布爾臺礦 3-1煤回采巷道底鼓機(jī)理分析與防治對策

吳玉文,宋選民,歐陽輝

（1.神華新街能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000;2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,山西太原 030024; 3.神東煤炭集團(tuán)布爾臺礦,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

布爾臺礦 3-1煤回采巷道底鼓機(jī)理分析與防治對策

吳玉文1,宋選民2,歐陽輝3

（1.神華新街能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000;2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,山西太原 030024; 3.神東煤炭集團(tuán)布爾臺礦,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

基于布爾臺礦 3-1煤層地質(zhì)賦存條件、開采巷道布置、工作面開采接續(xù)順序以及巷道礦壓顯現(xiàn)實(shí)測規(guī)律,采用礦山壓力與巖層控制的基礎(chǔ)理論,探討了回采巷道底鼓嚴(yán)重的力學(xué)機(jī)理,詳細(xì)分析了巷道底鼓的影響因素,比較了各種影響因素的相對重要性,認(rèn)為 3-1煤層的頂?shù)装鍘r層性質(zhì)、開采深度、巷道布置以及工作面的開采接續(xù)順序是造成巷道底鼓嚴(yán)重的最重要影響因素。在此基礎(chǔ)上,提出合理選擇 3-1煤層相鄰工作面的開采滯后錯距參數(shù),以及調(diào)整工作面接替順序?qū)⑹潜苊夂头乐位夭上锏赖坠牡闹匾緩健?/p>

回采巷道;底鼓機(jī)理;防治對策

隨著神東集團(tuán)建設(shè)規(guī)模與區(qū)域的擴(kuò)大,陸續(xù)在鄂爾多斯附近新建布爾臺、寸草塔和柳塔等礦井,此處開采深度大幅增加,頂?shù)装鍘r性明顯松軟及開采布局與接替順序等,亦與大柳塔附近礦井有質(zhì)的不同,因而回采巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、圍巖變形嚴(yán)重,大大影響工作面快速推進(jìn)和高產(chǎn)高效,制約著礦井建設(shè)的健康發(fā)展。關(guān)于巷道變形破壞尤其是底鼓的研究,已有大量的研究成果[1-3],但以往涉及開采布局的影響研究較少。為此,應(yīng)探索布爾臺礦3-1煤層條件下回采巷道發(fā)生嚴(yán)重底鼓的力學(xué)機(jī)理,分析其顯著影響因素,制定可行的、科學(xué)有效的防治對策,以促進(jìn)采場巷道圍巖控制與支護(hù)技術(shù)的進(jìn)步。

1 布爾臺礦 3-1煤層地質(zhì)開采技術(shù)條件

布爾臺礦是神華集團(tuán)新建設(shè)的年產(chǎn) 20Mt大型現(xiàn)代化礦井,主采 3-1煤層和 5-1煤層。新投產(chǎn)盤區(qū)為 3-1煤層的十一盤區(qū),正在開采 23101和23102工作面。3-1煤層開采厚度平均 3m,埋藏深度平均 240.4m,最大 343.5m,直接頂板為砂質(zhì)泥巖,厚 27.36m;底板為粉砂巖,厚度 4.1m,均為泥質(zhì)膠結(jié);基本頂為細(xì)砂巖,厚度 32.56m。23101和 23102工作面長度 300m,23101（1）面推采長度 2760m,21301（2）面推采長度 2065m,23102面推采長度 4657m。運(yùn)輸巷高寬為 3m×5.4m,回風(fēng)巷高寬 3m×5.2m,采用錨桿,錨索聯(lián)合支護(hù);錨索聯(lián)合支護(hù),錨桿 φ16×1.8m,間排距 1.1m,錨索 φ17.25mm×6500mm,間排距 2.2m×2m。護(hù)巷煤柱 20m。工作面巷道布置如圖 1。

2 23102回采巷道圍巖變形的特征分析

布爾臺礦在投產(chǎn) 23101工作面時,為早出煤將原來計劃布置的 23101工作面,分為 2個工作面,即 23101（1）和 23101（2）工作面。先采 23101 （1）工作面,在采空區(qū)后方維護(hù)巷道,等前工作面快停采時,后面的 23101（2）工作面開始回采。

圖1 工作面巷道布置

23101（1）工作面開采過程中,推進(jìn)距切眼230～300m時,其后方 60m范圍內(nèi)運(yùn)輸巷道開始發(fā)生底鼓,變形量 400mm左右,此為 3-1煤層23101（1）工作面開采的第 1次巷道底鼓,隨后工作面后方運(yùn)輸巷道底鼓基本持續(xù)到 23101（1）工作面回采結(jié)束。

23101（2）工作面,在 2009年 2月 8日推進(jìn)距切眼 230m后,運(yùn)輸巷道發(fā)生第 2次底鼓,超前工作面 100m產(chǎn)生最大底鼓,巷道并未冒頂,且運(yùn)巷底鼓存在周期性,即每推進(jìn) 100m發(fā)生 1次大范圍底鼓。

23102工作面開采過程中,距 23101（2）面630m時,回風(fēng)巷道發(fā)生底鼓。2009年 2月 18日,相距 690m時,23102綜采面機(jī)尾 4架范圍沿工作面方向發(fā)生冒頂,長度 10m,寬度 6m,高度 9m,支架翹起,頂梁下沉,支架后方采空區(qū)矸石大量涌入;23102綜采面機(jī)尾、23102回風(fēng)巷超前工作面30m范圍內(nèi)頂板破碎嚴(yán)重,底鼓量達(dá)到 300～500mm,頂板整體下沉也很嚴(yán)重。

2009年 3月 22～25日,23102工作面回風(fēng)巷道底鼓嚴(yán)重,頂板未冒,推進(jìn)受阻;2009年 4月 7～10日,23101（2）與 23102相距 810m時,回風(fēng)巷道發(fā)生冒頂。在 23102面回采時,21303面回風(fēng)巷也發(fā)生底鼓,但不嚴(yán)重。

總結(jié)以上情況,布爾臺礦 3-1煤層回采巷道圍巖變形具有如下特征:

（1）回采巷道圍巖變形以底鼓為主,片幫比較輕微。

（2）底鼓主要發(fā)生在靠近開采側(cè)的回采巷道,如 23101工作面開采時為 101運(yùn)輸巷道;23102工作面開采時為 102回風(fēng)巷道。

（3）巷道底鼓范圍,工作面前、后方各 60～100m的采動影響區(qū),與采動影響密切相關(guān)[1,5]。

（4）巷道底鼓在時空上存在周期性,與采場頂板斷裂運(yùn)動規(guī)律即礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等因素有關(guān)[5]。

（5）在工作面推進(jìn) 230m后,巷道發(fā)生底鼓。

3 23102回采巷道底鼓影響因素分析

布爾臺礦 3-1煤層 11盤區(qū) 23101和 23102工作面開采過程中,回采巷道圍巖控制與支護(hù)難題的出現(xiàn),主要是由特定的頂?shù)装鍘r性、開采深度及開采技術(shù)條件的綜合影響所致,為此將著重討論其影響因素及重要性,以便尋求巷道底鼓的防治對策。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造的影響

據(jù)調(diào)研,布爾臺礦處于鄂爾多斯煤田一條主要的地質(zhì)構(gòu)造帶上,井下斷層和褶區(qū)構(gòu)造發(fā)育,與神東主礦區(qū)的煤層賦存條件截然不同,3-1煤層頂?shù)装寮懊簩邮艿刭|(zhì)構(gòu)造的影響,裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎、巖性偏軟,開采影響過程中巷道變形破壞明顯[4],特別是底鼓嚴(yán)重。

3.2 3-1煤層頂?shù)装鍘r性與開采深度的影響

布爾臺礦 3-1煤層,巷道直接頂板為砂質(zhì)泥巖,厚 27.36m;底板為粉砂巖,厚度 4.1m,均為泥質(zhì)膠結(jié)。由礦壓理論,在采深 343.5m條件,其垂直原巖應(yīng)力為 8.42MPa,在掘巷后矩形巷道最大應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá) 5[1,5],則回采巷道的集中應(yīng)力達(dá)到42.1MPa。

依據(jù) 3-1煤頂?shù)装鍘r石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,頂板直接頂砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度平均 39.66MPa,底板粉砂巖強(qiáng)度平均 13.48MPa,在 42.1MPa集中應(yīng)力的作用下,發(fā)生巷道圍巖變形破壞是必然的。因此,開巷后的底板已經(jīng)處于臨界破壞狀態(tài),受工作面采動影響時,則表現(xiàn)為嚴(yán)重的巷道底鼓現(xiàn)象,使厚度 150～200mm的混凝土底板發(fā)生“人”字形的鼓起斷裂。

3.3 工作面開采順序的采動影響

在布爾臺礦 3-1煤層,基于早出煤、快達(dá)產(chǎn)以及采掘接續(xù)緊張的綜合考慮,為了年產(chǎn) 20Mt的礦井目標(biāo),首先將 2個工作面布置在開拓準(zhǔn)備好的一盤區(qū),即 23101與 23102工作面,而且 23101工作面分為 2段,即 23101（1）和 23101（2）工作面。如此,先采 23101（1）工作面,將近回采結(jié)束時,開采 23101（2）工作面,待 23101（2）工作面推進(jìn)一定距離后,又布置安裝 23102工作面,滯后回采,在一個盤區(qū)的兩個相鄰工作面附近形成復(fù)雜的時空影響關(guān)系。此時,23101面運(yùn)巷將要受掘巷影響、23101（1）采動影響,以及 23101（2）與 23101（1）復(fù)合影響,巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈,底鼓嚴(yán)重將是難以避免的。

對于 23102回風(fēng)巷道,除掘巷影響外,還受23101工作面一次采動影響和 23102面的二次采動影響,顯然巷道底鼓的程度要比 23101運(yùn)巷嚴(yán)重的多,此為該巷底鼓 400～600mm,冒頂片幫,影響工作面正常推進(jìn)的又一個原因。

3.4 巷道煤柱寬度的影響

布爾臺礦 3-1煤層一盤區(qū) 23101與 23102面,巷道煤柱設(shè)計為 20m,依據(jù)礦壓觀測資料分析結(jié)果,工作面煤壁前方的巷道顯著影響范圍恰為 20m左右,故 20m護(hù)巷煤柱設(shè)計使 23102回風(fēng)巷正處于兩巷受采動影響的劇烈顯現(xiàn)范圍,頂板的強(qiáng)大支承壓力通過煤柱傳遞到巷道底板,使其底鼓變形和破壞,影響了底板的穩(wěn)定。

3.5 同采工作面前、后支承壓力疊加的影響

礦井產(chǎn)量目標(biāo)要求,在 3-1煤層同時布置23101和 23102兩個工作面,開采初期未很好掌握工作面前、后方采動影響距離范圍,工作面的同采滯后間距一直處于摸索階段,使滯后錯距小于前工作面的后采動影響范圍與后工作面的前采動影響范圍之和,前面采場頂板巖層移動尚處于活動期間并未穩(wěn)定,后面工作面即隨后回采,前、后采動支承壓力疊加,造成松軟底板的嚴(yán)重鼓起,也是一個重要原因[5]。

綜合上述分析,布爾臺礦 3-1煤層影響回采巷道底鼓的最關(guān)鍵因素是工作面開采巷道布局、回采接替順序以及同采滯后間距參數(shù),能解決這些問題,將會大幅度減輕或避免巷道底鼓危害。

4 3-1煤回采巷道底鼓變形量的理論預(yù)測

在布爾臺礦 3-1煤層條件下,巷道底鼓最嚴(yán)重的位置是工作面的兩個出口,故在沿工作面方向的出口位置取一垂直剖面,將工作面與巷道聯(lián)合考慮成一個扁平巷道,可建立彈性巖石介質(zhì)的巷道底鼓變形預(yù)測力學(xué)模型 （如圖 2）[3],有

式中,v為底板巖石泊松比;σy為巷道位置頂板垂直應(yīng)力,MPa;G為底板巖石的剪切模量,MPa;L為扁平巷道的跨度,m;x為底板距原點(diǎn)位置,m。

單工作面 （23101）開采時,將L=310.8m,v =0.30,由 E=1281MPa得 G=E/[2（1+v）]= 492.31MPa,σy=8.42MPa,x=152.7m帶入 （1）式,可預(yù)測 23101運(yùn)輸巷道的底鼓變形量為0.345m,即單面采動時 23101回風(fēng)巷底鼓量可達(dá)345mm,與實(shí)測結(jié)果基本一致。

圖2 巷道底鼓的力學(xué)預(yù)測模型

當(dāng) 23102工作面開采時,23102回風(fēng)巷道受二次采動影響,因工作面布置參數(shù)完全一致,可將 2個工作面的影響簡單疊加,故可預(yù)測 23102回風(fēng)巷受二次采動影響的底鼓變形量為 690mm。此與23102回風(fēng)巷的實(shí)測底鼓量基本一致。

5 3-1煤層回采巷道底鼓防治對策

從布爾臺礦 3-1煤層回采巷道的底鼓破壞原因方面著手,可以采取如下的防治對策:

（1）調(diào)整工作面開采順序或布局,布置多盤區(qū)單工作面開采或盤區(qū)內(nèi)工作面跳采的模式,避免多面同采的采動影響疊加,從根本上解決巷道底鼓。

對 3-1煤層一盤區(qū)巷道底鼓影響最嚴(yán)重的還是采動影響因素,初次采動影響是不可避免的,重要的是如何避免二次采動對巷道底鼓的疊加影響,才是解決問題的實(shí)質(zhì)所在[1,5]。為此,通過布置多盤區(qū)單工作面開采模式,即按礦井產(chǎn)量要求布置 2～3個盤區(qū),各盤區(qū)內(nèi)布置 1個工作面,實(shí)施盤區(qū)間工作面輪采,待盤區(qū)內(nèi)工作面回采結(jié)束巖層移動穩(wěn)定后,再進(jìn)行盤區(qū)內(nèi)下一個工作面的開采,即可消除 2個相鄰工作面開采對巷道變形的疊加影響;或在盤區(qū)內(nèi)實(shí)行工作面跳采,即先采 23101,23103, 23105工作面,再采 23102,23104,23106工作面,亦可避免回采巷道圍巖變形的采動影響疊加。

（2）3-1煤層工作面實(shí)行 3巷布置,設(shè)置措施巷,合理留設(shè)煤柱,允許中間措施巷變形破壞,充分釋放采動支承壓力的影響,減輕下工作面巷道底鼓,同時解決工作面瓦斯問題。

在礦井開拓準(zhǔn)備與采掘接替實(shí)在不允許、只能開發(fā)單盤區(qū)的情況下,可考慮工作面的 3巷布置,總共 6條巷,其中 2個相鄰工作面中間的巷道設(shè)為措施巷,該巷道除通風(fēng)外,不用行車行人,允許其產(chǎn)生變形而釋放采動壓力[1,5],以保護(hù)下工作面開采的留用回風(fēng)巷。措施巷還能用做瓦斯尾巷,充分稀釋 3-1煤層工作面的涌出瓦斯,預(yù)防瓦斯災(zāi)害。

（3）將原來 300m的工作面長度縮短為 240m,減輕采動對巷道維護(hù)的影響,實(shí)現(xiàn)安全高效開采。

神華集團(tuán)神東礦區(qū)采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的實(shí)測研究表明,工作面長度對采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度以及巷道圍巖穩(wěn)定性有重要影響[6,7],工作面越長,巷道圍巖破壞越顯著。為此,結(jié)合布爾臺礦 3-1煤層頂板為泥質(zhì)膠結(jié)的厚層砂質(zhì)泥巖與底板為泥質(zhì)粉砂巖的條件,采取縮短工作面長度為 240m的措施,也可改善巷道底鼓破壞的困難狀況。

（4）在工作面和巷道布置參數(shù)均合理的情況下,巷道底板采用鋼筋混凝土反拱支護(hù),減輕底鼓。

針對布爾臺礦 3-1煤層回采巷道的底鼓影響因素分析,其最主要的影響是地質(zhì)和開采布局因素,地質(zhì)影響無法避免,開采布局可以調(diào)整。因此,在開采布局合理科學(xué)的前提下,可以對回采巷道的底板實(shí)施支護(hù)以及防鼓措施,目前可行的支護(hù)有:底板錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)、設(shè)置底板鋼筋混凝土反拱支護(hù)和開設(shè)底板泄壓槽等。

試驗(yàn)表明,錨桿 （索）支護(hù)僅在托盤附近底鼓減小,其他地方仍然嚴(yán)重,底板仍發(fā)生類似無底板支護(hù)情況下沿支護(hù)排的切斷破壞;開設(shè)底板泄壓槽防治底鼓效果應(yīng)該比較好,但國內(nèi)外無巷道底板開槽機(jī)械,人工開槽工人勞動強(qiáng)度大;惟一可行的措施是鋼筋混凝土反拱支護(hù),但施工難度大,與底板錨桿 （索）支護(hù)一樣,需要墊平巷道解決車輛運(yùn)輸?shù)膯栴}。此外,這些措施的共同缺陷是巷道施工進(jìn)度慢,影響工作面的正常接續(xù)。

6 結(jié)論

通過布爾臺礦 3-1煤層回采巷道底鼓問題的研究,得出如下簡要結(jié)論:

（1）布爾臺礦 3-1煤回采巷道變形破壞以底鼓為主要特征;靠近開采側(cè)底鼓嚴(yán)重;受重復(fù)采動影響巷道底鼓劇烈。

（2）巷道底鼓破壞的內(nèi)在原因,有巷道圍巖性質(zhì)、采深、工作面巷道布置及開采順序等方面的影響,最重要影響因素為工作面巷道開采布局與同采工作面的采動支承壓力疊加。

（3）單工作面開采巷道底鼓預(yù)測為 345mm,雙側(cè)采動影響巷道底鼓預(yù)測為 690mm,與實(shí)測值較為吻合。

（4）布爾臺礦 3-1煤巷道底鼓的技術(shù)防治對策有:多盤區(qū)單面輪采模式或盤區(qū)內(nèi)工作面跳采模式;布置措施巷的 3巷布置方式;工作面長度縮短至 240m;巷道底板進(jìn)行鋼筋混凝土反拱支護(hù)。

（5）開采布局的科學(xué)規(guī)劃設(shè)計是巷道支護(hù)優(yōu)化的重要前提。對于布爾臺礦 3-1煤回采巷道控制難題,改革工作面與巷道的總體布局,探索合理的采掘接替模式以及同采工作面滯后錯距參數(shù),才是解決問題的根本所在。

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Floor Heave Mechanism and Preven tion Measurement of Mining Roadwayin 3-1Coal Seam of Buer tai Colliery

WU Yu-w en1,SONG Xuan-min2,OUYANG Hui3
（1.Shenhua Xin jie Energy Co.,L td,Erdos017000,China; 2.Mining Technique Research Institute,Taiyuan University of Science&Technology,Taiyuan 030024,China; 3.Buertai Colliery,Shendong CoalGroup,Erdos017000,China）

Thispaper app lied basic theory of underground pressure and strata control to discussingm echanicsm echanism of serious floor heave inmining roadway,influence facto rs and relative importance of every factor according to geo logical cond ition of 3-1 Coal Seam,mining roadway layout,mining sequence and observed underground pressure ru le in roadway.Itbelieved that litho logical characterof roof and floor,mining dep th,roadway layoutandmining sequencewere themost important influence factorsof floor heave.On the basisof this,thispaperput forward that rationally selecting distance separation of ad jacentmining face in 3-1 Coal Seam and changingmining sequencewould be impo rtantapp roach of avoiding and preventing floor heave of mining roadway.

mining roadway;floo r heavem echanism;p revention counterm easure

TD 327.3

A

1006-6225（2010）05-0092-04

2010-08-16

國家科技支撐計劃項(xiàng)目 （2007BAK0902）;山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目 （200631118-02）;山西省自然科學(xué)基金 （200601047）

吳玉文 （1958-）,男,內(nèi)蒙古烏蒙人,高級工程師,神華新街能源有限責(zé)任公司副總工程師。

[責(zé)任編輯:鄒正立]