新景矿轨道大巷底鼓治理技术研究与应用

苏彦强

(华阳集团新景公司，山西 阳泉 045000)

煤矿生产中经常会遇到巷道变形量大，变形时间长等影响正常生产的问题。部分地段围岩破碎、胶结性差，变形尤为严重。在实际生产中，由于多数的巷道底板处于无支护状态，底鼓量占顶底板移近量的50%以上，而对巷道底鼓的处理以卧底为主，经常需要反复维修，对生产造成了严重的影响。因此，开展巷道底板控制的研究对煤矿实现高产高效具有重要意义[1-4]。

1 工程概况

山西新景矿中条带轨道巷为矿井一水平运料大巷，属开拓大巷，平均埋深450 m。巷道沿中粒砂岩底板掘进，底板岩性如图1所示。

图1 轨道大巷底板岩性

1.1 巷道原支护方式

中条带轨道巷断面为半圆拱形，规格为4 500 mm×3 650 mm，采用锚网喷的支护形式，顶锚杆为D20 mm×2 000 mm的螺纹钢锚杆，帮锚杆为D18 mm×1 800 mm的圆钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm。顶锚索长度为6 200 mm，间排距为1 800 mm×1 600 mm，每排布置3根。喷层强度为C25，厚度为100 mm。

1.2 巷道失稳特征

该巷道整体基本稳定，但中间150 m的地段底鼓严重，底鼓量在500 mm以上，最大底鼓为1 200 mm。底鼓呈倒三角形，为挤压流动型底鼓。轨道面明显倾斜，枕木被顶起，位于巷帮的水沟被挤坏，对生产造成了严重的影响，几乎每年都要卧底一次，巷道维护量大，导致人力物力浪费严重。

1.3 失稳原因分析

造成巷道底鼓的原因很多，不同因素对不同地质条件的巷道底鼓影响也不相同。结合新景矿该轨道大巷的地质条件，分析认为主要原因有以下几点：

1) 原岩应力的影响。采用应力解除法对该区域进行地应力测量结果表明，该区域的最大水平应力与垂直应力之比为1.45，水平应力为主应力，作用于巷道底板，容易造成底鼓。

2) 工作面采动的影响。该区域巷道两侧为80123和80122采空区，长期受采空区残余支承压力的影响，采动应力大，易引起底板变形。

3) 围岩岩性。由图1可以看出，该巷道底板中含有11号煤和砂质泥岩，强度较低，自稳能力差，并且遇水容易发生膨胀，在水沟侧底鼓尤为明显。

4) 巷道支护。中条带轨道大巷掘进时间较长，采用的锚杆索等支护体的强度较低，并且在最初掘进时没有对巷道底板进行支护，造成底鼓反复发生。

2 底鼓治理技术

2.1 双壳加固机理

对于反复底鼓、多次维修的巷道，注浆是有效的治理方式。但采用单一的注浆方式难以维持巷道的稳定，采用深部和浅部联合注浆的方式可以取得较好的支护效果。浅部注浆深度一般在2 m以内，与锚杆共同形成浅部壳体，而深部注浆一般在6 m以上，与锚索长度相当，形成深部壳体，如图2所示[5-6]。实践表明，双壳支护下的巷道表面位移小，支护效果明显。

图2 双壳加固示意

双壳加固的基本机理为：

1) 浅部注浆形成的壳体主要提高松散围岩的粘聚力，提高底板围岩的强度，强化承载能力，同时通过封闭底板浅部的围岩的裂隙，为深部注浆提供保障。

2) 底板锚索束对底板围岩形成挤压预紧作用，促使浅部的剪应力向深部延伸，同时减小水平应力的影响，限制浅部围岩的挤压变形。

3) 深部注浆使得浅部壳体和深部壳体形成一个统一的承载体，阻断深部应力对巷道底板浅部围岩的影响，同时与锚索束共同维持底板的稳定。

2.2 底鼓治理方案

根据双壳治理理论，结合新景矿轨道大巷的实际条件，确定采用底板锚索束+深浅孔注浆的底鼓治理方案，注浆孔的布置如图3所示。

图3 底板注浆孔平面布置(mm)

底板锚索束为3根D17.8 mm的7丝钢绞线，长度为8.0 m，要求深入巷道底板中粒砂岩中的长度不得少于1.0 m。两排锚索束之间用废旧道轨制作的钢轨梁连接到一起，长度为1 900 mm，交替布置，间排距为1 500 mm×2 000 mm。托盘规格为400 mm×4 000 mm×16 mm，上面施工3个孔，分别穿3根锚索。位于巷中的锚索束垂直底板布置，靠近两帮的锚索束向外倾斜15°。

浅部注浆孔与锚索束同排布置，每排两个，间排距为1 000 mm×4 000 mm，直径为42 mm，深度为1 500 mm。浅部注浆孔的压力不得大于5 MPa。

采用锚索束的钻孔同时对巷道底板进行深部注浆，注浆压力不得小于7 MPa。注浆孔的结构如图4所示。

图4 底板锚索束注浆结构示意(mm)

2.3 施工工艺

底板注浆材料为425号硅酸盐水泥和添加剂，工艺为：

1) 束钻孔施工。采用专用的DZQ-100型底锚索钻机施工，钻孔直径为80 mm，如果出现塌孔，则采用注浆管进行注浆，待凝固后继续施工。

2) 安装锚索束。将带有导向帽的锚索束推入孔底，灌入水灰比为0.6∶1的水泥浆。

3) 封孔。利用水泥编织袋等将钻孔孔口封住，避免杂物掉入。

4) 施工注浆管导槽。在钻孔四周施工550 mm×550 mm×250 mm(长×宽×深)的基坑，坑底开凿导槽，规格为450 mm×100 mm×100 mm。

5) 锚索张拉。用专用的三孔锁具对锚索束进行张拉，要求单根锚索的拉拔力不得小于150 kN，同时将锚索束用钢轨梁连接。

6) 深部注浆。利用预埋的注浆管进行深部注浆，注浆方式为交替间隔注浆，待浆液凝固后可进行二次补注。

3 应用效果

3.1 注浆量统计

对150 m巷道维修段的深部注浆量进行统计，设置3个测点，取6个钻孔，测点间距为48 m，测点布置如图5所示。统计结果如图6所示。

图5 测点布置示意(mm)

图6 不同钻孔的注浆量

由图6可以看出，巷道中部钻孔的注浆量明显大于两帮钻孔。中部最大注浆量为28.7 m3，平均为27.6 m3，而帮部最大注浆量为18.9 m3，平均为18.5 m3。注浆量的不同说明巷道底板破坏程度不同，该轨道大巷巷中的破坏范围较大，吃浆量较多。

3.2 巷道表面位移

在维修段设置3个测点，对巷道底鼓变形进行观测，结果如图7所示。

图7 巷道底鼓观测结果

由观测结果可以看出，3个测点的底鼓变形趋势基本一致，30 d左右底鼓变形基本稳定，最大底鼓量为23.5 mm，对生产影响较小。

3.3 锚索束受力规律

底板锚索束的初始安装应力为30 MPa，其数值增长变化规律与底板变形几乎相同，锚索安装完成后，受力迅速增长，30 d左右受力基本稳定，最大受力为46.7 MPa，平均受力为40.8 MPa，巷道中部的锚索受力大于巷帮，说明巷道中部是底鼓治理的重点。

4 结 语

1) 受底板水平应力、工作面采动等的影响，新景矿轨道大巷底鼓严重，呈倒三角形，为挤压流动型底鼓。

2) 通过深浅注浆，巷道底板围岩与支护体形成“双壳”结构，加固巷道围岩阻断深部应力对巷道底板浅部围岩的影响，与锚索束共同承载，维持底板的稳定。

3) 新景矿轨道大巷通过采用双壳治理技术，巷道底板30 d左右变形稳定，最大底鼓量为23.5 mm，支护效果好，但该方法工序复杂，适用于变形量大、多次维修的开拓或准备巷道。