基于松动圈理论的大巷底鼓治理技术

【摘 要】运用松动圈理论，对某煤矿一条底鼓严重的集中轨道大巷的支护方式进行了改进，改进后，底鼓明显得到控制，能够满足正常生产的需要，取得了较好的应用效果。

【关键词】巷道支护；松动圈理论；底鼓

我国煤炭资源丰富，成煤时期多，赋存条件十分复杂，煤矿绝大多数采用井工开采，巷道总量达3万公里，是浩大的地下工程。由于埋藏深度大，软岩分布广，以及大多数巷道经受采动的强烈影响，所以煤矿巷道的围岩控制要比一般地下工程困难。本文拟探讨以松动圈理论为基础的大巷底鼓治理技术。

1 巷道概况

本文所研究的巷道为某矿一条连接轨道大巷与副斜井井底车场的集中轨道大巷，该巷道全长120.53m，坡度为4‰。该矿现有的地质资料显示，井底车场集中轨道大巷附近没有老空区或采空区的影响，围岩较稳定，施工区域内亦没有发现诸如陷落柱、无断层等地质构造或破碎带。巷道掘进以11号煤底板为掘进底板。该煤层厚度在4.72～9.56m，平均厚度达到7.24m。该煤层底板位于本溪组底部，奥陶系灰岩侵蚀面之上，区域上称之为G 层铝土矿层，其厚度平均5.68m，其中北部总体较厚，而南部则较薄。巷道存在涌水，实际涌水量约为6m3/h。该区铝土泥岩氧化铝及二氧化硅含量较高，据此可推断铝土泥岩中含有大量铝硅酸盐。

2 巷道原来的支护方式及变形情况

井底车场集中轨道大巷原来采用U29型钢支架+锚网喷+锚索的联合支护形式，具体支护参数如下：

（1）锚杆杆体材料采用左螺纹钢，规格为Φ20mm×2200mm，每根锚杆使用K2355和Z2355型树脂锚固剂各一支，锚杆采用三花布置方式，间排距均为800mm，并用厚5mm、长和宽均为120mm的正方形成品托板作为锚杆托板。打锚杆时，锚杆从距离巷道底板不超过800mm的位置开始起锚，并使所有锚杆均垂直于巷道掘进轮廓线，当煤（岩）层的层理、节理发育时，锚杆应尽可能与主要层理、裂隙面垂直。

（2）金属网为Φ6.5mm盘圆钢筋焊制而成，网幅为2000mm ×1000mm，网格为100mm×100mm，网与网之间搭接宽度不小于100 mm，联网时选用10# 铁丝剪成的长400mm的小段，双股对折，扭结圈数不小于3圈，要联结密实，联结点间距不大于200mm。

（3）锚索规格为Φ17.8 mm×8000～14000mm的7股钢绞线，间排距均为1600mm，配套使用1 卷K2355、2卷Z2355型锚固剂（快速药卷在上，中速药卷在下），锚索托板规格为300mm×300mm ×16mm及配套锁具。

（4）使用U29型钢支架进行支护，但U型钢没有封闭。

根据分析，认为该支护方案仅仅对于顶板和两帮具有较好的效果，而不能对底鼓进行控制。目前全巷道出现了严重的底鼓现象，平均鼓起高度为750～900mm，该巷道所施工完毕的水沟均已开裂或挤压变形，对矿井安全生产造成严重影响。虽然该矿对该巷道进行过多次维修，但底鼓仍然很严重。

3 松动圈理论

松动圈理论的主要内容是：松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大；反之，松动圈越小，收敛变形越小，就越容易支护，对于坚硬围岩的巷道，其围岩松动圈近似为零，不需要进行支护。可见，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。

（1）小松动圈支护机理。当L

（2）中松动圈支护机理。当L=40～150 cm时，称为中松动圈。围岩的碎胀力比较明显，围岩的收敛变形将使喷层产生裂缝或破坏，因此，必须用锚杆控制其变形。

（3）大松动圈支护机理。当L>150 cm时，称为大松动圈，属软岩。L=150 cm是围岩松动圈支护理论划分为软岩的界线。该类岩石地压显现特征为压力大，2～3层料石碹常被压坏，围岩变形量大，变形时间长，支护不成功时底鼓严重。对于这类围岩，必须选用较强的支护才能防止底鼓。合理的支护还应有一定的可缩性。在大松动圈围岩中施工的巷道，采用组合拱理论可以有效地进行支护。

4 支护方式的改进

根据现场变形特征以及底板地质层结构可判断：若巷道开拓过程中底板无水接触，那么总位移的大部分是由围岩应力释放造成，底鼓发生主要形式为挤压流动型变形，因此采用“让”、“抗”结合的组合支护形式。根据对所采集铝土岩成分分析，采用一维膨胀理论估算由铝土岩膨胀位移在300～400mm之间，因此在总体方案中应考虑底板遇水发生膨胀性底鼓，进行防水处理。根据现场实测，轨道大巷净宽约为4800mm，左边墙0.7～1.1m内围岩破碎，松动圈大小在为1.8～2.4m；右边墙1.2m内围岩破碎，松动圈大小在2.6～2.9m之间；底板1.1m内围岩松散，松动圈大小在2.7～3.1m之间。

4.1 支护方案

采用“基角爆破卸压+底角锚杆+注浆+底板锚杆+封闭式支架+膨润土防水毯”联合支护方式，降低底板围岩浅部的应力，使高地应力向围岩深部移动，增加围岩变形的阻力，底板锚杆防止底板岩层扩容、膨胀及水平压力下挤压流动变形引起的剪切破碎产生剪切滑动膨胀底鼓，封闭式可伸缩支架起到先让后抗作用。

根据膨胀理论对该泥岩遇水膨胀量的预测，为防止裂隙水及工业水在底板上产生的径流及边沟汇集流水侵入铝土泥岩而发生岩层泥化、崩解、破裂现象，降低岩体强度，导致底板岩层产生遇水膨胀性底鼓，需采取措施，避免巷道底板表面径流水与底板岩层接触。采用膨润土防水毯作为隔水材料。

4.2 技术参数

（1）基角爆破参数

炮孔距两帮的距离为180mm，炮孔斜长3.8m，倾角45°，排距1m；每孔装填200g煤矿许用乳化炸药，炮孔填塞长度不少于1m。

（2）底角锚杆参数

底角锚杆采用左旋螺纹钢杆体可伸长增强锚杆，规格Φ25mm×2800mm，排距800mm，距巷道底板300mm，向下倾斜30°～45°。选用K2355型树脂锚固剂一卷和Z2355型树脂锚固剂两卷，采用端头锚固，锚固力不小于150kN，安装预紧力不小于150 kN.m。

（3）注浆参数

根据松动圈测试结果，底板1.1m内围岩处于松散状态，而松动圈大小在2.7～3.1m之间，即在此范围内围岩松动，注浆的目的是将松动圈内的围岩胶结起来，增强其完整性。因此设计注浆孔的深度为3.5m，沿巷道底板两排孔三角错动排布注浆。

（4）底板锚杆参数

底板设置锚杆Φ20mm×2400mm左旋螺纹钢筋锚杆，间排距800mm×800mm，锚杆孔径29mm，锚固长度不小于1000mm，锚固力不小于100 kN，安装预紧力不小于120kN.m。

（5）膨润土防水毯参数

防水毯沿底板全长铺设，两帮铺设高度超出边沟顶面设计高程150mm，毯间压茬100mm，防水毯每截面长度至少需5500mm。

5 支护效果

通过运用松动圈理论，对支护方式进行改进，取得了良好的支护效果。支护后三个月内的观测表明，该支护方式对解决铝土泥岩巷道的底鼓具有较高的适应性，巷道变形量较小，特别是巷道底鼓得到了很好的控制，完全可以满足生产的需要。该技术具有一定的推广应用价值。

参考文献：

[l]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州：中国矿业大学出版，1999.

作者简介：

于守东，男，1974年10月生，研究生学历，工程师，在淮海实业发展集团公司祁南工贸有限公司从事生产技术管理工作。