深井软岩巷道底鼓治理技术研究

何福胜

(西山煤电股份有限公司镇城底矿，山西 古交 030203)

随着煤炭开采深度的增加，围岩应力水平显著提高，巷道维护日益困难。传统支护往往只对巷道帮顶变形进行控制，底板支护因为施工较为困难，常被忽略。然而实际生产过程中，因底板强烈变形而导致巷道围岩整体失稳现象很常见，尤其对于泵房、变电所以及有轨巷道来说，一旦出现强烈底鼓，将严重影响设备的正常运行，成为制约矿井安全生产的关键因素。因此，亟需找到一种切实可行的底鼓防治技术。

1 工程概况

某矿三水平轨道大巷实际埋深约850 m，为双轨运输巷道，是矿井生产的咽喉通道，对支护要求较高。轨道大巷为煤层底板巷道，距离上煤层约20 m，围岩岩性以砂岩和泥岩为主，围岩裂隙较为发育，巷道综合柱状图见图1。

2 巷道支护现状

2.1 原有支护形式

轨道大巷掘出后采用锚网索支护，局部围岩破碎段在锚网索支护基础上进行了注浆加固。

锚杆采用d22 mm×2 800 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶部锚杆间排距为800 mm×800 mm，帮部锚杆间排距为850 mm×800 mm;锚索采用d17.8 mm×5 300 mm1860级钢绞线，间排距为1 500 mm×1 600 mm;注浆段每个断面布置7根注浆锚杆，长2 600 mm。锚网索支护参数与注浆参数见图2。

图1 三水平轨道大巷地质综合柱状图

2.2 巷道变形特征

轨道大巷支护状况典型图片见图3。从图3可以看出，采用高强锚网索以及注浆对帮顶加强支护后，帮顶变形得到了有效控制。但巷道底鼓严重，最大底鼓量超过400 mm，巷道经过多次卧底，严重影响了矿车的安全运行。同时可以看到，多次卧底破坏了底板岩层结构，影响两帮围岩稳定性，出现了帮脚内移现象。

图2 三水平轨道大巷原有支护参数示意图

图3 三水平轨道大巷维护现状图

3 底鼓原因分析

结合三水平轨道大巷实际地质条件，分析造成巷道强烈底鼓的原因主要有以下几个方面:

1)埋深大，应力水平高。

轨道大巷实际埋深达到850 m，上覆岩层平均容重按2 500 kg/m3计，垂直应力水平约为20.5 MPa。

2)围岩整体性差。

由图1可知，轨道大巷围岩岩性以泥岩为主，岩块强度较低，且受构造影响，围岩裂隙较为发育，岩体结构差，易产生碎胀变形。

3)支护缺乏针对性。

由轨道大巷服务期间变形情况看，底板变形显著大于帮顶变形，而现有支护只对帮顶进行加固，底板未作处理，导致底板成为支护结构的薄弱环节，即围岩变形的突破口，而反复的卧底，又破坏了底板岩层的原有结构，极易诱发两帮内移，从而影响巷道围岩整体稳定性。

4 高强锚网索治底技术研究

根据三水平轨道大巷实际采矿地质条件，运用FLAC数值模拟软件建立数值分析模型，分析不同支护条件下巷道底鼓量变化情况。

4.1 建立数值分析模型

建立数值分析模型，见图4，模型尺寸为40 m×40 m，采用莫尔、库仑模型，在模型中间开挖5 m×5 m直墙半圆拱形巷道。

模型的左右边界及下部边界定义为全约束边界，上部边界为应力边界，即在上边界施加18 MPa的垂直应力，等效上覆800 m厚的上覆岩层压力影响。

图4 数值分析模型图

模型岩体力学参数见表1，巷道布置在泥岩岩层中。

表1 数值模型岩石力学参数表

4.2 数值模拟方案

通过改变模型支护条件，分析底板无支护、底板锚网支护、底板高强锚网索支护3种情况下的底鼓差异。分析不同方案控底效果时，帮顶支护方案均采用高强锚网索支护。

4.3 数值模拟结果分析

采用不同方案控底时的巷道围岩位移场分布情况图见图5。从图5可以看出，底板不采取任何治底措施时，巷道变形特征表现为底板强烈鼓起，两帮内移严重，底鼓量占顶底板移近量的80%以上。与轨道大巷实际变形特征一致。

采用锚网支护技术控底时，巷道浅部岩体中形成了较为完整的支护结构，围岩变形得到较大程度的控制，但不难发现由于锚杆加固范围较小，底板浅部岩体出现整体上移，底鼓量仍然较大。

在锚网支护基础上，通过高强预应力锚索能够将锚杆在底板围岩中形成的结构层锚到深部稳定岩体上，大幅提高了锚网支护结构的整体稳定性。从数值模拟结果也能看出，采用高强锚网索控底后巷道底鼓量很小，控底效果理想。

图5 不同控底方案条件下巷道围岩位移场分布情况图

5 现场工业性试验

5.1 三水平轨道大巷高强锚网索治底方案

根据三水平轨道大巷跨度，在两排枕木之间布置底板锚杆，同时采用锚索进行加强支护。底板锚杆选用d22 mm×3 000 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆;锚索选用d17.8 mm×5 000 mm1860钢绞线。锚杆索间排距为900 mm×1 000 mm，分A、B断面相间布置，具体支护见图6。

图6 三水平轨道大巷底板锚网索支护方案图

5.2 支护效果分析

在试验巷道，选择典型断面对实施高强锚网索控底后的巷道表面位移变化进行实时观测，测试断面内测点布置见图7。AB变化为两帮内移量，EF变化为左边底鼓量，OD变化为中间底鼓量，CG变化为右边底鼓量。

图7 巷道表面位移测点布置断面图

巷道围岩表面位移观测结果见图8。从图8可以看出，在底板治理结束42 d时，巷道两帮移近量及底鼓量达到最大值，最大两帮内移量约5 mm，最大底鼓量约4 mm，此后巷道表面位移量趋于稳定，位移速度也已明显降低，并趋于零，两帮及底鼓变形得到有效控制。

图8 巷道围岩表面位移变化图

6 结论

1)煤炭开采进入深部以后，巷道底鼓问题日益突出，底鼓的有效防治成为控制巷道强烈变形的关键。

2)单纯采用锚杆支护控底能够起到一定的控底效果，但由于锚杆支护范围小，导致巷道底鼓得不到彻底控制。而在锚杆支护基础上采用预应力锚索对锚杆支护结构进行补强支护，往往控底效果更佳。

3)底板支护施工困难是阻碍底鼓治理技术推广实施的关键因素，在实施底板支护方案时，应根据实际工程特点，制定切实可行的施工措施，确保支护施工质量达到预期。

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