大柳塔煤矿活鸡兔井2-2煤层巷道底臌原因分析及对策

乔大良

(神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

活鸡兔井田位于陕西省与内蒙古自治区交界处的陕西一侧。井田构造复杂程度综合评价为简单构造，煤层稳定程度综合评价为稳定，含煤地层为中下侏罗统延安组，井田水文地质条件中等，工程地质条件中等，环境地质质量中等，可采煤层为7层，即1-2上、1-2、2-2上、2-2、3-1、4-3、5-1煤，煤层倾角1°～3°，属于典型近距离煤层。目前，2-2煤南翼三盘区几个工作面已经采完，22311、22310、22309作为备采面已经陆续圈出，2-2煤二盘区工作面正在设计规划中，2-2煤上分层为1-2煤，工作面多处在采空区下方，压力显现明显，且该煤层断层发育明显，受采动、水、岩石性质等多方面因素的影响，2-2煤煤层巷道底臌明显，导致巷道断面变形、减小，阻碍井下行车和行人，影响通风，并且给巷道后期维修和采掘带来很大的困难，严重时需要封闭底臌旧巷道，重新掘新巷道。为了减小底臌对煤矿的影响，有必要掌握底臌的原因及采取措施来减小底臌的危害。

1 底臌的定义及分类

受采掘、水等多因素的影响，巷道顶底板和两帮岩体产生变形并向巷道方向产生位移，巷道底板向上隆起的现象叫作巷道底臌。底臌能使巷道严重变形，断面变小，影响通风、运输并制约着矿井的安全生产。按照底板隆起位移量和产生破坏的程度可以把底臌分为：轻微底臌、明显底臌、严重底臌、破坏性底臌4种类型，如表1、图1所示。

表1 巷道底臌分类

图1 巷道底臌示意图

2 巷道底臌原因分析

围岩性质：2-2煤层直接底为细砂岩，厚度1.27～8.57 m，呈深灰色，含大量植物化石碎片，顶部有0.1 m的膨润土及0.8 m粘土岩。老底为粉砂岩，厚度8.51～15 m，呈浅灰色，具斜波状层理、透镜状层理，含丰富的炭化植物茎杆及碎片，夹细粉砂岩，细粒砂岩薄层及条带。底板直接底上部有0.1 m的膨润土及0.8 m粘土岩，工作面出现底臌时水通过底板裂隙渗入软岩内部，加剧底板软化，降低了底板强度。工作面直接底局部发育的膨润土遇水极易膨胀，膨胀倍数一般在20～30倍，底臌地段有膨润土的情况加剧了底臌程度。

水对岩石强度的影响：水的作用减少了岩石层理和裂隙间的摩擦力，破坏了岩石的整体性，降低了连接强度，使岩石的节理面、层里面和裂隙面之间形成了滑面，导致岩石强度降低，可塑性增大。再者，岩石中的某些矿物成分遇水易膨胀，两者结合，最终底板隆起底臌。2-2煤主要充水水源为上覆基岩裂隙水，基岩裂隙水整体富水性弱，局部基岩及断层面处裂隙较发育，有一定富水性；工作面上部有1-2煤采空区，层间距21～34.2 m，1-2煤采空区局部低洼区域可能有一定积水，当工作面掘进时可能通过断层、裂隙渗入井下，造成工作面涌水量增大，2-2煤断层发育较为明显，断层附近煤岩破碎，局部富水性较强。

地压及采动的影响：围岩中存在高地压是造成巷道底臌的决定性因素。深部巷道比浅部巷道底臌情况发生频率高，这完全是由于地压增高所致，2-2煤工作面一般采深都在200 m以下，受地压冲击剧烈，决定了煤层巷道底臌现象的时有发生。

时间累积效应：井下巷道使用年限越长，流变引起巷道岩石强度降低程度越大，导致底臌隆起位移量越大，此时，引入时间参数、软岩抗剪强度T、内摩擦角&、粘结力C均为时间的参数，依据法国科学家摩尔、库伦建立的摩尔-库伦准则理论

式中：T—软岩抗剪强度；&—内摩擦角；C—粘结力；t—计量时间。

从算式可以看出，依据软岩时刻力学数值，可以分析计算出在某时刻内底板的破坏程度和底臌位移量。显然，巷道使用和维护时间累积越长，底板的破坏程度越大，隆起位移量随之也增大。活鸡兔井2-2煤层是最先开采的煤层，各辅运、主运、回风和其它大巷使用年代长，维护次数多，依据摩尔-库伦准则，该煤层底臌现象严重也是有理论依据的。

2-2煤层底板支护现状：一般认为巷道底板不底臌不需要支护，只支护两帮及顶板就安全了。再者，底板支护过程比较困难，出矸石工作量大，人们一般不愿意提前做预防底臌工作，导致底板长期处在不支护状态，随着时间累积，受外界因素的影响，底臌就发生了，加大了巷道后期维护费用。2-2煤层各巷道同样未采取预防底臌措施，多次造成砼底板重起重施工，巷道废弃再新掘的后果，浪费大量的物力人力，如22311回撤辅巷施工完以后，放置时间较长，底臌位移量达2 m以上，辅巷已经失去了维护和使用的价值，不得已重新开口掘通道，原来的通道作为回撤辅巷，如图2所示。

图2 22310新回撤通道掘进设计图

巷道的大小和形状：特别宽大的巷道比窄巷道更容易发生底臌，因此要重视巷道布置方向及巷道尺寸的大小，依靠正确调整巷道方向与构造应力方向间的关系，削减构造应力对巷道围岩稳定性的影响。2-2煤层巷道一般都为大断面巷道，多数布置在宽5 m，高3.4 m左右，增加了应力对围岩的影响，易发生底臌，如图3所示。

图3 2-2煤层底臌实图

3 巷道底臌预防和治理措施

巷道底臌严重制约着煤矿的安全生产，鉴于其危害及负面影响，需要及时采取一定的措施来降低和控制底臌发生率，大柳塔煤矿在克服底板底臌问题上一直采取起底法，即将巷道已底臌的部分清除，然后再回填。该方法相对滞后，是消极的处理办法，在明显底臌和破坏性底臌巷道内，需要多次起底，破坏了巷道岩性稳固性，影响了井下通风，工程量大，成本高；并且施工过程中，对人员也存在一定的安全隐患，尤其在底臌较强烈的巷道中，更是如此。本文着重推荐两种方案以克制底臌的发生。

预防和处理巷道底臌的办法一般可以分为两种类型，加固法和泄压法。前者主要是增加巷道围岩强度和巷道支护强度来增大抵抗巷道底板变形的能力，后者主要是利用泄压巷道或空洞，将作用在巷道围岩上的应力转移到其它更远的深部。

3.1 巷道底板防治水(前提)

巷道底板岩层长期在水中浸泡状态下，任何防治底臌的措施效果都会大打折扣，在治理底臌时，一定要预先处理底臌段的积水，及时排掉；对水量大，渗透性强的岩层底板，多采用引流、疏导措施；对于含水量不大或者渗透性不强的岩层，多采用及时封闭的措施；控制施工期间的用水，集中排放，减少对地面的浸泡；回采和掘进过程中，遇水及时设泵抽排，减少跑冒滴漏，从细节上减少水对底板的损坏。

3.2 帮顶加强支护+底锚杆加固(措施一)

该措施既在巷道顶板施工8根φ18 mm×2 100 mm的锚杆和3根φ17.8 mm×8 000 mm的锚索；在两帮分别布置6根φ18 mm×2 100 mm的锚杆和2根φ17.8 mm×8 000 mm的锚索；在底板施工4根φ18 mm×2 100 mm的角锚杆和4根φ18 mm×2 100 mm的底锚杆。加固巷道底板、两帮、角部和底板后，巷道底臌现象会得到一定的控制，通过对顶板和帮角加固支护控制，底臌量和顶板下沉量都在不同程度地减少，施工示意图如图4所示。

图4 措施一施工示意图

3.3 帮顶加强支护+混凝土浇筑底板(措施二)

钢筋混凝土浇筑，会对底板形成强大的凝固力，可以抗拒底臌向上的冲击力。该措施使用C30混凝土浇筑控制底板，浇筑前铺放钢筋网片，为了让底板混凝土和帮形成一个良好整体，在浇筑的边缘两边分别施工2套φ18 mm×2 100 mm锚杆，加固体做好后，要及时设泵抽排上面的积水，减少水对底臌的作用。施工示意图如图5所示。

图5 措施二施工示意图

3.4 帮顶加强支护+混凝土浇筑+单体支柱(措施三)

回采巷道底板大多未进行支护，处于开放零散状态，易导致围岩失稳并形成底臌，因此，可以在巷道围岩附近构建一个封闭的挤压区域。该措施首先对底板起底，保证底板平整，再安装混凝土预制块，预制块尺寸要合适，采用C30混凝土+钢筋浇筑成型，再用铲车安放，然后在其周围布置单体液压支柱，每排安装10根单位，排距0.5 m，混凝土块安装完毕后要及时处理接缝的水，减小水对底板的软化作用。该措施能够控制底板起伏量，进而有效地遏制底臌现象的发生。

3.5 三种措施的比较

措施一：具有较好的底臌治理效果，能对底臌起到防止和抑制作用；但由于两帮移近量的大小比较模糊，并且如果巷道继续出现底臌，底板锚杆的作用将大大减弱，再者由于底板锚杆施工过程比较困难，所以，该措施可以在底臌不是十分明显的情况下使用。

措施二：底臌治理效果好，浇筑的混凝土具有一定的抗拒力，可有效阻止底臌现象的发生；该措施的弊端是施工期间影响正常运输和通车，再者混凝土和钢筋网片费用高，成本消耗量大。

措施三：从治理效果上看不如前两种措施，但是单体支柱可以循环利用，成本相对较小且可以根据底臌程度增减单体，可有效地控制底板起伏量，操作简单有效，安装时间短，最重要的是对巷道的日常运输机行人影响小，因此该措施可以用在底臌不严重，或者作为底臌后的补救措施。

但综合起来考虑，措施二效益比较明显，该措施适合巷道底臌强烈情况下施工，视巷道底臌情况可有选择性地施工。2-2煤层作为底臌强烈显现的煤层，在巷道布置合理的前提下，建议使用措施二，如果在巷道掘进时就开始按此方法施工，可大大缩短开采期间的巷道底臌治理时间，获得最佳的底臌治理效果。

4 结语

大柳塔煤矿作为我国一个“高产、高效”矿井，巷道底臌现象是制约煤矿发展的一个重要瓶颈，文中从2-2煤层底板岩性、地压、巷道尺寸、支护等多方面剖析了底臌的原因，并提出了三种措施。措施一适用在底臌不是十分剧烈的大断面巷道中；措施二适合在永久性巷道、底臌问题特别明显，底臌非常剧烈的巷道中使用；措施三适合在底臌不严重，或者作为底臌后的补救措施。作为一个底臌问题严重的煤层，2-2煤层选择措施二来治理，能够达到最优的治理底臌效果，降低该煤层底臌率，在推动大柳塔井“高产、高效”发展方面作出一定的贡献。