佟莹莹 王涛 于金伟

1.中煤第五建设有限公司第四十九工程处，河北 邯郸 056003；

2.济宁矿业集团霄云煤矿，山东 济宁 272213

我国很多煤矿已经突破 1000m 的开采深度，巨野矿区便为我国典型的深部开采矿区，深埋巷道底臌问题严重，给行人、行车、安全带来极大影响，直接影响了煤炭的安全高效开采[1-4]。现场调查表明，在底板不支护的深部开采中，巷道顶底板移近量的 2/3～3/4 是底臌引起的，底臌造成的巷道维修量占维修总量的50%[5-8]。如何有效、经济的控制底臌是深部开采急需解决的问题。本文在总结现有研究成果的基础上，着重分析了深部软岩底臌特性，提出利用底板注浆锚索进行底臌治理的技术，并进行现场应用，取得较好的控制效果。

1 工程概况及底臌机制分析

1.1 工程概况

某矿水泵房断面形状为直墙半圆拱形，设计净断面宽4.5m，高5.05m，处于-945水平，水泵房掘进过程中主揭露3煤层及煤层底板细砂岩，底板泥岩，顶板细砂岩颜色灰白，块状构造，中厚~厚层状结构，裂隙中等，局部充填方解石脉；底板泥岩为灰黑色，厚层状结构，块状构造，水平层理、斜层现发育，参差断口。

图1 水泵房断面及原支护设计图

水泵房具体断面尺寸及原支护设计见图1。掘进支护材料为螺纹钢树脂锚杆、金属网、锚索、C20混凝土。 该巷道采用ф22×2400 mm无纵肋螺纹钢式树脂锚杆配合、锚索、金属网进行组合梁式支护。帮部锚固锚杆采用1根28100树脂药卷，顶部锚固锚杆采用1根25100树脂药卷，锚杆间排距为0.8m×0.8m，锚索间距2m，排距2.4m，每排3根。锚索均为ф17.8×6.2m，每孔2支25100药卷锚固。

硐室施工完成后，初期变形量并不大。但是后期随着水泵房蓄水和设备运行等原因，开始逐渐出现大变形和破坏现象，底鼓现象凸显。造成设备基础变形开裂，设备移位，管道变形甚至破断，直接影响的水泵房的正常使用。

1.2 底臌原因分析

通过地质调研、现场观测、理论分析等手段，发现该水泵房底臌原因主要有以下五点。

（1）膨胀性泥岩剧烈软化膨胀。水泵房围岩地质调查结果显示，围岩所处层位为泥岩，巷道变形剧烈，严重影响硐室正常使用。岩石单轴抗压强度低于15MPa，流变及蠕变性极强，长时间不能稳定。同时，该区域泥岩中含有较高含量的黏土矿物和膨胀性矿物，岩石的裂隙发育，接触地下水时会造成强烈膨胀，导致围岩进一步失稳破坏，引发更为强烈的底臌。巷道的稳定与围岩的岩石物理力学特性有密切关系。

从岩石矿物成分分析结果中看出，泥岩中高岭石含量高达40%～85%，还有7%～10%的伊利石、蒙脱石。强膨胀性矿物蒙脱石和弱膨胀性矿物高岭石、伊利，在地下水和空气中的水的影响下，对水极其敏感，膨胀变形剧烈，特别是在大断面巷道且有涌水情况下，围岩失稳更加严重。

（2）埋深大、地应力高。水泵房的埋深大，在1000m左右，地应力测试结果显示该区域垂向地应力为25.7MPa，水平方向最大主应力为36.4MPa，构造地应力影响显著。在高的地应力荷载作用下，围岩应力应变关系呈现出不同于浅部的特点，变形速度快，变形量大，流变时间长。导致巷道围岩长时间达不到稳定状态。

（3）水理作用显著。水泵房的特殊功能决定了围岩必须处于有水的环境中，底板围岩长期浸泡与水中，在水理作用下，岩体强度弱化严重，同时由于吸水、失水而引起水解，进一步加剧岩石破坏，使岩石出现裂纹、崩解，导致围岩变形了进一步加大。

（4）温度作用影响。围岩在深埋下地温高，即使在巷道空气中的温度也高达约30℃，围岩岩石温度将更高，随着温度的升高，岩石强度将降低，随着季节的变化、温度的变化，岩石将经历吸水、失水的过程而加剧岩石的风化或水解，这也将影响巷道围岩稳定。

（5）设备震动影响。水泵房启用后，水泵长期处于工作状态，震动剧烈，由于水泵直接安放在底板基础上，导致底板围岩收到长时间的震动作用，使得围岩在高压下更易破碎、开裂，进一步加速和加剧了底臌问题。

2 底板注浆锚索加固方案及效果

2.1 加固方案设计

在充分了解现场地质条件和分析底臌原因的基础上，提出了根治该水泵房底臌的支护原则：单纯的支护外荷载不能有效解决问题，需要从改善围岩自身性质、提高围岩自承能力方面入手解决问题。

根据上述原则，设计了预应力注浆锚索底板加固方案，具体见图2。

（1）封闭底板：首先将水泵房底板进行卧底施工并淤泥清理干净，清至硬底，排净水后对底板抹一层厚100mm的混凝土，做成混凝土地坪，以防止注浆时大面积跑浆，凝固后进行打眼、安装注浆锚索、注浆。

（2）预应力注浆锚索参数：经岩石力学状况分析和工程类比，选取的注浆锚索支护的参数为：注浆锚索直径22mm、长5300mm，间排距1.6m，注浆锚索施加的预应力为15t，为使底板受力更加均匀。

（3）注浆材料及参数：确定选用成本最低的复合水泥浆材作为注浆材料。注浆压力3～4MPa，注浆液为单液浆，水灰比为1：0.75。

图2 底板注浆锚索支护设计图

（4）施工顺序：卧底、清底→施工混凝土地坪，防止跑浆→施工锚索孔→安装注浆锚索并封孔→注浆→水泥浆液凝固后施加预紧力。

2.2 底板控制效果

底臌治理方案现场实施顺利，工艺相对简单，未出现不易施工的情况。为充分了解新型支护方案的围岩控制效果，特在试验巷道中设置矿压观测点进行围岩变形量的连续观测，结果如图3所示。新支护方案实施90天后，巷道已经基本趋于稳定，顶板下沉最大值为34mm，两帮移近量最大值12mm，底臌最大值为27mm。巷道底臌量明显减少，达到了预定的目标，基本符合设计要求，说明前文对底鼓原因的分析和新型支护方式是合理的，能够满足对深井软岩巷道底鼓的治理。

图3 巷道变形监测结果

由此可见，在深井高地应力条件下，采用预应力注浆锚索进行底臌治理的新型的控制技术有明显的效果。

3 机制分析

通过底板注浆锚索加固作用，其围岩作用机理主要反映在以下几个方面。

（1）加锚注浆改变了内岩体峰后承载和变形特性。加锚注浆岩体可呈现理想弹塑性特点，峰后不出现应力软化。

（2）通过注浆加固改善了围岩物理力学参数，提高自承能力。阻止围岩本身强度的降低，增强了破裂岩体的承载能力，直接导致围岩峰值强度显著提高，且改善了围岩变形性能。

（3）阻止了围岩深部塑性区的大范围发展。处于峰后软化和残余变形段的破碎岩体是注浆加固的主要强化对象，此类岩体应力状态较低，通过加固可转化为弹性体，有效改善围岩承载结构。

（4）多层组合拱结构的可靠性与承载能力显著提高。注浆加固扩大了锚注支护体系的有效承载范围，提高了支护体系的整体性和承载能力。使得支护体系能够对深部破裂围岩提供更加有效的约束，充分发挥发挥破裂围岩的自承结构效应。

4 结语

（1）结合某千米深井水泵房的底臌破坏情况，分析认为地应力高、地层岩性软弱、水理作用强烈及支护荷载弱是产生强烈底臌的原因。

（2）分析了控制底臌的原则，提出了预应力注浆锚索治理底臌的方案，现场实施效果证明该方案对于深井底臌具有较好的控制效果。为深井底臌治理提供了一种新的有效的控制方法，具有较好的借鉴和推广价值。

（3）从4个方面分析了底板注浆锚索加固作用机理：加锚注浆改变了内岩体峰后承载和变形特性，改善了围岩物理力学参数，提高自承能力，阻止了围岩深部塑性区的大范围发展，多层组合拱结构的可靠性与承载能力得以显著提高。

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