是向巷道方向移动，在厚层软岩情况下，巷道上下左右均被软岩所包围，因此质点位移来自巷道四面八方，围岩蠕变位移得不到支护反力的约束，或者支护反力小于蠕变动力，巷道就会从最薄弱环节发生变形。大佛寺矿401采区及411采区五条大巷沿4煤层布置，顶底板均为泥岩且厚度大，围岩强度低，并且经过多次卧底刷扩修复，底板松动圈扩大，巷道围岩蠕变动力随松动圈扩大而加快。见图1。

图1 巷道围岩蠕变动力演化示意图（软岩层较厚情况）

（3）巷道底板围岩遇水膨胀。地质资料显示，4煤底板普遍分布有一层铝土质泥岩，遇水极易膨胀软化，虽在设计时为避免铝土质泥岩对巷道的影响，在巷道掘进时沿巷道底板留设1m左右的底煤，但在实际施工过程中很难控制，受巷道施工用水、岩体中静态储水、水沟水等水的影响，铝土质泥岩遇水膨胀，在巷道其他三方受支护的反力作用，巷道变形只能从底板作为突破口。

（4）巷道底板未进行有效支护。大佛寺矿401采区及411采区五条大巷顶板采用了锚网喷+锚索进行了有效支护，而巷道底板未进行支护。正是由于巷道底板未进行支护，巷道底板在围岩质点位移、蠕变动力及底板铝质泥岩遇水膨胀的作用下产生底臌。矿井多次采用卧底刷扩的方式进行简单巷修，频繁的卧底扩修又造成新的扰动应力，并且松动圈也进一步扩大，支护承载结构基础进一步降低，巷道底臌速度更快更严重，如此反复，造成恶性循环。

3 防治技术方案

3.1 支护方案

采用底角锚杆+底板注浆+底板锚索耦合支护。

底角采用M22×2700mm等强锚杆，锚杆间距800mm，角度与水平呈45°，位置处于帮底交界处。

巷道底板布置两个注浆孔，沿底板宽度等分布置，排距1600mm，注浆锚杆长3.0m，采用6′钢管制成，前端0.7m间隔200mm内错开孔，端头25mm开丝，孔径为8mm。浆液采用水泥水玻璃浆液，水泥采用525#，水玻璃浓度45°Bé，用量为水泥重量的3%～5%，浆液水灰比为0.7，最大注浆压力2.0MPa，注浆时间以达到注浆压力后保持10min为准。

底板锚索规格采用Φ=15.24mm，L=5000mm钢绞线锚索，沿巷道底板中部对称布置2根，间排距1600×1600mm。

3.2 支护方案分析

（1）底角锚杆的作用。巷道底角是应力集中程度最高的部位，是围岩破碎最严重的部位，但其破碎变形不会在此处直接显现，而是通过围岩质点位移以两帮内缩和底板底臌的形式表现。正常情况下，巷道两帮进行了有效支护，所以均是以巷道底臌的形式呈现。

通过在底角左右部位施工两排高密度锚杆，能够将巷道周围环向应力及水平应力部分转移至底脚锚杆上，起到了应力转移作用。

底角锚杆在转移应力的同时，固定的两端也可以承接上方和水平方向的作用力，因此对于上方的围岩质点移动起到了边界作用，其作用是可以使上方地应力通过压力拱传递，外围围岩中的破坏得到控制，稳定性也得到保证。

锚杆的约束力抑制了松动圈的扩大，底角部位稳定后，相邻围岩质点位移也得到了有效控制，巷道的底臌程度就会减少。

图2 松动圈稳定增强技术分析图

（2）底板注浆的作用。注浆加固使破碎围岩形成一个整体，给深部围岩提供一个较大的径向约束，改善巷道围岩应力状况，从而控制围岩变形。

（3）底板锚索的作用。底板锚索对围岩的作用，不仅表现在底板岩体的位移约束和改变应力状态两个方面，还能将巷道近距离围岩所承受的应力转移至巷道远距离围岩中去，较大地减轻了应力集中的程度，达到用较大范围的岩体来承受本应由近距离围岩承受的高密度的集中应力的目的，起到削弱围岩应力的作用。

3.3 施工要求

施工底板注浆锚杆及锚索前，先将底板剥离到底板设计标高以下150mm；安装底板注浆锚杆后，对底板浇筑50mm厚混凝土，然后进行注浆，注浆要控制好浆液水灰比，并按施工要求施工。注浆结束后，通过底板锚索钻机施工底板锚索，要求安装底板锚索预应力不低于70kN，并将超出底板设计标高的锚索头剪掉，最后对底板进行二次浇筑混凝土至底板设计标高。

4 结束语

对401采区及411采区大巷底臌机理进行研究，提出了底角锚杆+底板注浆+底板锚索耦合支护技术。通过现场实际观测，该支护方案能有效控制巷道底臌，目前已在大佛寺矿井巷道底臌修复中全面应用，在掘进巷道底板支护中也推广应用，取得了良好的支护效果，具有推广应用价值。