深部软岩巷道底鼓形成因素分析及控制技术研究

深部软岩巷道底鼓形成因素分析及控制技术研究　董雨李雷（郑州煤炭工业（集团）杨河煤业有限公司，河南郑州４５２３８３）　摘要：根据杨河煤业３１　１７１运输巷底抽巷实际的围岩条件、地质条件对该巷道底鼓的原因进行分析研究，认为造成　该巷道底鼓的主要原因为断层的作用、应力的叠加以及地底板水对围岩的弱化作用。基于底鼓原因的分析，采取落底卸　压、底板围岩注浆加固以及施工底锚索和巷周锚索进行帮底互控技术对底板变形进行控制。试验表明，该技术有效地控　制了软岩巷道底板的变形。　关键词：软岩巷道；底鼓成因；帮底互控　中图分类号：Ｆ４０６．３；ＴＤ３２７．３　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００８—０１５５（２０１７）１５—０１０３—０３　随着矿井开采深度的增加，开采条件日益复　杂，巷道支护难题逐渐增加，巷道底鼓现象越来越　多。目前，国内外底鼓巷道的支护方法主要有卸　压及加固两大类＿ｌ　ｊ，其下又有各种具体的控制　方法　Ｊ。但是每一种方法在其应用上均存在一　定的局限性，如若没有选择正确的支护方法参数，　极易造成屡修屡坏的结果　Ｊ，且随着修复量和修　复次数的增加，巷道修复难度和修复费用也会增　加。因此，在深部软岩巷道的施工及维修过程中，　必须根据巷道围岩条件、地质条件等情况采用合　理的方法。　１工程概况　３ｌ１７１运输巷底抽巷作为杨河煤业区域瓦斯　治理示范工程，担负着３１１７１运输巷瓦斯抽放重　任，然而受罔岩岩性、地质条件及周边巷道的影　响，３１１７１运输巷底抽巷外部车场抽ｌ点向里　５．５ｍ东３０ｍ巷道发生底鼓，且底鼓量较大（最大　底鼓量达到８００ｍｍ），具体位置见图１。为保证巷　道的正常运输，确保巷道的正常掘进，特对底鼓段　巷道进行加固治理。　图１　３１１７１运输巷底抽巷底鼓段巷道平面布置图　２巷道地质条件及底鼓形成原因　２．１掘进层位及地质条件　３１１７１运输巷底抽巷底鼓段巷道位于浮山寨　断层组以北，３１１３１综采工作面西侧，毗邻３１１７１　回风巷底抽巷外车场和原３１１３１运输巷回风联　巷，３１　１７１运输巷底抽巷外部车场底鼓段巷道掘进　期间岩石层位变化较大：由ＩＪ６灰岩下部砂质泥岩　逐渐进入Ｌ６灰岩，过Ｆ３１—７断层后直接进入Ｌ７　灰岩，Ｆ３１—７断层走向４０。，倾角４５。，落差８ｍ，具　体见图２。巷道掘进期间顶板和帮部有水淋出，出　水量约５ｍ　／ｈ。　收稿日期：２０１７—０５—１９　作者简介：董雨（１９８４一）。男，河南南阳市人，助理工程师，现在郑州煤炭工业（集团）杨河煤业有限公司从事巷道施工　管理及支护技术研究工作。　ｌ０３　图２　３１　１７１运输巷底抽巷底鼓段巷道剖面图　２．２底鼓形成原因分析　底鼓往往是由多种因素综合作用的结果，结　合３１　１７１运输巷外车场底鼓段巷道地质条件，该　段巷道的底鼓主要有以下几方面原因。　（１）地质构造及应力作用　３１　１７１运输巷底抽巷外车场南部为浮山寨断　层组，且穿过Ｆ３１—７断层，因此巷道的地质构造　非常复杂，且存在较大的水平应力；巷道埋深在　５６０ｍ左右，若上覆岩层平均容重按２５００ｋｇ／ｍ　计　算，则理论上巷道所处垂直应力达到１４ＭＰａ；同时　巷道东部为３１　１３１工作面采空区，巷道也受到采　动应力的影响。因此该段巷道的应力场为多种应　力的叠加，巷道掘出后在帮顶有支护的情况下，叠　加、集中的应力从支护体系的薄弱地带——底板　进行释放，造成巷道底鼓。　同时巷道Ｆ３１—７穿过断层，围岩的节理和裂　隙发育，巷道围岩的完整性也被严重破坏；岩体抗　拉强度、抗压强度、弹性模量、渗透系数等巷道周　围工程岩体的物理力学参数指标降低，围岩抵抗　外界破坏的能力和自承能力大幅度降低，使巷道　支护体系要承受更大的应力作用，因此，更易引发　巷道发生底鼓。　（２）底板水　底板水对巷道底鼓的影响主要通过水理作用　表现出来。Ｌ６灰岩和Ｌ７—８灰岩均为杨河煤业的　底板含水层，尤其是Ｌ７—８灰岩则为直接含水层，　因此在掘进期间巷道顶底板不断有水渗出，发生　淋水现象。在掘进初期，巷道的水沟未及时开挖，　巷道涌水往往无法及时排出，大部分水渗入巷道　底板内，或泡在巷道底板上，使底板围岩和部分巷　旁岩体长期受到水理、风化作用，弱化了底板围岩　的强度。并且巷道存在断裂构造，断裂构造周围　裂隙发育，这些裂隙形成一个导水通道，沟通了顶　底板的含水层，含水层的水便通过导水通道渗入　１０４　巷旁围岩，并在巷道周围的岩体裂隙中渗透，形成　多片大面积的淋水、浸水区域。这些区域的巷道　破坏情况明显比围岩比较干燥的地方严重，底鼓　程度也更严重。　（３）围岩条件　由图２可知，底鼓段巷道底板主要以砂质泥　岩和断层破碎带的角砾岩为主，局部为灰岩。而　砂质泥岩和断层角砾岩本身强度较低，且膨胀性　比灰岩强，因此遇水后，砂质泥岩和角砾岩会逐渐　膨胀、软化，甚至崩解，巷道围岩的强度就会进一　步的降低，加剧底鼓的发生。　３帮底互控加固方案　目前，巷道底鼓治理技术主要有卸压法和支　护加固法两大类。卸压法通过切缝、钻孔、爆破及　掘巷等手段进行卸压改变巷道围岩的应力状态，　使底板岩层应力降低，从而保证底板岩层的稳定　状态；支护加固法是采用底板锚网支护、底板注浆　及封闭式支架等形式增强底板岩层强度，提高底　板岩层的稳定性。　结合３１１７１运输巷底抽巷掘进期间的实测剖　面图，底鼓段巷道底板多为松软泥岩，强度较低，　部分底板虽为ＩＪ６灰岩，但经过Ｆ３１—７断层后灰　岩段底板被破坏，岩层更为破碎，故主要采用帮底　互控的支护加固法，提高整个支护体系的结构稳　定性，起到对巷道的底鼓进行控制的作用。　具体方案为：一方面对底鼓巷道进行落底，将　巷道底板上集中的应力进行释放，之后对底板喷　浆封闭，再施工注浆孔对底板进行注浆加固，提高　破碎岩体的完整性，减小水对巷道底板的侵蚀，增　强底板围岩的强度，使得巷道底板与帮顶围岩成　为一个完整的承载体；另一方面针对巷道底板底　鼓较为强烈的特点，注浆后施工锚索对底板支护，　在底板形成一个与顶板相似的加固拱，使之与帮　顶锚网支护形成一个封闭结构，既能有效控制巷　道底鼓，同时能够提高支护的结构稳定性；最后对　开挖的底板浇灌、滚底，之后沿巷道轮廓打设锚索　补强，对巷道帮顶进行控制，减少围岩通过帮顶向　底板所传递的压力，具体加固方案如下。　（１）落底　首先对底鼓段巷道进行落底，具体落底高度　根据现场的实际底鼓量确定，但落底后巷道底板　与设计水平高差不得少于４００ｒａｍ。　（２）底板注浆　落底后对底板进行喷浆封闭，喷层厚度不低　于１００ｒａｍ，之后施工注浆孔对底板进行注浆加固；　注浆时选用４２５＃普通硅酸盐水泥以多轮、分次的　３００ｒａｍ×３００ｒａｍ　ｘ　１０ｍｍ，锚索外露长度不得低于　１２０ｍｍ，不得超过１５０ｍｍ。　（４）施工巷周锚索　底板锚索施工结束且浇灌滚底后，沿巷道轮　廓施工９根锚索，锚索规格为　１８．９ｍｍ×　５２００ｍｍ，间排距１１００ｍｍ×１６００ｍｍ，具体方案见　图３，巷周锚索施工要求同底板锚索。　（５）浇灌滚底　锚索施工结束后，采用碎渣块对落底巷道进　行填充，并采用混凝土进行浇灌，混凝土中水、灰　及骨料按照１：２：１．４进行配比，浇灌厚度不得低　于２００ｒａｍ，浇灌后进行滚底。　方式进行，注浆孔深２０００ｒａｍ，间排距为１３００ｒａｍ　ｘ　１６００ｍｍ，具体布置见图３，水灰比（重量比）控制在　０．６：１—０．７：１之间，注浆压力根据之前的经验取　３～４ＭＰａ，注浆量Ｑ可按以下公式进行估算，即　Ｑ＝￣．，ｉｆ＇ｒ２［３Ｌｎ／ｍ＝０．１６５ｍ。　式中：　一损失系数，取１．２；　ｒ一－扩散半径，取１ｍ；　ｐ一充填系数，取０．７；　Ｌ一注浆深度，取２．５ｍ；　ｎ一岩石裂隙率，为２．５％；　・　ｍ一缩石率，取１。　（３）锚索加固方案　注浆后对巷道底板打设锚索进行支护，间排　距１３００ｒａｍ×１６００ｍｍ；锚索最左侧一根为　１８．９ｒａｍ×３２００ｒａｍ，与巷道底板成ｌ５。夹角；其余　三根锚索规格为西１８．９ｒａｍ×５２００ｍｍ，垂直底板打　设。施工锚索时为提高护表能力，增强底板锚索　的整体支护效果，在巷道底部铺设点焊经纬网，并　用ｗ钢带对锚索联结，具体方案见图３。　图３　注浆孔及锚索布置断面图　每个锚索孔使用１支Ｚ２３５０树脂锚固剂，１支　Ｋ２３５０锚固剂，要求锚索预紧力不得低于１２０ｋＮ，　锚索托盘采用废旧Ｕ型钢加工，托盘规格为　４效果分析　对底鼓段巷道采取了注浆加固底板的措施　后，该段巷道的底板变形得到了有效的控制。经　过近八个月的观测发现，巷道底板及两帮变形速　度得到了有效地遏制，其中底板八个月内的底鼓　量４０ｍｍ，两帮移近量５８ｍｍ，表明３１１７１运输巷底　抽巷巷道底板变形得到有效控制，巷道围岩逐渐　进入相对稳定的状态。　５结论　（１）地质构造及应力作用、水和围岩条件是引　起杨河煤业软岩巷道底鼓的主要因素。　（２）在软岩中，底板的破坏使得巷道承载结构　失稳，巷道围岩中不能形成有效的承载环。注浆　及补打锚索后，围岩条件得到了改善，巷道支护形　成一个完整的体系，在巷道四周也形成了切向应　力较高的承载结构。　（３）底板注浆、底板加固、帮底互控能够有效　地控制软岩巷道的底鼓；它能提高巷道围岩强度，　降低巷道围岩中水对巷道底板的侵蚀作用，对锚　杆索的锚固基础进行改善，进而有效的控制底鼓。　参考文献：　［１］李树清，等．葛泉矿软岩大巷底鼓机理及控制研究　［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（８）ｌ１４５０—１４５５．　［２］陈光炎，陆士良．中国煤矿巷道围岩控制［Ｍ］．徐　卅Ｉ：中国矿业大学出版社，１９９４．　［３］林登阁，韩立军．巷道底鼓机理及防治研究［Ｊ］．建　井技术，ｌ９９７，（６）：１．　［４］康红普，陆士　巷道底鼓机理的分析［Ｊ］．岩石力　学与工程学报，１９９１，（１Ｏ）：３６２—３７２．　［５］姜耀东，陆士良．巷道底鼓机理的研究［Ｊ］．煤炭学　报，１９９４，（４）．　［６］李雷，常国徽．地质雷达探测技术在矿井围岩松动　圈探测中应用［Ｊ］．内蒙古煤炭经济，２０１５，（９）：１３７—１３８．　［７］康红普．软岩巷道底鼓的机理及防治［Ｍ］．北京：　煤炭工业出版社，１９９３．　（责任编辑：陈文明）　１０５