深部高应力软岩巷道底鼓机理及防治对策

胡加振

（河南省许昌新龙矿业有限责任公司梁北煤矿，河南 许昌 461000）

随着开采深度的增加，巷道围岩在深部高应力状态下往往表现为大变形、难支护的软岩特征[1-6]。新龙矿业有限责任公司梁北煤矿目前正在生产的21采区下部埋深达930 m，地应力较大，受采动影响采区准备巷道收敛严重。基于此，梁北煤矿以21采区轨道下山为研究对象，研究采动影响下深井高应力大断面软岩底板流变与结构失稳问题，以期控制深部软岩巷道变形，保证矿井安全生产。

1 工程概况

21 采区准备巷道初期布置未充分考虑采动的影响，受采动影响采区准备巷道收敛严重，成为制约矿井安全生产的瓶颈。其中，轨道下山变形最为严重，该巷围岩以泥岩为主，裂隙发育，掘进中揭露二1 煤层（由顶板揭露，进入底板），巷道成型后不足4 个月开始出现底板变形。采用常规措施修复过后6～8 个月，巷道再次收敛变形，尤其是底板起鼓严重，影响巷道使用，需采取更有针对性的对策防治底鼓。21 采区轨道下山平面布置图如图1。

图1 21 采区轨道下山平面布置图

2 巷道底鼓机理

2.1 底鼓产生原因

21 采区下部投产至今，部分准备巷道已进行卧底维修4 次，但底鼓时有发生。根据21 采区地质现状，结合现场底鼓破坏实际情况，分析原因如下：

1）围岩强度低

巷道围岩以泥岩为主，岩层裂隙发育，结构较差，整体围岩强度低。

2）底板未加固

巷道掘进过程中，未进行底板加固，待巷道成型后，受围岩应力影响，底板出现底鼓变形，影响安全生产，需进行大量卧底工作。卧底作业除对底板围岩造成扰动，还使得巷道整体围岩松动圈扩大，巷道两帮也出现向内收缩的情况，进一步加大围岩破坏。

2.2 底鼓机理

软岩一般包括弱岩和泥岩，两者岩性存在差异，底鼓机理也不同，对比见表1。21 采区轨道下山围岩为强流变、高构造应力泥岩，经测定，该岩石侧向压应力系数值可达0.7。这种情况下，岩层竖向地应力和水平地应力值都很高。因此，巷道底板未加固时，地应力作用效果尤为明显。

表1 不同类型软岩对比

巷道底板岩性为泥岩时，巷道底部环向应力圈横向应变会产生内侧位移。该应力值呈现中部高、两边低的情况，受水平应力作用，巷道底鼓程度沿底板横向也呈现中部最高、两边最小的分布。

3 巷道底鼓防治对策

梁北煤矿巷道支撑结构的整体性破坏是巷道变形破坏的最主要因素。巷道围岩控制的关键是提高支护结构的整体性及承载能力。特别是深部软岩巷道，因其埋藏深，受上覆岩层自重、采动影响与围岩岩性弱等因素，除增强巷道支护结构整体性，还需要采用补偿性技术增强其稳定性，从而实现围岩支撑结构的长期稳定。

为保证巷道断面满足通风、行人及安全生产的要求，当巷道底板发生底鼓时，一般采用卧底作业进行巷道维修。底板岩性为泥岩的巷道，因围岩具备流变性，卧底后，围岩仍然会向底板上方产生塑性流动，即反复出现底鼓，不能有效实现巷道围岩的长期有效控制，同时，需要投入大量的人力。因此，需要采用更加有效的技术方案进行底板治理。为充分发挥巷道支撑结构的整体性，在底板中部施工3根锚索，与锚网形成整体支撑结构。锚索施工采用梅花眼布置（图2），材质为钢绞线，型号为Φ17.8 mm×6500 mm，施工间距1600 mm，施工排距800 mm，锚固力≥120 kN，使用中速型树脂锚固剂，每孔使用4 卷锚固剂，锚固长度约2200 mm。

图2 底板锚网索联合支护示意图（mm）

整体支护方案采用两个支护断面实现结构性补偿（图3），两个断面间隔800 mm。轨枕中间通过加设锚杆提升支护结构的整体性，底板锚杆材质为钢锚杆，型号为Φ20 mm×2500 mm，施工间排距为800 mm，锚固力矩≥200 N·m，使用Z2350树脂锚固剂，每个锚杆孔使用2 卷锚固剂；锚索托盘使用鼓型托盘，材质为18#槽钢，型号为150 mm×150 mm×10 mm。

图3 锚网+锚索联合支护方案（mm）

为进一步增强底板支撑结构的整体稳定性，增加钢筋梯子梁，与底板锚索、锚杆共同组成整体围岩支撑结构。钢筋梯子梁加工材料使用Φ14 mm 圆钢，具体加工尺寸如图4。

图4 钢筋梯子梁加工尺寸（mm）

21 采区轨道巷底板防治方案具体施工要求如下：

1）在进行底板锚网+锚索配合支护前，先进行巷道卧底。卧底的标准为：卧底后，底板标高低于设计值400 mm。

2）底板钢筋网铺设，底板锚索、锚杆施工。底板锚索锚固力≥120 kN，底板锚杆锚固力矩≥200 N·m。

3）底板混凝土浇筑作业，浇筑厚度≥100 mm。

4）施工完成后，首先使用专用工具将锚索外露部分（超出设计范围）截除，然后对底板进行回填。回填标准为：回填后，底板标高等于设计值。

5）在水沟中施工时，应分段进行。施工后，进行浇筑作业，浇筑厚度为500 mm，覆盖锚索外露部分。

4 应用效果分析

为验证技术方案的效果，沿巷道布置观测站，对巷道维修后的效果进行分析。图5 为随着时间推移巷道底鼓量变化情况，图6 为随着时间推移巷道底鼓速度变化情况。

图5 巷道底鼓量变化

图6 巷道底鼓速度变化

由上述观测结果可知，受巷道维修引起的围岩松动圈的发展，巷道底鼓量在维修后的50 d 内迅速增加，且底鼓变化速度响度较大，随着巷道围岩整体支撑结构发挥作用，以及巷道维修扰动的减弱，巷道底鼓量与底鼓速度都逐步降低，52 d 后，巷道底鼓速度接近于0 mm/d，巷道底鼓变化趋于稳定状态。

5 结论

1）巷道岩性与巷道底鼓的形成高度相关。泥岩等岩性强度低且具备流变性的岩层巷道，易发生巷道底鼓。合理的巷道规划和布置，有利于底鼓防治，布置于受采动影响较大或者煤层的巷道，极易发生底鼓。

2）巷道底板中部为高应力集中区，底鼓现象最为严重，可通过锚索施工深入岩层，并配合锚杆、钢筋梯子梁、钢筋网形成整体的支撑结构，保证支护效果的整体性和稳定性，能够有效防治巷道底鼓，取得良好的维护效果。