松软巷道底鼓治理技术应用

王虎强

（山西兰花科创股份有限公司大阳煤矿分公司，山西 晋城 048000）

0 引言

随着煤炭资源向深部开采，采掘力度的逐年提升，巷道变形、围岩应力集中的现象越发严重，顶板下沉、底板鼓起等问题时有发生。巷道掘进和煤层开采都会对底板岩层巷道的围岩稳定产生不利影响[1-2]。大阳煤矿巷道直接底为砂质泥岩与细砂岩，胶结程度差、结构疏松，并且容易破碎、风化，在巷道开掘后会对底鼓产生破坏[3-4]。

1 煤层顶底板情况

大阳煤矿目前开采3 号煤层，煤层结构复杂，埋深为324～438 m，平均厚度为6.3 m。3 号煤层伪顶为灰黑色泥岩，厚度为0～0.5 m。直接顶为灰黑色泥岩，局部有粗粉砂岩，中上部有小煤层，平均厚度为4.3 m。老顶为灰色中砂岩，平均厚度为8.8 m，硅钙质胶结，局部含大量白云母片，有时含炭质条带。由于顶底板以结构疏松的黑色薄层状砂质泥岩与细砂岩为主，随采随落，容易出现底鼓现象，需要对可能出现的底鼓进行提前支护工作。

2 3 号煤层底板矿物组成分析

2.1 底板矿物成分分析

为了解底板岩性结构属性，对底板岩样进行采样分析，并使用D/MAX-2400 型X-射线衍射光谱仪对矿物组成进行了定性、定量的分析。X-射线衍射光谱仪主要由主机、水冷循环系统、矿物分析工作站组成。需对煤岩样品进行研磨，制成粒径＜2 μm 的微粒后，再使用X-射线以1°/min 的2θ 扫描速度，最终分析数据见图1 所示。

图1 3 号煤直接底泥岩矿物成分X-衍射图谱

对大阳煤矿3 号煤层直接底泥岩的测试结果见图1 和表2 所示。测定结果表明，直接底泥岩主要为石英、高岭石、蒙脱石和珍珠石组成，其中高岭石、蒙脱石与珍珠石均为黏土矿物。经计算得出石英质量分数占48%～62%，平均55%；高岭石质量分数占11%～18%，平均14%；蒙脱石质量分数占13%～19%，平均16%；珍珠石质量分数14%，也就是说3 号煤层直接底泥岩中黏土矿物质量分数高达48%～62%，遇水易膨胀的蒙脱石占比达10%。矿物分析数据表明直接底的力学强度较低，并且遇水易崩解。

2.2 底鼓原理分析

根据对大阳煤矿3 号煤层大巷的围岩地质力学特征（包括围岩物理力学特性、水理崩解特性、矿物组成等）分析可知，造成大巷底鼓的原因主要包括：

1）应力状态。巷道出现底鼓与所受应力的状态有极大关系，3 号煤层巷道埋深较深，在巷道开始采掘后，围岩所受应力由三向应力转为二向应力，在应力状态重新分布期间SIP 集聚的能量会快速释放，是造成底板岩层破坏和出现底鼓的主要原因。

2）围岩性质。直接底为抗拉强度较低的泥岩，且泥岩中黏土矿物含量较高，遇水易膨胀的蒙脱石质量占比达10%，且遇水会发生崩解。

3）支护状态。3 号煤层大巷顶板与两帮采用的是联合支护，并未对底板进行有效保护，巷道在采掘过程中，围岩应力将重新分布。此时，聚集在顶板和两帮处的应力无法释放便会向底板传递，造成底板起鼓、围岩破坏。

综上所述，3 号煤层大巷发生底鼓的类型属于挤压流动型底鼓，形成过程如图2 所示。此类底鼓常见于两帮和顶板岩层条件较好（或支护措施完善时），但底板岩层软弱或缺乏支护处理的区域。在巷道掘进过程中围岩应力会重新分布，聚集在顶板和两帮的围岩应力无法充分释放而向底板传递，松软结构的岩层底板受到挤压传向巷道中部，从而产生形变并出现底鼓。

图2 挤压流动型底鼓示意图

3 3 号煤层大巷底鼓治理方案

3.1 方案1——U 型钢反底拱+锚注支护

选择高强度的U 型钢反底拱+注浆锚杆+注浆锚索补强+混凝土对底板进行支护。U 型钢反底拱的主要作用是提高底板围岩的初始支撑力，阻止底板破碎岩体受力向巷道内部释放的可能性，降低底鼓变形量。锚杆、锚索及U 型钢反底拱的具体参数设置如下：

1）底板注浆锚杆参数：型号GY28 的中空注浆锚杆，外径为28mm，长度为2400mm，间排距为800mm×800 mm。

2）底板补强锚索形式和规格：采用Φ21.6 mm 注浆锚索，长度为6 300 mm。

3）U 型钢反底拱参数：对巷道进行卧底后，即开始安装U 型钢，U 型钢规格为U29 型钢，拱弧水平长度为5 000 mm，弧长为5 500 mm，高度为1 000 mm，曲率半径为3 600 mm。U 型钢安装完成后，通过U 型钢中的预留孔安装注浆锚杆。U 型钢反底拱间距为800 mm，喷射混凝土厚度400 mm。通过锚杆注浆起到反底拱下部围岩强度增强作用，可以有效预防围岩的变形，该方法的特点在于施工较快，但治理效果有限。

3.2 方案2——钢筋混凝土反拱+底板锚杆+底板锚索补强支护

3 号煤层巷道底板为泥岩，具有遇水易软化、膨胀的特点，因此需在底板敷设隔水层来隔绝矿井水进入底板岩层。同时泥岩较松软、结构松散，对应力的抵御能力有限，由此可以选择在巷道底角或底板施工锚杆增强支护。钢筋混凝土反拱具有较强的支护阻力，能使底板所受应力通过反拱传递至巷帮，进而减少巷道变形的可能性，在巷道底板为膨胀性软岩中采用钢筋混凝土反拱，其优势更为明显。该方法的优点在于防治效果好，但存在施工周期长、费用高的缺点。

3.3 方案3——底板中部切槽+底角锚索支护

底板中部切槽可以使支撑压力峰值向巷道围岩深部转移，缩小巷道应力峰值范围，同时卸压槽为底板的变形提供了补偿空间，使得巷道围岩变形量减小。切槽宽为0.5 m，深为3 m。采用分次爆破对底板切槽，保证卸压槽深度不低于3 m。另外，在底角补打锚索，可以起到以下作用：

1）阻止底板塑性区发展。进入采掘工作后，巷道底板尤其是两底角随之产生较大的水平应力集中。3号煤层底板为软弱岩层更容易受到二次破坏。随着时间的推移，塑性区向其他部位扩展，进行底板锚索可以明显增强围岩强度，降低塑性区的影响程度。

2）阻止底板岩体塑性流动。类似于平面应变条件下地基的滑动面形状，即主动应力区、过渡区和被动应力区，在底角方向布置锚杆（索），主动应力区的底板岩层动就必须克服锚杆（索）阻力，如果该阻力足够大则可以使应力区的岩体保持受力均衡，弱化底鼓发生的可能性。

3）减少两帮下沉。底角的锚索可以减少两帮和顶板岩体的垂直位移，对维护巷道围岩整体稳定性起到积极作用。

3.4 治理方案经济比较

经核算，方案1 中混凝土施工总长260 m，需要约330 块混凝土砖块，混凝土砖块经地面加工完成后运至井下垒砌，每日施工20 m，施工周期13 d，以单价为1 800 元/m 计算则需投资23.4 万元，同时需要叠加大量锚杆及其耗材的投入，总费用约为60 万元；方案2 需混凝土施工总长320 m，需要约400 块混凝土砖块，单日施工费用与方案1 相近，费用达到54 万元，锚杆投资约30 万元，总计投资84 万元；方案3 采用掘进机施工，预计工期15 d，总费用50 万元，同时可以保留大量煤炭资源。因此，最终采用方案3 进行底鼓防治。

4 底鼓治理效果

在3306 回采工作面生产过程中，根据巷道受矿压的影响频次设置了3 个位移观测站，分别距切眼50 m、100 m 和150 m，3 个测点的底鼓变形趋势基本一致，距离切眼越近则底鼓量越小，并且所有的测定在30 d 时趋于稳定，最大底鼓量为出现在测点3，达到24 mm，对生产几乎没有影响。

5 结论

1）大阳煤矿3 号煤层大巷底鼓为挤压流动型。底鼓主要影响因素是高水平应力、直接底为厚3.65 m的软弱泥岩、底板无支护。

2）大阳煤矿3 号煤层大巷底鼓治理建议方案有3 种，最终选用底板中部切槽+底角锚索支护的治理方式。经过监测发现，最大底鼓量约为24 mm，在3 号煤层掘进期间并不影响井下正常生产。