泥岩顶底板回采巷道底鼓机理及控制技术

罗晓龙

（西山煤电官地矿，山西 太原 030022）

在工作面回采过程中，两巷的稳定是保证正常生产的关键，但成巷后，由于应力状态的改变导致围岩的受力情况发生变化，在超前支承压力或构造应力等的影响下，巷道顶底板、两帮均会向巷道内移动，形成顶板下沉、两帮移近和底鼓等。一般来说，小于200 mm 的底鼓不需采取专门的应对措施，但对于软岩顶底板巷道，一般底鼓量大于500 mm，需要反复卧底维修，增加了工程量。

根据相关的统计，在某些软岩顶底板煤矿，由于巷道底鼓反复维修增加的工程量甚至超过了新掘巷道的长度，严重限制了综采高产高效能力的发挥[1-5]。

1 概况

山西焦煤集团有限责任公司官地矿33423 工作面位于北四采区，所采煤层为3号煤，煤层结构简单，煤层倾角2°～11°，平均6°。煤层厚度3.0～3.7 m，平均3.3 m，盖山厚度200～430 m，平均厚度325 m。煤层顶底板岩性如图1。

图1 33423 工作面顶底板岩性

由柱状图可以看出，煤层顶底板岩性较差，存在一层0.40 m 的炭质泥岩伪顶，顺槽掘进过程中随掘随冒。直接顶和直接底均为泥岩，强度较低，对巷道影响较大。33423 工作面范围整体为单斜构造，工作面范围内预计有大小断层十余条，其中最大落差为4.5 m。

33423 工作面倾斜长度为186 m，走向长度为1034 m，采用综合机械化走向长壁开采，全部垮落法处理顶板。

工作面两巷均为矩形断面，运输巷的规格为4.4 m×3.5 m（宽×高），锚网索支护，支护方案如图2。

图2 33423 运输巷支护设计

2 底鼓特性及影响因素

2.1 底鼓特征

33423 工作面由于顶底板均为软弱的泥岩，与其他巷道相比，矿压显现呈现不同的特点。

（1）底鼓量大

与常规的回采巷道矿压显现不同，33423 工作面两巷的顶底板移近量中有60%以上是底鼓量，并且底鼓具有反复性和区域性，底鼓量大的区域常规卧底后，如果不采取措施仍会发生鼓出现象。

（2）底鼓变形具有流变特性

巷道掘进后，底鼓的变形可分为三个阶段：成巷初期底鼓量急剧增大，一般在7 d 左右增速达到最大值；随后底鼓变形速率减小，一般维持在一个月左右；第三个阶段为常规底鼓，该阶段持续的时间较长，底板以较小的速度流变突起。

（3）底鼓类型为挤压流动型

由于33423 工作面的顶底板均为软弱的泥岩，整个巷道处于松软破碎岩体中，两帮松动圈的范围比较大，远处的地应力对巷道底板造成积压，促使底板向巷道内移动。

（4）构造对底鼓的影响大

33423工作面两巷掘进过程中揭露有多条断层，在断层附近均出现了不同程度的底鼓，其中落差最大的F8 断层附近底鼓量达到0.8 m，经过反复多次卧底仍难以满足生产要求。

2.2 影响因素

（1）巷道围岩的岩性

回采巷道的顶底板岩性尤其是底板的岩性是决定巷道底鼓的关键因素。对于岩性较差、强度较低的泥岩或破碎岩层来说，其力学性质差，巷道掘进后，由于开挖卸荷和碎胀力的作用，底板岩层中的节理裂隙会进一步扩展，进一步降低了其承载能力，受回采应力或遇到断层等地质构造时，低强度的底板极易向巷道内突出，形成底鼓。

（2）支护强度的作用

由于巷道的掘进，长期处于稳定原岩应力状态的岩体从三向受力变为两向受力，并且增加了一个自由面。与此同时，应力重新分布，向巷道周边转移，引起局部应力集中，加速岩体的破坏。同时，由于自由面的存在，巷道顶底板和两帮均有向巷道内鼓出的趋势。但由于巷道两帮及顶板均有支护，底板一般无支护，巷道的应力从巷道底板向巷内释放，使得底板鼓出。

（3）构造应力的影响

工作面两巷掘进中揭露有多条断层，而断层都是经历强烈的地质构造运动而形成的，储存有较高的构造应力。在断层附近，受高构造应力和水平应力的影响，软弱底板的巷道极易受挤压作用而向巷内膨胀。

（4）底板的流变效应明显

工作面从顺槽巷道开始掘进到安装完毕，经历的时间较长，观测表明，底鼓并不是巷道掘进后立即显现的，而是随着时间的延长逐渐增大，具有明显的流变特性。

3 底鼓机理及控制

3.1 底鼓机理

将巷道底板承受的两帮的压力简化为均布载荷q，则巷道底板的受力如图3。

图3 巷道底板受力简图

巷道开挖后，围岩应力重新分布，在巷道两帮形成宽度为x0的极限平衡区。由于巷道底板为泥岩，强度较低，承载能力差，当所受的垂直应力超过其极限强度时，底板极限平衡区范围内的岩层（图中Ⅰ区域）持续破坏，形成破碎区。破碎的岩体在水平应力作用下膨胀，挤压过渡区（图中Ⅱ区域）的岩体，同时将力传向被动挤压区（图中Ⅲ区域）。随着时间的增长或力的增大，底板破碎区内的岩层形成一个连续的滑移面，沿着滑移面Ⅱ、Ⅲ区域内的岩层被挤入巷道内，造成底鼓。

通过对底板受力的分析，可为巷道底鼓治理提供理论指导。通过减少顶板压力或者提高两帮承载力，减少Ⅰ区域底板的受力，在Ⅱ区域补打锚杆，提高其承载能力，就能减少其对Ⅲ区域施加的压力。

3.2 现有支护对策

对巷道底鼓的治理主要有两种不同的方式，在现场使用中一般两种方式同时使用。

（1）提高底板的强度

该方法充分利用底板围岩的自承能力，通过注浆等措施填充岩体的缝隙，提高岩体的内聚力、内摩擦角等，使受应力影响破碎的岩石重新胶结成一个整体，提高其抵抗变形破坏的能力。

（2）对底板支护

绝大多数的回采巷道底板一般都是裸巷，没有任何的支护，如果底鼓严重，可以利用底角锚杆、反底拱等措施改变底板的应力状态，抑制底板的变形，保持底板的稳定。

3.3 33423 巷道底鼓控制方案

巷道的顶板、底板和两帮是一个整体，三者共同维持巷道的稳定，因此底板的治理必须整体考虑。综合以上两种支护对策，确定采用一体化全断面的支护方案，在加强顶板和两帮支护的同时对底板进行加固治理。

（1）加强两帮和顶板的支护

将锚杆排距由2 m/排加密为1.5 m/排，同时将锚杆索同排间隔布置改为两排布置，每排布置锚索三根，排距为1.5 m，同时将锚索长度由5.2 m 加长为8.2 m。优化后的顶板支护方案如图4 所示。

图4 优化后的顶板支护方案

（2）补打底板锚杆

在巷道底板距两帮0.5 m 处补打直径43 mm、长1600 mm 的管缝式锚杆，在锚杆孔中插入直径22 mm 的钢筋，采用高压注浆泵往孔内注水泥浆。

（3）反底拱

在地质构造附近巷道优化后的顶板支护方案比较严重或卧底后反复出现底鼓的区域，采用反底拱的方案。在底板施工下挖0.5 m 施工反底拱，然后对巷道底板进行注浆，将反底拱施工过程中的裂隙充填封闭，抵抗水平应力对底板的破坏。

4 应用效果

对巷道采用如上的底鼓治理方案后，在工作面前方建立测站，对巷道表面位移进行观测，其中三号测点位于工作面前方80 m，其变形规律如图5。

图5 底鼓治理后的巷道顶底板位移

由图可以看出，治理后的巷道仍然有底鼓发生，但底鼓量小，最大值仅为0.1 m。当该测点进入工作面超前支承压力的范围后，底鼓出现了反弹，底鼓量变大，最大底鼓量达到了0.4 m，但未影响生产。

5 结论

（1）33423 工作面顺槽底鼓的主要原因是在高水平构造应力的作用下，底板的软弱泥岩由于未采取任何支护措施而产生的明显流变所致。

（2）巷道的顶板、底板和两帮是一个整体，对底板的稳定性控制必须考虑顶板和两帮的作用，采用一体化全断面的支护设计方法。

（3）通过采取加强支护、补打底角锚杆，局部区域浅部注浆等措施，33423 工作面回采巷道底鼓得到有效治理，保证了工作面的正常生产。