高应力软岩巷道底板支护技术探讨

[摘 要]通过对许疃煤矿33采区回风下山下段在高应力软岩条件下巷道底板支护难题进行研究，分析了主要影响围岩变形的高地压、围岩蠕变动力及巷道底鼓几个因素，结合现场实际施工，提出了底角锚杆+底板+注浆联合支护方案对巷道底板进行支护，以较小的投入取得了理想的支护效果。为巷道的安全施工和后期维护提供有利的技术保障，具有推广运用价值。

[关键词]高应力 软岩 底板支护 推广应用

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0219-01

1、工程概况

许疃煤矿核定生产能力为3.50Mt/a。矿井划分两个水平，第一水平标高-500m，第二水平标高-800m。矿井主采32、71、72、82煤层。目前33采区-720m以浅部分已全部回采完毕，需进行开拓延伸至-800m水平。

33采区回风下山下段（-720m～-800m）上接-720m车场联巷，下至-800m车场联巷，整个下山有两部分构成： 14°倾角的斜巷部分（303m）和3‰斜度的巷部分（151m）。巷道共穿过断层3条，分别为：DF333 ？700 H=0～4m，DF337 ？500～800 H=0～25m，DF375 ？5700 H=0～3m，巷道附近有断层2条，分别为：DF336 ？500～800 H=0～20m，DF342 ？400～700 H=0～20。采区煤岩层走向与回风下山走向基本一致。

依据测井柱状，-720m～平巷70m处，巷道处于粉砂岩包围中，此间巷道穿过断层DF333和DF337；平巷70m处～90m处，泥岩从顶板渐至巷道底板；此后，巷道完全处于泥岩的包围之中，且随着深度的增加，底板泥岩厚度增厚，至-800m时，底板泥岩厚度增值约14m，该部位底臌将十分严重，且长期存在。

根据33采区回风下山上段（-500m～-720m）巷道维护情况，33采区回风下山上段设计断面为直墙半圆拱形，设计尺寸为净宽×净高=4800×4200mm，采用锚喷支护，锚杆采用M20 L=2000mm等强锚杆，在实际生产过程中受高应力和采动影响等多重构造应力的影响，巷道变形严重，主要表现形式为：巷道顶部冒顶、两帮移近量大、巷道底鼓严重。类比33采区回风下山上段巷道维护情况，下段巷道维护特点主要为：巷道围岩强度低、埋深大、地应力较大、服务时间长。

2、理论分析

依据工程地质状况、围岩性质、地应力以及相关理论研究，许疃煤矿33采区回风下山下段围岩变形因素主要体现在高地压、围岩蠕变动力及巷道底鼓几个方面。

（1）高地压

33采区回风下山上自-720m水平，下至-800m水平，层位较深，矿区地表标高约+27m，回风下山（-720m～-800m）埋深为747～827m，若上覆岩层平均密度按2700kg/m3考虑，在不考虑构造及采动影响的前提下，垂直应力：σz=γH，理论上达到20.17～21.88Mpa，原始地应力大。

该采区除回风下山之外，与之平行的还有运输下山、轨道下山和进风暗斜井。4条巷道之间的水平间距为30m，相距较近，彼此影响，产生次生应力叠加，导致岩石流变加剧。从采区断层的分布情况及相关地应力测试情况分析，该采区底板岩层具有构造应力。此外，采区为双翼布置回采工作面开采，后期工作面回采会在巷道上面留设大量不规则形状的保护煤柱，根据33采区上部留设的煤柱经验，一翼留设保护煤柱约为80m，现有研究结果表明，工作面回采后在煤柱内形成的支承压力往往数倍于原岩应力，由于煤柱内积聚的支承压力将向底板进行传递，使得各采区主体巷道所处的应力水平显著增高。因此，几方面共同影响产生的高地压将对巷道围岩的稳定性造成很大威胁。

（2）围岩蠕变动力

岩石的变形不仅表现出弹性和塑性，而且也具有流变性质。所谓流变性质就是指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质。当应力不变时，变形随着时间而增长的现象称为蠕变。

巷道开挖后各种因素将造成了围岩应力状态的巨大改变，具有蠕变特性的岩石又会因为应力状态的改变而发生缓慢的形状改变，最终导致围岩质点的移动，由于这种“质点移动”只能向着巷道方向发生，故在支护反力小于蠕变动力的情况下，巷道变形在所难免。

对于巷道所处软岩层厚度很厚时，因应力状态改变所导致的质点位移来自于巷道的四面八方，而不仅仅来自于巷道的两侧，围岩的蠕变位移过程收不到相关约束力的作用，很长时期内巷道围岩蠕变的动力不仅不会衰减，反而会随着围岩松动圈的扩大而加快速度，松动圈对支护材料的压力也会随着松动圈的扩大而增加。

33采区回风下山（-720m～-800m）围岩性质变化较大，有全部为粉砂岩的区段，有全部为泥岩的区段，有泥岩与粉砂岩兼有的区段。对于围岩为泥岩的区段，其围岩蠕变动力十分强劲，加上该区段主要为水平段，底板含水较大，岩石软化情况严重，因此，该区段是底板控制的重要对象。

（3）巷道底鼓

对于软岩巷道，底臌往往是导致巷道整体破坏的主要原因。巷道开挖后由于应力集中的影响均会出现破碎、松动、塑性，形成破碎圈、松动圈和塑性圈，松动圈、塑性圈的在地压的作用下自动形成压力拱，上、下、左、右四部分的压力拱之间因为要传递环向应力，从而形成封闭的环向应力环。水平地应力较大时，环向应力圈的上下部分中的环向应力值较大，此时基于岩石的蠕变效应，该部位岩体将发生径向方向的较大应变，进而引起质点的移动，下方发生底臌，上方发生冒顶。目前我国巷道支护都是采用一定的手段对帮顶进行支护，且支护强度高，其的应力状态均可得到一定程度的改善，故帮顶的稳定性是较易控制的。长期以来，由于底板缺乏成孔设备，锚索无法应用；反底拱等措施又难以推广，且成本高昂，故一般煤矿巷道的底板是不加支护的。正是由于底板没有支护，故软岩巷道的破坏均从底臌开始。

3、支护方案及支护参数

根据巷道围岩维护特点及目前巷道支护施工工艺，全断面为泥岩，且底板泥岩厚度大于1000 mm段，采用底角锚杆（排距700mm）+底板锚索（2根）+注浆对巷道底板进行支护。

底角锚杆在二次喷射混凝土前施工，锚杆选用M22 L=3000mm等强锚杆，角度与水平呈450，位置处于帮底交界处。排距600mm。

布置底板锚索，锚索规格采用φ22mm L=6300mm，间排距1600mm×1600mm，每断面2根，锚索锚固与底板注浆一并进行。

沿底板宽度等分布置2个注浆孔。浆液采用水泥水玻璃浆液，水泥采用525#，水玻璃浓度45B′e，用量为水泥重量的3%～5%，浆液水灰比为0.7，最大注浆压力2.0 MPa，注浆时间以达到注浆压力后保持10分钟为准。

4、结束语

许疃煤矿33采区回风下山（-720m～-800m）在高地压、围岩蠕变动力难以自制、巷道底鼓等影响因素下，根据巷道围岩维护特点及目前巷道支护施工工艺，在巷道顶帮满足支护的前提下，对巷道底板提出了底角锚杆（排距700mm）+底板锚索（2根）+注浆对巷道底板进行支护，从现场的支护效果来看，该支护方案在有效控制围岩的前提下，以较小的投入取得了理想的支护效果。从后期的矿压监测来看，该支护技术的应用，大大减小了巷道的底鼓以及底鼓所引起的变形，满足安全生产的要求，同时避免了后期巷道的维修所带来的不便。实践证明，其施工支护技术所选用的支护形式和设计参数是合理的，能够满足安全生产的需要，在同类软岩条件下巷道底板支护中能够推广运用。

作者简介

张超（1977～），男，安徽宿州人，1997年7月毕业于安徽省煤炭工业学校。现在淮北矿业（集团）有限责任公司许疃煤矿技术科掘进组工作。