王庄煤业15号煤层大巷底鼓治理技术

徐 镇

（晋能控股煤业集团王庄煤业，山西长治047100）

随着我国经济建设的飞速发展，煤炭工业作为基础能源发挥出了难以替代的作用。但由于浅部资源的开采进程趋于枯竭，目前我国煤炭开采正以平均15m/a的速度向深部延伸，在此过程中，很多前所未有的安全问题也在生产中频繁出现，其中矿压增大、巷道支护困难的现象屡屡发生[1-2]。

现有的支护技术可以对顶板下沉量和两帮移近量进行有效地控制，但对于底板“底鼓”的防治工作却稍显不足。研究发现，在未进行底板支护的深部开采巷道中，出现底鼓的位移量约占巷道移近量的70%[3]。当巷道出现“底鼓”时，将会使围岩断面缩小，不利于新鲜风流的流通并造成井下交通和人员行走的不便，严重的还会造成整条巷道的报废。因此对于矿山支护工作来讲防治巷道底鼓一直是井下巷道维护的关键难点技术之一。研究分析底板底鼓的发生原因、影响因素及其防治措施对于矿井的安全生产有着重大的理论意义和实际应用价值。

王庄煤业为了满足瓦斯防治及原煤运输等条件，采用走向长壁式综采一次采全高采煤法。目前该矿15号煤层直接底为厚度3.65m的泥岩，抗拉强度较低，泥岩中粘土矿物含量高达48%～62%，遇水会出现崩解现象，因此底板容易发生底鼓。目前已在15号煤层一采区运输大巷、辅运大巷以及15号煤层副暗斜井等巷道内有几处位置底鼓严重，巷道路面虽经过硬化，但仍有裂缝出现，导致底板不平整，对矿井运输、通风等工作造成一定影响。因此，分析王庄煤业15号煤层巷道底鼓的产生原因并提出有效的防治措施具有重要的现实意义。

1 15号煤层特性与大巷底鼓概况

1.1 煤层概况

王庄煤业15 号煤层的顶板为砂质泥岩与石灰岩，底板为泥岩与砂质泥岩，岩性较为松软，力学强度低，煤层平均厚度为4.2m，具体如表1所示。

1.2 15号煤层底板泥岩崩解特性

表1 王庄煤业15号煤层顶底板岩层柱状表

在对巷道支护进行设计前，需要对巷道顶底板岩石的软化崩解特性进行试验分析。试验将煤岩样品经历多次吸水—风干循环（浸水6h、烘烤6h，共计12h），直至出现崩解现象为之。图1为15号煤层直接底泥岩的样品，可以看出，在经历6个循环后，煤样出现破裂崩解。因此水分对煤岩的影响较大，在对巷道进行支护时需考虑水分对巷道的侵蚀。

1.3 15号煤层底板泥岩矿物组成

图1 15号煤层煤样崩解试验

对巷道的支护工作，也需要对顶底板岩样的矿物组成进行测定。本次测定工作选择D/MAX-2400 型X-射线衍射光谱仪对矿物组成进行定性、定量的分析。测试前需将岩样研磨成细小微粒，在放置于光谱仪上用单色光辐射。

图2 15号煤层底板岩样矿物成分示意图

对王庄煤业15号煤层直接底泥岩的测试结果见图2。测定发现，石英、高岭石、蒙脱石和珍珠石是构成该煤层直接底泥岩的主要矿物成分。其中石英含量最高，达到55%；高岭石、蒙脱石和珍珠石的含量分别为14%、15%和16%。值得一提的是，在底板岩样的矿物组成中，除石英以外均为粘土矿物，即15号煤层直接底泥岩中粘土矿物含量高达45%，并且蒙脱石遇水易膨胀，进而表明15号煤层直接底力学强度较低，并且遇水易崩解。

2 15号煤层支护方式

巷道围岩的稳定性与支护方案的设计是否合理息息相关。由于15号煤层运输大巷围岩较为松软，采用锚网喷联合支护，喷浆厚度150mm，底板硬化厚度100mm。顶、帮部的锚杆均采用∅20mm×2400mm 高强度螺纹钢筋材料制成，并用两支树脂药卷锚固，间距、排距设定为800mm 均匀排列；锚索方面采用∅18.9mm×6000mm 的高强度钢绞线，有效锚固长度1.5m。锚索沿巷道中轴排列，每排布置3套锚索，每两排顶锚杆布置一排锚索，排间距为1600mm。

3 15号煤层大巷底鼓机理

综合王庄煤业15号煤层大巷底鼓位置处的围岩地质力学特征（包括围岩物理力学特性、水理崩解特性、矿物成分、地质构造等）分析可知，15 号煤层大巷底鼓的原因主要有3个方面：

（1）应力状态：巷道底鼓的发生与所受应力状态有极大关系，巷道埋深越深，出现底鼓的可能性也就越大。15号煤层运输大巷最大埋深约350m，在巷道开挖后应力受采动影响将重新分布，在此期间原本积存的能量快速释放，高水平应力将对底板岩层造成破坏，并极有可能出现大范围的底鼓。

（2）围岩性质：煤层直接底为一层厚度3.65m 的泥岩，抗拉强度较低，泥岩中粘土矿物含量高达45%，并且蒙脱石遇水易膨胀，进而表明15号煤层直接底力学强度较低，并且遇水易崩解。

（3）支护状态。15 号煤层大巷顶板与两帮采用的是锚网喷联合支护，但是对底板没有采区硬化措施。在采动过程中，巷道支护不足的地方率先失稳。当聚集在顶板和两帮的应力无法充分释放时，应力会自上而下传导至底板，岩层内原生裂隙逐渐发育与贯通，叠加应力的影响，大量破碎岩体受力从而产生底鼓。

根据初步判断，15 号煤层大巷底鼓的类型可以断定为挤压流动型，底鼓产生过程如图3所示。在底板岩层较为软弱破碎的巷道中，即使底板和两帮支护条件较好，同样会在巷道采动过程中对围岩应力造成重新分布，产生底鼓。

图3 15号煤层大巷底鼓原理示意图

4 15号煤层大巷底鼓治理措施

根据对15 号煤层大巷底鼓原因的分析，决定采用“底板中部切槽+底角锚索支护”的方案对底鼓进行治理。施工方式为：采用多次爆破法对底板中部进行切槽，泄压切槽宽0.5m、深3m；同时在底角处进行打锚索补强工作。

底板支护见图4，参数如下：锚索形采用∅18.9mm的低松弛预应力钢绞线，长度为6500mm，每排布置2根锚索，各距巷帮500mm，排距1600mm。锚索托盘采用300mm×300mm×16mm拱形高强度可调心托板及配套锁具。托板钢号不低于Q235，拱高不低于60mm。保证其承载力部小于锚索的破断载荷。

通过这两步的操作，一方面可以使支承压力峰值向巷道围岩深部转移，降低底板所受应力；另一方面卸压切槽可以为底板变形提供了补偿空间，减小巷道整体的围岩变形量。由于巷道较易受水影响，在施工中需要及时排水、疏干巷道[4]。相比常规方案可以起到以下作用：

（1）阻止底板塑性区发展。巷道采掘过程中，巷道底板尤其是两底角产生很大的水平应力集中。当底板岩层较为松软时，易受二次水平应力的作用造成破坏。随着巷道的掘进塑性区向其他部位扩展。通过在底板岩层打锚索，可以提高围岩的抗压强度，限制或减少塑性区的影响范围。

（2）阻止底板岩体塑性流动。对于松软岩层的底板，两帮及顶板应力会向下传递，底板岩层因此产生向巷道内的塑性流动。通过对两帮和底角补打锚索可以增强围岩主动应力区的范围，从而可以保持岩体受力平衡，减少底鼓。

5 结论

通过对王庄煤业15 号煤层大巷底鼓原因的分析，将底鼓类型确认为挤压流动型。为满足井下安全生产的目的，笔者决定对底板采用“中部切槽+底角锚索支护”的方式进行治理。试验结果表明对软岩巷道的底鼓治理起到了很好的治理工作，极大减少底鼓对矿井生产的影响。