软岩大断面巷道底鼓治理方法探讨

张天东，苏学贵，杨宗一

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.太原煤气化炉峪口煤矿，太原 030204）

软岩大断面巷道底鼓治理方法探讨

张天东1,2，苏学贵1，杨宗一1

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.太原煤气化炉峪口煤矿，太原 030204）

巷道底鼓往往是底板岩层层理破坏、矿压增大等综合作用的结果，会直接影响安全生产。针对峪口煤矿9号煤首采区变电所所在位置的底鼓情况，通过分析巷道所处的特殊地质条件和围压增大造成底鼓的机理，提出了采用底板锚杆配合底梁施工的治理方法。经工程应用和监测分析，取得了良好效果，较好地解决了采区变电所巷道断面较大、底板松软条件下的底鼓问题，为同类地质条件下巷道底鼓治理提供可行的借鉴经验。

底鼓；大断面；矿压；锚杆

巷道开挖后，围岩中的原岩应力状态会被打破，引起应力重新分布，围岩也会发生相应变形[1]。通常松软地带，随着埋深、巷道断面、围岩应力的增大围岩变形越发明显，巷道被破坏愈加严重[2]，而巷道的底板支护往往在施工时被忽视，当巷道底板岩体软弱，矿山压力增大时，巷道底板就会向巷道内部发生较大的塑性变形，即形成巷道底鼓。底鼓也是一种大断面软岩巷道矿压显现的重要特征之一[3]。文章对炉峪口煤矿9号煤层大断面采区变电所的底鼓破坏进行了研究，在综合分析的基础上提出一种合理可行的的底鼓治理方案。

1 工程概况

炉峪口煤矿9号煤首采区变电所位于9号煤层胶带、轨道下山煤柱之间，相对位置见图1。距离该采区三条暗斜井见煤落坡点不足20m，附近有9101工作面采空区、首采区避难硐室等众多巷道，且断层较多、地质构造复杂，导致该采区及附近巷道矿压显现明显，巷道支护困难。但在施工初期只是对底板进行了硬化处理。采区平面布置图见图2。

图1 变电所相对位置图

图2 采区平面布置图

但在后期发现该采区变电所发生了比较严重的底鼓变形，底鼓范围为从采变联络巷入口处开始往前约25.0 m段，现场主要体现在巷道右侧轨道隆起，高出左轨最大150 mm左右，巷道底板硬化层均已破裂、鼓出严重，无法进行正常轨道运输，并有继续扩大的趋势。由于巷道用途重要，服务年限长，因此要求高、治理难度大，治理后需保证巷道在可预见的使用年限内不再进行翻修或少翻修。

2 巷道底鼓机理分析

通常认为，在巷道开掘后，周围岩层由三向应力变为二向应力状态，岩体产生应变，在应变能释放过程中，软弱底板的浅部岩层发生离层或破坏时就会导致底鼓[4]；引起底鼓有3个最主要的因素：一是松软的底板岩层；二是较高的巷道围岩压力；三是岩层中水导致岩石膨胀[5]。

在本工程中，采区变电所及三条下山所处层位为太原组9号煤层，该组地层矿井水主要来自太原组灰岩含水层，但本组灰岩含水层补给条件差，富水性弱，所以太原组灰岩含水层水对工作面的正常掘进影响不大，而从实际情况来看，底板含水对岩石的膨胀影响并不大。而从该地段综合特点（如表1所示）上来看，巷道直接顶与直接底均为与煤层硬度接近的泥岩及砂质泥岩，传递压力能力较弱，但岩层层理性较好，这种软弱层状岩层容易因压力作用而产生挠曲折皱和受岩层中水平应力作用而导致的剪切错动。

因此从地质条件上分析，该巷道底鼓的主要原因由于底板岩石的软弱和围岩应力集中以及水平应力增大共同作用的结果。

表1 地质综合特点

3 巷道底鼓治理措施

在该巷道掘进施工时，因巷道断面较大、围岩压力大，巷道顶帮采用较大密度的锚杆、锚索、喷浆支护，但对于底板仅作硬化处理，从现场来看，巷道顶帮支护并无失稳破坏，正说明围岩压力已集中在巷道支护最为薄弱的底板岩层上，使岩层发生挠曲错动[6-7]。

采变巷道内存放有重要设备，采用泄压或松动爆破不符合现实；巷道顶底板岩石均较软弱，采用注浆加强底板围岩可能导致围岩应力分布不平衡，将压力转嫁给巷道顶、帮，导致支护失效。

与泄压、注浆方法相比，最为稳妥、快捷的方法是在巷道底板上施工锚杆，使其与顶、帮锚杆共同在巷道四周形成“连续压缩拱”，同时还可利用锚杆抗剪作用，阻止底板岩层的错动移位，并在一定程度上使锚固力与围岩压力相互平衡，保持巷道围岩稳定性[8]。

在以上分析的基础上，针对实际情况，最终采用了安装底梁和地锚的施工方法对该巷底板岩石进行补强，维护底板层状结构，保证围岩稳定，使巷道底鼓得到治理。

该施工方法主要包括底梁安装和底板锚杆施工两个主要内容，具体施工工艺为：

1）在底板削底并清理干净后，先铺设底梁，底梁为1.8 m的11号矿用工字钢制作，侧面打3个φ22 mm的通孔，安装排距为800mm，底梁垂直于巷道走向布置，错开枕木，放置于轨道下方；

2）使用φ18 mm×1 600 mm圆钢锚杆在底梁孔内进行固定，每根底梁安装3根锚杆，锚杆要求垂直于底板安装，外露长度不超过30 mm，每根锚杆配MSCK2355树脂药卷1卷、MSZ2355树脂药卷1卷，从柱状图上，该型锚杆可以穿透软弱的底板泥岩，到达较为稳定的砂岩中。

3）在底梁、地锚安装完毕后还要将底鼓处的轨道进行重新铺设，枕木放平，轨道扶正，恢复设计状态，最后使用C20混凝土对巷道底板进行重新硬化，将底梁和枕木全部埋入底板硬化层内，硬化厚度200mm。

底鼓治理前后断面图见图3、图4。

图3 9号煤首采区变电所底鼓治理前断面图

4 稳定性分析

在对巷道底鼓采取治理措施后，对原底鼓处的底鼓量进行30 d的连续监测，并与之前底鼓监测数据进行对比，得到以下对比曲线，见图5。

图4 9号煤首采区变电所底鼓治理后断面图

图5 底鼓治理前后底鼓量检测对比

从图中能够看出在治理后，巷道底鼓量得到明显改善，底鼓量由150 mm下降到20 mm，这说明巷道底鼓现象明显减弱，底板的稳定性大幅提升，该方法完全满足安全生产要求。

5 结束语

通过对大断面巷道底鼓机理的分析与治理措施的实际应用表明：

1）引起巷道底鼓的主要原因为底板岩层松软、巷道围岩压力增大以及底板岩层中遇水导致岩石膨胀。

2）该矿采区变电所底鼓的主要是由于底板岩层软弱、围岩应力集中以及水平应力增大共同作用的结果。

3）采用底板锚杆配合底梁方法进行治理后，底鼓量控制在了20mm之内，表明软岩大断面巷道底鼓得到有效控制。

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，2003．

[2]李开学，王宏图，刘正海.巷道底鼓理论与防治技术[J].矿业安全与环保，2008，35(3)：86-88．

[3]康红普.软岩巷道底鼓的机理及防治[M].北京:煤炭工业出版社，1993．[4]刘成,宋选民,刘叶,等.大断面回采巷道层状底板底臌机理及其防治对策[J].煤炭学报,2014（6）:1049-1055.

[5]颜炳成.巷道底鼓与防治[J].科技信息，2008（30）：312-312．

[6]刘泉声,刘学伟,黄兴,等.深井软岩破碎巷道底臌原因及处置技术研究[J].煤炭学报,2013（4）:566-571.

[7]郑西贵,刘娜,张农,等.深井巷道挠曲褶皱性底臌机理与控制技术[J].煤炭学报,2014（3）:417-423.

[8]周冬磊，王连国，王占盛，等.大断面软岩巷道底鼓机理及控制对策研究[J].矿业研究与开发，2012，32(1)：59-63．

（编辑：武晓平）

Control M ethod of Floor Heave in Large Section Roadway w ith Soft Rock

ZHANG Tiandong1,2,SU Xuegui1,YANG Zongyi1
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Luyukou Mine,Taiyuan Coal Gasification(Group)Co.,Ltd.,Taiyuan 030204,China)

Floor heave,usually caused by thebedding damage and increased pressure of floor rock, directly affects the safety production in mines.On the analysis of the geologic condition and the mechanism of the floor heave caused by the increasing confining pressure,the paper proposes a floor heave controlmethod in bottom beam construction with flooranchored bolt in the position of the substation of No.9 firstmining area in Luyukou Coal Mine.On the analysis on engineering application and monitoring,the results show that thismethod can solve the floor heave in the condition of large and soft floor in the substation roadway,providing feasible reference for the floor heave control under similar geologicalconditions.

floorheave;large section;ground pressure;bolt

TD322

A

1672-5050（2016）06-010-04 DO I:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.003

2016-09-27

张天东（1967-），男，山西平遥人，在读工程硕士，教授级高级工程师，从事煤炭开采技术与管理工作。