大佛寺矿软岩巷道底臌机理及控制技术研究

陈跟马 张永涛 贺海鸿 张红卫

(陕西彬长矿业集团大佛寺煤矿有限公司，陕西省彬县，713500)

1 工程地质条件

大佛寺煤矿40110综放工作面处于特殊围岩环境条件下，运输巷底臌剧烈、两帮破碎、顶板下沉，给工作面安全生产带来了困难。针对40110回采巷道支护难题，基于一体化综合控制思路，提出了 “泄压槽＋底角锚杆＋底板硬化”支护形式控制巷道地板围岩的稳定性。现场观测结果表明，该支护方案对巷道围岩变形控制效果较好。

40110工作面是401采区东翼沿煤层走向布置的第四个综放工作面，北临40108工作面 (已回采)，西为辅运大巷，其采掘关系如图1所示。工作面内煤层赋存稳定，煤层厚度8.3～12.7m，平均厚度10.5m。煤层普氏系数为2～3。煤层伪顶为泥岩，厚0.75m；直接顶为泥岩，厚1.53m，抗压强度24.6MPa，软化系数0.4，属于易冒落半坚硬不稳定型；老顶下部为粉砂岩，厚度3.18m，上部为中粒砂岩，厚度8.88m，其抗压强度63.76MPa，软化系数0.50，属于半坚硬较稳定型；伪底以炭质泥岩为主，厚度1.43m；直接底为铝土质泥岩，厚度4.07m，其抗压强度29.4MPa。经试验分析得到，底板岩石高岭石含量高达13.22%，而Al2O3含量高达23.3%，软化系数0～0.15，属于不坚硬不稳定型。

2 软岩巷道底臌特征

(1)变形量大。根据测量结果，40110运输巷底板鼓起量大，最大可达1.5m以上，该巷道500～800m斜坡段，7d累计底臌量最大达0.6m以上。

(2)变形持续时间长。软岩巷道底板鼓起具有显著的流变性，故底臌具有明显的时效性，对于软岩巷道底板而言，剧烈的初始变形后，大约要数天甚至数月时间才能进入稳定变形阶段，围岩收敛停止得需更长时间，况且是否能停止收敛变形还取决于支护结构。监测资料表明，巷道开挖3个月后变形速率无明显降低，一般维持在30～80mm／d。

(3)挤压流动性底臌。40110运输巷直接底富含遇水膨胀的高岭石矿物，其中Al2O3含量高达23.3%，浸水后往往会泥化、崩解、碎裂，甚至强度完全丧失，受巷道两侧岩柱传递的水平压力的挤压作用，使巷道两帮内移，引起底板软弱破碎岩体向巷道内整体流动，导致底板岩层从表面向深部发生离层，并在巷道的中部鼓起进而断裂，形成挤压流动性底臌。

3 软岩巷道底臌影响因素分析

引起巷道底臌的因素很多，其中影响最大的因素是底板围岩特性，其次是水理作用和采动影响，同时支护结构对底臌量的大小也有一定的影响。

(1)围岩性态。40110运输巷道底板为3.91m的铝质泥岩，具有力学强度低及遇水易于软化、崩解等不良性质，对巷道稳定性最为不利，底板长期处于敞开无支护状态。因此当巷道围岩压力较大时，造成巷道底板出现应力集中现象，从而在巷道底板岩层中产生大量裂隙。随着两侧的挤压，导致裂缝处的岩层向巷道空间弯曲，表现出显著的底臌现象，进而直接影响巷道顶帮的稳定，产生顶板下沉，两帮内挤，从而造成巷道支护结构的全面失稳破坏。

(2)采动影响。40110运输巷与40108工作面之间留设60m煤柱，受侧向支撑压力影响，巷道成型质量极度恶化，片帮严重，底臌现象异常剧烈，并在巷道中间出现了宽约10～30mm、深300mm的裂缝，通过人工起底来维持巷道的正常使用。当距回采工作面约100m左右时，受超前支撑压力影响，巷道围岩强度进一步减弱，导致底板松软破碎岩体丧失其承载力。

(3)水理作用。水对巷道底臌的影响主要通过水理作用表现出来。由于掘进巷道经常积水，而软弱岩体内节理裂隙发育，水很容易进入岩体内部，使底板围岩长期受到水理、风化作用，愈发加剧了围岩向巷道自由空间内的挤入趋势，从而加大了巷道底臌量。

(4)支护结构。40110运输巷支护只注重巷道顶帮，未对底板进行任何有效支护，底板长期处于敞开不支护状态，从而导致巷道底臌量大于顶板下沉量。该巷道采用锚网索有效支撑巷道顶帮，而支护体系要承受住来自其周围的压力，只得将各种受力向未进行支护的底板即弱面进行传递，破坏了底板原有的应力平衡，以致底板向巷道内隆起，造成巷道底臌。

在上述4个影响巷道底臌的因素中，围岩性质是产生底臌的最根本原因，也是研究巷道底臌控制的重点因素。

4 支护对策

4.1 支护设计原则

针对40110运输巷底臌问题，认为 “强顶、固帮和有效强化底板”是维护巷道底板稳定的关键。基于一体化 (支护体和围岩)综合控制思路确定底臌治理方案，将各个支护方式优点有机结合起来，互为补充，充分发挥支护系统整体承载能力。在此基础上，提出 “底角锚杆＋底板硬化＋卸压槽＋补打顶帮锚杆 (索)”联合支护方式，支护方式如图2所示。

4.2 支护结构参数设计

(1)强顶。顶板采用锚索加强支护，由原支护的 “2＋1”布置形式增强为 “2＋3”布置形式，其间排距为1800mm×2400mm，规格为∅15.24mm×7100mm高强高预应力锚索。通过锚固作用调动深部坚硬岩层的强度，和原有支护体一起增加了松动岩体的强度，起到强顶目的。

图2 支护方式布置示意图

(2)固帮。帮部加固可通过加大锚杆布置密度来实现。由于该工程是修复巷道，施工时巷道围岩的破坏区比较大，因此，在巷道帮部腰线位置增加一排∅20mm×2300mm高强高预应力螺纹锚杆，提高巷道帮部围岩的稳定性。

(3)增加底角锚杆。每侧布置1根锚杆，按45°打设，规格为∅18mm×2000mm高强高预应力螺纹钢锚杆。

(4)底板铺设混凝土。底板浇筑等级强度为C30混凝土，水泥采用425＃普通硅酸盐水泥，内掺防水剂，铺设厚度200mm；在巷道人行侧施工规格为300mm×800mm的泄压槽，施工完后在泄压槽上铺设10mm×600mm (厚×宽)的钢板；在巷道另一侧同时浇灌尺寸为300mm×300mm的导水沟。

5 工程应用效果

大佛寺煤矿40110运输巷采用 “底角锚杆＋底板硬化＋卸压槽＋补打顶帮锚杆 (索)”联合支护技术防治巷道底臌，通过顶底板、两帮表面位移观测，得到巷道表面位移如图3所示:

图3 巷道表面位移—时间关系图

观测数据显示，底臌量最大9mm，平均5.2mm，位移速率0.06mm／d；顶板最大下沉量48mm，平均35mm，顶板平均下沉速率0.44mm／d；左帮最大位移量38mm，平均28.5 mm，平均位移速率0.36mm／d；右帮最大位移量28mm，平均19.1mm，平均位移速率0.24mm／d。矿压观测数据显示，巷道底板未出现裂缝，底臌量大幅度降低，顶板未出现离层脱落等其它变化，巷道支护完整、断面均能达到设计要求，巷道底臌得到有效控制。

6 结论

(1)影响软岩巷道底臌的最根本原因是围岩特性，提出了 “强顶、固帮和有效强化底板”的软岩巷道底板围岩稳定性控制原则。

(2)大佛寺煤矿40110运输巷工程实践表明:底板硬化＋泄压槽＋底角锚杆＋补打顶帮锚杆(索)支护方式能够有效控制巷道底臌，具有较好的经济效益和广阔的应用前景。

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