14、深部软岩巷道底鼓控制技术研究

赵善良

摘要：针对淮北童亭煤矿7216机巷底鼓严重的现实问题，对原支护方式做了理论分析，提出锚网索反底拱维修的技术方案，并在力学机理分析基础上，对童亭煤矿深井锚网索反底拱支护技术进行了理论分析和应用研究。最终实现成功支护，并取得良好的经济技术效果。

关键词：底鼓 联合支护 巷道稳定性 锚杆支护

O 引言

童亭煤矿7216机巷埋深-650m，属于“三软”煤层，采用锚网索支护方式。由于巷道压力大，随巷道掘进严重变形。虽经补打锚索锚杆，但仍效果不理想，底鼓严重，巷道断面减小达不到通风、行人要求，对童亭矿安全生产构成了严重的威胁。为了解决这一难题，有效防止巷道底鼓，对童亭矿7216机巷锚网支护破坏机理和反底拱支护技术进行了试验研究。

系叠二下下7.67.5粉砂岩地 层系统组平均层厚（m）平均真厚（m）柱 状 图（1：200）岩石名称岩性描述深灰色，块状，含少量植物化石根部碎片。1-3层，以粉末状为主，局部为煤线，夹层为炭质泥岩。灰白色，硅质胶结，块状，中厚层粉砂岩，中间夹细砂，下部裂隙发育充填含方解石脉。灰黑色，致密状质软、性脆、含植物化石。黑色、粉状，以亮煤为主，普遍存在一层夹矸。灰黑色，致密状质软、性脆、含植物化石。砂泥岩互层5.95.8泥 岩0.30.36煤组石2.02.0泥 岩河2.42.37 煤统子1.01.0泥 岩13.0组12.8砂泥岩4.03.9中砂岩褐黄色、含石英颗粒、中厚层中砂岩。灰-浅灰色、薄层粉砂岩。FM、普遍存在一层夹矸2.02.0粉砂岩1.51.582 煤

图1 7216工作面煤层综合柱状图

1 工程概况及巷道破坏特点

1.1 工程地质及支护概况

7216机巷在2009年9月开始施工，巷道沿7煤煤层顶板掘进，全长0 m。原巷道设计：净宽4.0 m，净高2.6m，采用锚网索支护。顶板打5根φ22-L2400mm高强锚杆，挂5孔3.8ｍ长M4钢带、铺菱形金属网，锚杆间距900ｍｍ，排距800ｍｍ，允许误差±100mm。上帮打4根φ22-L2000mm高强锚杆，挂4孔2.8ｍ长M4钢带，铺菱形金属网，锚杆间排距800±100mm。下帮打3根φ22-L2000mm高强锚杆，挂3孔1.8ｍ长M4钢带，铺菱形金属网，锚杆间排距800±100mm。在巷道顶板每隔2排钢带（1.6ｍ）打2根φ17.8－L7300mm预应力锚索，居中布置，锚索间距1.3ｍ。

1.2 巷道破坏情况及特点

巷道由于施工周期长，在机巷与切眼贯通后破坏严重，主要表现在巷道底板强烈的底鼓。底鼓平均超过顶底板移近量的3／4。巷道多处不够1.5m高，最矮处仅1.0 m高。巷帮钢带大幅度扭曲失效，多数帮锚杆悬空、失效，网片撕裂。

2 巷道强底鼓主要因素分析

2.1 地应力高地质条件差

巷道中，底板岩层的强度和结构状态(破碎结构、薄层结构、厚层结构)对巷道底鼓起着决定性的作用。主要表现为：底板岩层的结构状态决定着巷道底鼓的类型；底板岩层的强度、分层厚度和破碎程度决定着底鼓量的大小 。

7216机巷底板属于不稳定底板，由于煤层松软，底板下方为3．31m左右的泥岩-粉砂岩。巷道底板岩层强度弱、分层厚度薄，因此，巷道底板属于不稳定的复合型底板。

2.2 构造应力大

原岩应力是巷道围岩变形破坏的根源。矿井巷道是在原岩应力作用下开挖的，在巷道开挖的整个过程中，原岩应力一直对开挖起作用。

当围岩应力达到一定条件时，巷道底板破坏。围岩应力越大，底鼓也越严重。因此，深部开采、残留煤柱下或受采动影响的巷道也往往出现比较严重的底鼓。围岩的应力场状态(水平应力大于垂直应力、垂直应力大于水平应力和静水压力状态)，都会引起底鼓。

7216机巷埋深为-650m，处于较高应力水平状态，并且地质构造复杂，构造应力大。构造应力对巷道稳定性影响极大，易造成巷道极易失稳破坏。

2.3 水理作用大

巷道底板在强大的水平应力作用下，易产生裂隙。另外该巷道底板微裂隙结构发育，渗

透性强，底板水易侵入。

该巷道掘成施工过程中，锚杆机、风锤等设备造成的积水易侵入底板，底板含水层的水也通过微裂隙侵入底板，使底板岩体长期受到水理作用，巷道底板岩层剧烈膨胀变形，新形成的裂隙又容易导水，从而更容易破坏，造成恶性循环。经水理作用的巷道底板产生了严重的底鼓。

2.4 巷道底板无直接支护

巷道底板通常处于敞开不支护状态是巷道底鼓量大于顶板下沉量的主要因素。底板及时支护和封闭是控制底鼓的根本措施。现有的锚网索联合支护方式未能对底板直接支护。而底板岩层易在强大的水平应力作用下产生剪切破坏后向巷道空间鼓起。巷道底脚失稳后容易导致两帮破裂、鼓出和塌落，从而导致巷道整体变形剧烈。

3 锚网索反底拱维修方案设计

3.1 锚网索反底拱支护机理研究

要实现软岩巷道的成功支护，必须消除支护体与围岩之间的不耦合现象。因此，深部开采软岩巷道耦合支护就是对软岩巷道围岩产生的变形不协调部位，围岩产生有害的变形损伤，同时最大限度地发挥围岩的自承能力，实现支护一体化、荷载均匀化，达到巷道稳定的目的。

在将巷道刷大到原设计断面后，顶板采用锚带网支护，在高强锚杆支护系统的基础上，进一步增加锚索加强支护，使锚杆、锚索协同作用，以主动加固顶板，以提高围岩的稳定性。顶角锚杆倾斜安装，形成结构效应；两帮采用锚带网支护，以保证巷道两帮煤体的完整性。

巷道四角应力集中，塑性破坏区较其他部位明显加大，且十分不利于围岩结构的形成，因此，加固帮角对控制巷道围岩变形尤为重要，帮角锚杆的作用更加突出，因此应打帮脚锚杆。

为了提高和改善底板岩层的力学性能，防止围岩松动范围进一步扩展，减小巷道径向应力在原来锚带网索联合支护的基础上，在巷道底板再挖一个半圆拱，底拱支护采用29号U型钢和底锚杆联合支护方式，底锚杆打在U型钢预留孔中，最后用混凝土进行浇注。

3.2 支护参数设计

根据以上研究，联合支护设计如图2所示： 1)帮锚杆采用φ22-L2400mm左旋螺纹钢高强锚杆。

2)机巷反底拱支护采用29号U型钢和底锚杆联合支护方式，U型钢设计规格：圆弧R=6m，

锚杆孔直径φ=24mm；

3)底锚杆采用φ22-L2000mm左旋螺纹钢高强锚杆，排距800mm；要求锚杆配合穹形托盘，且锚杆必须打在U型钢预留孔中；

4)浇注施工时，采用C20混凝土。

φ17.8-L7300mm锚索φ22，L2400ｍｍ高强锚杆φ22，L2400ｍｍ高强锚杆29U型钢φ22，L2000ｍｍ高强锚杆图2 联合支护设计图

4 支护效果

为了监测支护的效果，对巷道采用了十字布点法进行了表面位移监测以及安装顶板离层仪进行了离层监测，以分析围岩是否进入了稳定状态。巷道位移监测包括两帮相对移近、顶板下沉、底鼓3项内容。经其监测结果表明，该巷道平均最大累计顶板下沉量为60mm，两帮累计移近量为120mm，底鼓量仅为40mm。

由变形监测结果可知，经过整修之后，应力集中引起的巷道成型问题得到了一定的改善。在顶锚杆、锚索的二次耦合支护下，及时地抑制了顶板的下沉，进一步保证了岩体的完整性。金属底拱为巷道提供刚性抗力，保持较高的支护强度，巷道底鼓。另外底板经过混凝土浇筑后控制了底板裂隙水，减弱了水理作用，巷道底鼓很大程度上了控制。整个支护结构形成了一个顶底板均有较强支护的整体，并且能够防止底板风化，巷道变形趋于稳定。

【参考文献】

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