深部动压影响软底巷道底鼓机理及控制措施

李万仕

(1.陕西华彬煤业股份有限公司； 2.西安科技大学能源学院)



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深部动压影响软底巷道底鼓机理及控制措施

李万仕1，2

(1.陕西华彬煤业股份有限公司； 2.西安科技大学能源学院)

以蒋家河煤矿回风大巷为例，采用现场实测和工业试验方法分析得出巷道在围岩特性、地应力、水理性、邻近工作面采动影响和现行支护结构5个因素诱导下发生复合型底鼓，底板岩性和水理性是巷道底鼓的本质原因，通过实施全断面预应力注浆综合加固方案，有效控制巷道围岩破坏变形。

泥岩 复合型底鼓 流变 全断面预应力注浆综合加固法

随着煤矿开采深度的不断增加，巷道底鼓问题成为制约矿井安全生产的技术难题。在巷道围岩控制方面，黄庆享等[1-2]根据巷道顶板、两帮、底板的相互影响关系，提出了极限自稳平衡圈理论；康红普[3]分析研究了采动、侧压系数对巷道底鼓的影响以及底板软岩层厚度、两帮围岩力学性质与底鼓的关系；王卫军[4]通过数值模拟研究了两帮对巷道底鼓的影响，提出了加固两帮控制巷道底鼓的对策；赵维生等[5]研究了主应力对深部软岩巷道围岩稳定性的影响规律；杨军等[6]研究了彬长矿区亭南煤矿大巷底鼓机理，提出了“四控”、“一措施”控制巷道底鼓。彬长矿区蒋家河煤矿开采侏罗纪延安组煤层，煤层底板为炭质泥岩和铝质泥岩，回风大巷沿煤层底板布置，巷道底鼓现象尤为严重。相关人员针对蒋家河煤矿巷道围岩控制开展了研究[7-11]，本文针对巷道底鼓机理及控制措施进行研究，以保证巷道安全可持续生产。

1 工程概况

1.1 巷道概况

蒋家河煤矿回风大巷采用直墙半圆拱形断面，高4 m，宽4.8 m，埋深为600～625 m，采用锚网索喷支护。巷道南边为ZF1402工作面，保护煤柱为70 m。回风大巷沿4#煤层掘进，顶板10 m范围内主要岩性是泥岩、砂质泥岩和中砂岩，泥岩强度平均为29.34 MPa，中砂岩强度平均为45.65 MPa，砂质泥岩强度平均为32.34 MPa；4#煤完整性较差，强度主要集中在10～32.28 MPa，平均为14.58 MPa；底板为炭质泥岩和铝质泥岩，遇水易膨胀。

1.2 巷道破坏特征

顶板：拱顶喷层大片开裂脱落，钢筋网片外露；拱顶受挤压水平错动破坏出现网兜，网兜高度最大为300 mm；拱顶出现倒“V”字破坏，最大破坏深度为670 mm。

帮部：两帮喷层大部分较为完整，局部有开裂，两帮宽度保持在4 400～4 600 mm，移近很小。

底板：底鼓变形最为严重，底鼓量平均在1 500 mm以上，局部最大底鼓量超2 200 mm。中间底鼓量大，两帮帮脚处底鼓量较小。

巷道破坏变化情况见图1。

图1 巷道破坏变化情况示意(单位：mm)

2 巷道围岩破坏主要诱因

2.1 巷道围岩特性

回风大巷处于4#煤层之中，煤层裂隙发育，完整性较差，强度低；顶板岩层存在较为明显的裂隙和夹层，顶板6 m以下围岩裂隙发育；巷道底板为泥岩和铝土质泥岩，强度极低，容易破坏。

2.2 地应力

回风大巷所在区域最大水平主应力为27.82 MPa，最小水平主应力为14.03 MPa，垂直主应力为14.95 MPa，属于高应力区域，区域构造应力占绝对优势。巷道开挖后，水平应力在巷道两帮出现应力降低区，在巷道顶板与底板出现应力集中区。底板在水平应力挤压下向巷道内部鼓起，形成底鼓。

2.3 水理作用

通过X射线衍射分析等实验得出，回风大巷底板泥岩主要成分为高岭石、伊利石和伊蒙混层，含量分别为67%、15.5%和14%。高岭石、伊利石、伊蒙混层具有遇水软化与泥化特性，伊蒙混层具有遇水膨胀性。通过吸水试验可知：底板铝质泥岩吸水量随时间而增大，初始吸水速率比较大，吸水量呈线性增长，吸水增加到一定时间后，吸水速率逐渐减小，曲线变缓，最终达到平衡；试样强度随吸水量的增加而减小。

2.4 支护结构

回风大巷属于大断面巷道，现有支护对巷道底板未采取控制措施，加之底板为泥岩，强度低，遇水后膨胀、泥化现象严重；在高应力作用下，底板成为整个巷道的薄弱点，使得底鼓较为显著。两帮及顶板锚网支护组合构件匹配不合理，支护强度低，锚杆破断力小，组合构件护表面积小，锚索预应力无法扩散，导致垂直应力通过两帮传递到底板。

2.5 采动影响

回风大巷距离ZF1402工作面100 m以上时，巷道底鼓量较小，为500～620 mm；距离工作面100 m以内，巷道底鼓速率增大，底鼓量迅速增加，达到2 030 mm；测点进入工作面后方50 m时，巷道底鼓速率减小，底鼓量达到2 120 mm，趋于稳定。

3 巷道底鼓机理及控制原则

3.1 巷道底鼓机理

异常集中的区域构造应力、现行不合理的支护结构、邻近工作面采动影响和巷道担负排水任务等影响因素是巷道发生变形破坏，尤其是底鼓的重要外在原因：①炭质泥岩和铝质泥岩抵变形能力差，巷道开挖后底板在垂直应力和水平应力长时间作用下产生流变；②巷道围岩裂隙发育，遇水后极易导通向围岩内部扩散，致使发生底鼓；③受临近工作面的回采扰动，矿压显现明显，进一步加剧了巷道变形破坏;④现有支护形式使巷道底板处于无支护状态，对顶板、两帮岩(煤)体的支护强化使得底板难以与之形成相应的完整承载结构，成为承载的薄弱区域，导致底鼓变形在巷道变形破坏中最为突出。

回风大巷属于复合型底鼓，主要由高应力作用下底板岩层扩容引起的弯曲型底鼓、吸水性矿物成份遇水产生的膨胀性底鼓以及软弱岩层在高应力作用下的流变等组成。加强底板支护、防止底板见水是巷道底鼓控制的关键。

3.2 控制原则

回风大巷底鼓控制原则：

(1)底板防封水是关键。

(2)主动支护，强化底板强度，提高承载能力。

(3)采用“整环支护”理念，将底板、帮、顶板做整体考虑。

(4)关键部位加强支护，即对巷道两底角加强支护。

针对巷道底鼓发生机理，结合上述原则，对回风大巷采取全断面预应力注浆综合加固法进行围岩控制，采用深孔和浅孔相结合的注浆方法，提高注浆效果和巷道围岩的完整性，依托高预应力和预应力扩散为核心的支护理论进行锚索全断面补强支护。

4 工程实践

4.1 巷道加固

4.1.1 预注浆

为封堵围岩表面裂隙，对巷道进行全断面预注浆。底板预注浆孔为5排，“五花”布置，排距为750 mm，间距为3 000 mm，深2 500 mm；沿巷道走向顶板及两帮预注浆孔为9排，“五花”布置，排距为1 175 mm，间距为2 400 mm，深6 000 mm；直径均为56 mm。采用铝塑注浆管全长一次注浆，封孔材料为棉纱和水泥-水玻璃双液浆，注浆压力为1～3 MPa。

4.1.2 锚索加固

锚索采用φ22 mm的1×19股高强度低松弛预应力钢绞线和300 mm×330 mm×16 mm异形高强度拱形托盘，在托盘拱部自钻一个φ20 mm注浆孔。

底板锚索布置4排，间距为1 200 mm，排距为1 200 mm，两边锚索外扎15°施工，其余锚索垂直底板施工，锚索孔孔径为56 mm，锚索长5 500 mm，采用水泥浆锚固，锚固端为1 200～1 500 mm，制作成鸟笼锚索；其余长度套装内径24 mm、外径26 mm塑料套管并密封，成为自由段。底板锚索配合φ20 mm圆钢制作钢筋梯子梁、φ6.5 mm钢筋焊接网片综合加固。

顶板及两帮锚索布置7排，排距为1 200 mm，间距为1 500 mm，钻孔直径为32 mm，锚索长6 300 mm，采用树脂加长锚固，锚固长度为1 560 mm。

4.1.3 二次注浆

为了浆液能更好地充填岩层裂隙，采用水泥浆对分锚索孔二次注浆，注浆终止压力为2～3 MPa。

4.2 综合加固效果分析

4.2.1 巷道表面位移分析

巷道加固后30 d围岩出现变形，110 d后逐步趋于稳定，半年内两帮移近量、底鼓量、顶板下沉量分别达到11,22，12 mm。位移监测结果见图2。

图2 巷道围岩移近量监测结果

4.2.2 锚索受力分析

加固后，锚索与巷道围岩相互作用，锚索受力先后经历快速增长期、波动变化期和平稳变化期，锚索应力值稳定时间与围岩变形稳定时间接近，此阶段锚索受力达到最大(342 kN)，但尚未达到锚索的屈服极限(550 kN)，表明锚索有一定的安全储备，巷道支护安全可靠。锚索受力监测结果见图3。

图3 锚索受力监测结果

5 结 论

某巷道属于复合型底鼓，是巷道围岩特性、地应力、水理作用、现行支护结构及采动影响等因素综合作用的结果。采用全断面预应力注浆综合加固后，半年内巷道底鼓量为22 mm，两帮移近量为11 mm，顶板下沉量为12 mm，锚索最大受力为342 kN，支护形式合理可靠，能够有效控制巷道变形破坏。底板防封水，主动支护，“整环支护”，关键部位加强支护是控制巷道底鼓的重要原则。

[1] 黄庆享，刘玉卫．巷道围岩支护的极限自稳平衡拱理论[J]．采矿与安全工程学报，2014，31(3)：354-358．

[2] 黄庆享，郑 超．巷道支护的自稳平衡圈理论[J]．岩土力学，2016，37(5)：1231-123．

[3] 康红普．应力状态及围岩性质对巷道底鼓的影响[J]．矿山压力与顶板管理，1994，11(2)：43-46．

[4] 王卫军，冯 涛．加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(5)：808-811．

[5] 赵维生，韩立军，张益军，等．主应力对深部软岩巷道围岩稳定性影响规律研究[J]．采矿与安全工程学报，2015，32(3)：504-510．

[6] 杨 军，石海洋．亭南煤矿深部软岩巷道底鼓“四控”机理及应用[J]．采矿与安全工程工程学报，2015，32(2):247-252．

[7] 蔡克海，刘会斌，安俊孝，等．彬长矿区软底巷道变形特征及治理方案[J]．煤矿开采，2013，18(5)：60-62．

[8] 李万仕，胡 伟．复杂条件下软底巷道变形特征及治理方案[J]．陕西煤炭，2015，34(6)：74-76，111．

[9] 丁向勇．蒋家河煤矿锚杆支护技术研究与应用[D]．西安：西安科技大学，2014．

[10] 李万仕．极限自稳平衡圈理论在巷道围岩控制中的应用[J]．中州煤炭，2015，239(11)：59-62．

[11] 丁向勇，师 勇，胡永江，等．单一厚煤层煤巷支护研究[J]．煤炭技术，2016，35(6)：62-64．

Mechanism of the Influence of Deep Dynamic Pressure to the Floor Heave of Roadway Soft Floor and Controlling Measures

Li Wanshi1,2

(1.Shaanxi Huabin Coal Company Co.,Ltd.;2.College of Energy Science and Engineering, Xi'an University of Science and Technology)

Taking the return air roadway of Jiangjiahe coal mine as the study example,the in-situ measure method and industrial test method are adopted to analyze the cause of the floor heave,the analysis results show that the compound floor heave is produced under the influence of surrounding rock characteristics,in-situ stress, hydraulic nature,mining influence of nearby working face and supporting structure,the rock characteristics and hydraulic nature of the roadway floor are the essential influence factors of the roadway floor heave.Based on the above analysis results, the prestressed grouting comprehensive reinforcement scheme in whole section is proposed,the failure strain of roadway surrounding rock is controlled effectively.

Mudstone,Compound floor heave,Rheological,Prestressed grouting comprehensive reinforcement method in whole section

2016-07-19)

李万仕(1985—)，男，总工程师，工程师，硕士，713500 陕西省咸阳市彬县姜嫄街5号。