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随着我国煤炭资源持续开发利用，东部煤炭资源不断萎缩。根据国家十三五规划，主要煤炭生产基地已向内蒙古、新疆等西部区域转移[1-2]。在对西部矿区煤炭资源的开采过程中，遇到了弱胶结软岩、岩体遇水软化膨胀、高应力软岩持续蠕变等围岩控制方面的技术难题。这些突显出来的技术难题，成为阻碍西部矿区高效建设和安全生产的关键问题。随着对西部资源开发力度的增大和“一带一路”建设的持续推进，对弱胶结软岩层井巷工程的围岩控制技术提出更高的需求。我国西部弱胶结软岩地区矿井分布广泛，其典型特征为岩性强度低、胶结性弱、裸露易风化、遇水易崩解、巷道掘进期间易引起围岩大变形等。尤其在弱胶结软岩煤矿巷道掘进过程中，存在底鼓速度快、持续时间长、隆起量大等难题，给矿井开拓和矸石运输带来了极大挑战。关于弱胶结软岩巷道变形机理及巷道变形控制技术，国内外很多学者都进行了深入研究，法国学者Haramy[1]认为受施工区域水平应力影响底板岩层最早出现损伤，并基于理论研究得到底板岩层应力和巷道稳定的关系；郭富利等[2]基于软岩试件三轴试验，分析了多种含水条件和围压状态岩石强度的差异特征，提出了弱胶结软岩巷道的支护理念；文献[3-5]借助数值计算方法深入分析围岩内部裂隙发育特征，针对软岩巷道的底鼓机理，总结出了约束底板进一步形变的分时效、局部控制的支护系统。 目前，关于弱胶结软岩方面的研究已取得一定成果，但是对于弱胶结软岩巷道底鼓机理的研究并不成熟。笔者以伊犁四矿21103运输石门为例，研究软岩巷道底鼓机理，并提出锚梁+锚杆+网喷+浇筑混凝土的联合支护技术，对矿井开采及巷道施工安全至关重要。同时，研究成果的推广应用，为西部矿区具有类似工程地质条件的矿井建设提供技术储备。
伊犁四矿井田位于新疆伊犁哈萨克自治州霍城县东南部，伊犁盆地北部一宽缓的倾伏向斜盆地中，区域地势东高西低。井田含煤地层主要为中生代侏罗纪八道湾组、三工河组，所施工的巷道主要布置在21-1煤层和23-2煤层之中，21-1煤层巷道揭露顶板岩性依次为细粒砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩等，23-2煤层巷道揭露顶板岩性依次为泥岩、炭质泥岩，岩体成岩质量劣、强度低、胶结性差，易风化和遇水软化，属于典型的弱胶结软岩地质。顶板底板：泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩、煤21-1、炭质泥岩、泥岩、煤23-2。
21-1煤层21103工作面水平石门布置在21103回风巷、21103回风联络巷与23-2主运大巷之间。位置关系如图1所示。
其中，21-1煤层21103工作面水平石门在巷道掘进过程中，现场监测发现其围岩表面破碎、自稳时间短、顶板下沉及底板隆起速度快，尤其底鼓持续时间长、变形量大、呈现挠曲褶皱性，若支护不及时或不合理，极易造成巷道岩体(煤体)破碎、顶板垮落、两帮片帮，严重威胁掘进施工期间的安全。
图1 巷道位置
Fig.1 Location of roadway
21103工作面水平石门设计支护形式为“二次锚网喷+锚索支护”。断面支护形式如图2所示。
1—锚索规格ø17.8 mm×6 300 mm间排距2 400 mm×1 600 mm 一排2根;2—全螺纹钢式等强树脂锚杆，规格ø202 mm×400 mm 间排距800 mm×800 mm
图2 巷道断面支护形式
Fig.2 Support form of roadway section
巷道在进行初次锚网喷支护后，现场监测其围岩收敛变形量及底鼓速率如图3所示，可知：①巷道施工后，围岩变形剧烈，两帮煤体开始破碎甚至剥落，顶板下沉明显，底板发生快速隆起，巷道来压快、应力释放明显，若不及时支护将引起巷道片帮、顶板破碎，甚至导致冒顶及巷道整体失稳。②由于巷道在施工后即进行及时初期支护，因此监测数据是在一次支护后的巷道变形，发现两帮收敛与底鼓变形速度仍然较快，变形持续时间较长，两帮收敛量达185 mm，底鼓量达360 mm，呈弧状型底鼓，阻碍煤矿开采运输。因此，单纯的初期锚网喷支护不能有效控制巷道围岩变形，需及时进行二次锚网喷+预应力锚索支护。③巷道掘进初期，底鼓变形速率达50 mm/d，且变形速率受地质条件影响较大，不同岩性条件下的巷道围岩变形速率差异显著；巷道掘进施工后10 d变形速率一般在10 mm/d以上，10 d后底鼓变形进入平缓阶段，40 d后底鼓变形速率基本稳定，呈现流变特性，变形持续时间较长。
图3 巷道围岩变形曲线
Fig.3 Surrounding rock deformation curves
国内众多学者对巷道底鼓机理进行了一系列研究。姜耀东等[5]将底鼓类型分为遇水膨胀型、剪切错动型、挤压流动型、挠曲褶皱型4类，并深入研究了其变形破坏机理及影响因素；刘泉声等[6]认为影响软岩巷道底鼓的主要因素为地层岩性、水理作用及高地应力；文献[7-9]提出了巷道底鼓主要由底板岩层压曲、偏应力下岩石扩容及岩石遇水膨胀等因素导致。笔者结合西部弱胶结软岩地质特征及矿区实际情况，总结得出软岩巷道底鼓成因的关键影响因素如下。
底板岩层的结构状态、软弱程度及岩层厚度直接决定着底鼓大小及底鼓形态。当底板位于坚硬砂岩或灰岩中时，一般处于稳定状态，通常不会发生底鼓；而底板位于软弱泥岩中时，由于岩体强度低、吸水率高、裂隙发育，其自身稳定性和承载能力较差，在地应力作用下极易产生底鼓，造成底板失稳破坏。
21-1煤层21103工作面水平石门底鼓段底板主要为泥岩、炭质泥岩，强度低、脆性大、遇水易崩解软化，自身稳定性和承载能力较差；并且其底角和底板普遍没有采取有效的支护措施，仅用混凝土硬化，当巷道顶帮压力较大时，造成底板出现应力集中现象，致使底板产生塑性变形、出现底鼓。现场观测发现，该段巷道底板隆起严重，将硬化混凝土整体剥离抬起。
巷道开挖破坏了原始应力平衡状态，引起围岩应力重新分布，当岩层应力达到一定条件时，底板岩层由于不能承受过大的应力作用而发生底鼓破坏。
水平石门底鼓段附近的23-2煤层主运大巷和21103工作面回风联络巷的掘进施工，破坏了该巷道周围岩层的应力平衡，致使巷道两帮应力集中，尤其是水平应力明显增大，促使两帮压力传递至底板，同时巷道顶板和两帮均已支护且强度较高，底板成为巷道的薄弱部位，压力便从底板释放出来，导致底鼓产生。
底板敞开不支护是巷道底鼓量大于顶板下沉量的重要原因。底板支护对控制底鼓有重要作用，且底鼓量取决于支护阻力的大小[9-10]。
该段水平石门巷道采用二次锚网喷+锚索支护，底板采用混凝土硬化，底板的支护强度和深度明显低于顶板和两帮，是巷道支护的薄弱部位。受掘进动压影响后，巷道周围松动范围增大，顶板和两帮在锚杆加固拱作用下逐渐趋于稳定，由于软岩巷道四周来压，将挤压底板产生裂隙和流变扩容，这时仅采用刚性支护无法达到支护强度。因此，底板成为巷道支护体系的薄弱环节，应力释放通过底板隆起体现出来。
巷道底板通常长时间存在积水，水的存在使得底鼓更加严重，原因主要表现在3个方面：①底板岩层浸水后强度降低，容易破坏；②当底板为高岭石、伊利石等为主的黏土岩时，浸水后会发生泥化、崩解、破裂，直至强度完全丧失；③当底板为含蒙脱石等膨胀岩层时会产生膨胀性底鼓。
而且底板积水不仅与底板岩体发生接触，还会通过裂隙深入到底板内部，加速底板下部围岩强度丧失和体积膨胀，导致裂隙进一步扩大 [11-13]。
结合上述底鼓成因分析，单独采用锚喷网或混凝土硬化无法有效控制软岩巷道底鼓，需采用多种方式的联合支护技术。从岩层应力分布和支护强度方面进行控制，提出了锚梁+锚杆+网喷+浇筑混凝土的联合支护技术，巷道拱部及两帮支护按照原有支护形式不变，对底板进行加强支护，如图4所示。
图4 巷道底板联合支护
Fig.4 Combined support of roadway floor
具体支护参数如下：
1)锚杆采用ø22 mm×2 400 mm的螺纹钢等强锚杆，布置于锚梁上，每断面布置3根，横向间距为1.2 m，与底板垂直或呈75°(底角锚杆)打设。
2)锚梁采用ø20 mm钢筋焊制而成的钢筋带，长度为3 m(约占底板宽度的2/3)，间距为200 mm，每条锚梁打设3根锚杆通过托盘固定于底板上。
3)钢筋网为ø8 mm钢筋焊制，规格为80 mm×80 mm，联网扣距不低于30倍钢筋直径。
4)底板初喷混凝土为C20，厚度300 mm，二次现浇混凝土采用C20，厚度400 mm，充分提高底板的刚度和支护强度。
该联合支护技术的优势为：①锚杆+锚梁的柔性支护作为主动支护，提高底板岩层的整体强度，充分发挥其深部岩层的自稳性；②网喷+浇筑混凝土作为被动支护，可提高底板的整体刚度，抵抗底鼓压力，抑制底板变形；③该联合支护充分发挥了主被动支护的优势[14-16]，与顶板锚网喷+锚索支护和两帮锚网喷支护共同形成了封闭的支护体系，有效控制巷道变形，最终实现底板的稳定性控制。
将锚梁+锚杆+网喷+浇筑混凝土的联合支护技术应用于21-1煤层21103工作面水平石门，对其进行了3个月的现场实时监测，其巷道围岩变形情况如图5所示。
图5 巷道围岩变形监测曲线
Fig.5 Surrounding rock deformation monitoring curves
对比图4采用联合支护技术与仅采用网喷支护可知，①软岩巷道底板采用联合支护技术后，围岩变形显著减小，两帮收敛量最大值为38 mm，比未采用时降低了80%，底鼓量最大值为59 mm，比未采用时降低了83.6%，说明通过对巷道底板进行主被动联合支护，有效提升了巷道的整体稳定性，变形抑制效果显著；②采用联合支护技术后，底鼓速度明显降低，在巷道开挖后10 d内，底鼓速度小于顶板和两帮变形速度，在10～40 d，底鼓以较为平稳的速度发展，直至50 d后底鼓基本保持稳定，说明底板联合支护结构发挥了较好的作用，将两帮传递来的围岩压力传递至底板深部岩层。因此，软岩巷道采用锚梁+锚杆+网喷+浇筑混凝土的联合支护技术能够有效控制围岩变形，具有良好的工程应用效果。
1)伊犁四矿弱胶结软岩巷道具有岩性强度低、胶结性弱、裸露易风化、遇水易崩解、开挖大变形等特点，尤其底鼓速度快、隆起量大等问题给巷道开挖和采矿运输带来了极大挑战。
2)根据现场监测得到软岩巷道底鼓的关键影响因素主要为底板岩性和结构状态、岩层应力、支护强度、水理作用。
3)提出了巷道底板采用锚梁+锚杆+网喷+浇筑混凝土的联合支护技术，现场监测表明该支护技术能够有效控制围岩变形，具有良好的工程应用效果。
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