软岩巷道底板变形机理及控制技术研究

刘东峰

（晋能控股煤业集团阳城大西煤矿，山西 晋城 048000）

1 工程概况

煤炭产业在我国能源结构中占有重要地位，煤炭资源的安全高效开采，对我国经济快速发展具有重要意义[1-2]。在煤炭资源开采过程中会遇到各种复杂的地质问题，其中软岩巷道在开挖后，围岩的原岩应力状态会发生改变，巷道变形严重，包括顶板下沉、两帮移近以及底鼓[3]。不同于其他巷道变形情况，底板变形经常容易被忽视，在巷道掘进过程中很少对底板进行单独支护，然而软岩巷道一旦出现底鼓现象，其变形过程一般是持续性的，很难在短时间内稳定。巷道底鼓采用一般的支护手段难以控制，需要对底板变形机理进行分析并采取合理的控制技术[4]。

大西煤矿开拓大巷布置在煤层中，主要包括轨道大巷、回风大巷以及胶带大巷。开拓大巷在服务于矿井开采过程中，出现了不同程度的底鼓现象，如图1所示为轨道大巷底鼓治理区示意图。为了治理巷道中的底鼓问题，通过现场调研以及理论分析，对巷道底鼓产生的原因进行分析，并设计出一套底板变形控制技术，能够很好地抑制底板变形情况。

图1 开拓大巷底鼓治理区示意图

2 巷道底板变形机理分析

在软岩巷道中，底鼓的现象经常发生，其变形实质为巷道底板围岩中的裂隙不断发育，裂隙宽度和长度在增长过程中发生贯通，产生更大的裂隙。另外，底鼓产生原因与巷道周围的应力变化、围岩的流变特性以及底板泥岩遇水泥化膨胀等因素有关。

大西煤矿开拓巷道底板在巷道掘进过程中，由于受施工等因素影响一直未及时进行支护，底板围岩由于开挖经历较长时间，已经发生破碎或离层，直接采用锚索支护，其预紧力被离层隔断，无法向深部围岩传递，也不能实现有效扩散，支护效果会明显降低，而被动支护难以改善围岩状态，无法保证巷道的长期稳定。因此针对底鼓严重巷道采用注浆支护方式，改善底板围岩岩性，有效控制底板变形。针对开拓大巷，尤其是局部轨道大巷底板变形长期得不到稳定的情况，结合其围岩裂隙发育的特点，提出采用锚网索注浆支护进行巷道底鼓控制。

3 底板变形控制技术

3.1 底鼓控制方案

通过对现场调研以及分析巷道底板变形产生的机理，提出一套完整的底鼓控制技术流程。

具体技术流程为：巷道掘进→锚网索及时支护→底板以上全断面喷浆→顶板及两帮中空注浆锚杆和注浆锚索注浆支护→软弱节理岩层关键部位顶帮打补强锚索→底板浅部注浆→底板预埋中空注浆锚索→底板锚索注浆→安装锚索托盘（或增加槽钢梁）并预紧锚索→回填成巷。

其中底鼓控制方案为“浅部围岩固化+深部高压注浆+混凝土固化技术”。底板注浆示意图如图2。

图2 底板注浆示意图

首先浆液在低注浆压力作用下渗透到底板浅部裂隙，固化底板浅部围岩，阻止裂隙继续发育，为高预应力锚索支护提供充足的锚固力。

浅部主动注浆后，底板围岩基本恢复连续状态，但底板深部的微裂隙和原生裂隙仍然是底板发生变形的隐患，因此需要对深部围岩进行加固。采用注浆锚索对底板深部围岩进行注浆，并施加高预紧力，从而增强底板围岩的自承载能力，防止底板围岩再次破坏。

3.2 底板支护设计

开拓大巷底板支护设计如图3。底板注浆锚索和注浆锚杆布置间排距均为1600 mm×1600 mm，底板注浆锚杆距离两帮250 mm。

图3 底板注浆锚注布置参数图

底板注浆施工具体流程如下：

（1）对巷道底板进行卧底，卧底深度超过设计巷道底板线200 mm以下。

（2）对底板浅部围岩进行低压注浆加固。

（3）采用底板钻机钻取直径为42～50 mm的钻孔，钻孔深度为8000 mm。钻孔每排3个，孔间距为1600 mm（根据巷道断面调整），底板锚索孔距离两帮1050 mm，孔排距1600 mm。

（4）成孔后进行预埋注浆锚索（有条件时选择鸟笼锚索）。预埋直径22 mm×7000 mm中空注浆锚索，垂直于巷道底板布置，中空注浆锚索的间距为1600 mm，排距为1600 mm。

（5）采用棉纱和水泥固定孔口管并封孔，对注浆锚索进行注浆，注浆压力为4. 0～5.0 MPa。

（6）由于垂直向下钻孔孔底可能有水，锚索必须等水泥浆固化具有强度后再施加预紧力。一般等注浆5～7 d浆液凝固后，安装 300 mm×300 mm×16 mm的拱形托板，施加预紧力，张紧力不小于35 MPa，截断后外露长度为 50～100 mm。

（7）对巷道底板进行回填加固，统一铺设厚度200 mm的混凝土层。

具体支护材料参数见表1所示。

表1 底板支护材料及参数

3.3 工程效果检验

在现场应用后，为了检验底板注浆支护效果，通过布置矿压观测测站来监测底板变形量。通过该测站对巷道57 d的底鼓量变形监测，整理数据绘制随着时间变化底板变形变化曲线，如图4。

从图4（a）中可以看出，巷道变形在后期基本稳定，底鼓量累计为31.3 mm，通过采用底板注浆支护技术显著改善了底板围岩性质，使底板围岩承载能力得到了很大的提升。

通过对底鼓变形速度分析可以更好地了解底板在不同阶段的变形情况。从图4（b）中可以看出，巷道在前期变形速度较快，最高达到2.25 mm/d，后期速度变化趋于平缓，说明巷道底板变形在逐渐放缓，进一步说明“浅部围岩固化+深部高压注浆+混凝土固化技术”在控制底板变形方面有很好的效果。

图4 底板变形监测情况

4 结论

（1）在软岩巷道，底板发生底鼓现象的实质是巷道底板围岩中的裂隙不断发育，与巷道周围的应力变化、围岩岩性有关。

（2）针对底板变形机理，提出“浅部围岩固化+深部高压注浆+混凝土固化技术”，并对底板支护进行方案设计。通过底板注浆锚索施工，有效地控制住底鼓，底鼓量累计为31.3 mm，巷道底板变形速度逐渐放缓，表明底板注浆支护技术显著改善了底板围岩性质，使承载能力得到了很大的提升。