軟底工作面回采巷道底臌機(jī)理分析及控制研究

康新挺

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024；2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)太原有限公司 煤業(yè)分公司，山西 太原030300）

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，工作面回采巷道原平衡狀態(tài)會(huì)因礦山壓力和工程擾動(dòng)的作用下遭到破壞，致使巷道頂?shù)装搴蛢蓭兔簬r體向巷道內(nèi)部移動(dòng)，其中底板向巷道內(nèi)隆起形成底臌。底臌的存在不僅會(huì)影響到正常的行人、通風(fēng)和運(yùn)料，還會(huì)造成巷道圍巖失穩(wěn)，甚至致使整條巷道破壞失效。據(jù)相關(guān)資料顯示，國(guó)內(nèi)巷道頂?shù)装遄冃瘟康?5%以上均是由底臌引起，巷道的總維修量成本的50%以上也是用于底臌治理〔1－2〕。對(duì)于工作面軟底巷道而言，底臌問(wèn)題顯得尤為明顯，如何治理底臌已經(jīng)成為了眾多軟底煤層礦井的重要工作。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)軟底回采巷道的底臌發(fā)生機(jī)理和控制進(jìn)行了多方面研究，分析了水理作用、巖石特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)等因素對(duì)底臌的影響作用，也有針對(duì)性的提出來(lái)如卸壓法、底板加固法等多種底臌治理手段，然而鑒于軟底巷道的復(fù)雜性，底臌問(wèn)題依然不能夠徹底解決〔3－5〕。山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)店上煤礦3302工作面所采煤層為山西組3＃煤層，其直接頂和直接底均由泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，在工作面回采過(guò)程中底臌問(wèn)題突出，嚴(yán)重地影響了該工作面的安全回采?，F(xiàn)以該工作面為研究對(duì)象，分析回采巷道底臌產(chǎn)生的機(jī)理，并探求如何治理3302工作面回采巷道底臌。

1 工作面概況

3302工作面東側(cè)和南側(cè)為實(shí)體煤，西側(cè)為正在掘進(jìn)的3304工作面運(yùn)輸巷，北側(cè)為采區(qū)上山，工作面蓋山厚度為463.5～634.5m。工作面所采煤層為山西組3＃煤層，該煤層以亮煤為主，含有少量的暗煤和鏡煤，煤層厚度4.2～6.5m，平均為5.5m，傾角1°～12°，平均為8.5°，煤層自上而下表現(xiàn)為軟～硬～軟，煤層整體表現(xiàn)為質(zhì)軟、疏松。工作面設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度為1757m，工作面長(zhǎng)219.5m，可采儲(chǔ)量為270.68萬(wàn)噸。由工作面現(xiàn)場(chǎng)取芯和實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，3302工作面頂?shù)装鍘r性較復(fù)雜，偽頂為0.25～0.47m的泥巖，直接頂為厚4.2～6.5m層理發(fā)育程度較高的泥巖～砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚8.5～12.6m的砂質(zhì)泥巖～粉砂巖，直接底為厚4.5～6.4m的破碎泥巖～砂質(zhì)泥巖，基本底為厚9.6～11.2m的深灰色粗粒砂巖～粉砂巖。工作面共探出斷層28個(gè)，均為正斷層，落差為0.8～4.6m；陷落柱一個(gè)，EW 向長(zhǎng)85m，NS向長(zhǎng)427 m。工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷規(guī)格（長(zhǎng)×寬）均為5.8m×5.6m，支護(hù)方式均為“錨網(wǎng)索鋼帶”聯(lián)合支護(hù)，兩巷超前50m范圍內(nèi)采用兩趟鉸接梁配合單體柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

2 工作面回采巷道底臌分析

2.1 影響因素分析

底臌與巷道變形密切相關(guān)，在巷道掘進(jìn)前，巷道圍巖體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，巷道的開(kāi)挖破壞了這種應(yīng)力平衡狀態(tài)，在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的能量釋放和應(yīng)力集中使巷道圍巖出現(xiàn)彈塑性變形，而底板變形的表現(xiàn)形式便是底臌。理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，開(kāi)挖應(yīng)力變化作用是底臌形成的主導(dǎo)因素，除此之外還有水理作用、圍巖體特性、工作面采動(dòng)擾動(dòng)和支護(hù)結(jié)構(gòu)體等。

（1）水理作用：3302工作面巷道水主要包括頂板淋水、降塵水、底板滲流水等?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，巷道水是引起該工作面回采巷道底臌的重要因素。理論研究表明，水進(jìn)入巖體內(nèi)可以促使巖體礦物質(zhì)出現(xiàn)理化性變化，造成巖體軟化、崩解和膨脹，這種水理作用對(duì)于含有蒙脫石、伊利石等礦物質(zhì)的泥巖和砂質(zhì)泥巖表現(xiàn)尤甚。3302工作面直接底為厚4.5～6.4m的破碎泥巖～砂質(zhì)泥，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，該直接底巖層含蒙脫石和伊利石等礦物質(zhì)含量高達(dá)35%以上，水由巖體表面或者巖體裂隙侵入巖體內(nèi)部在水理作用下引起底板臌起和開(kāi)裂。

（2）回采擾動(dòng)作用：軟底回采巷道與一般回采巷道相比，其上覆巖層結(jié)構(gòu)更容易受到支承壓力的作用發(fā)生破壞，具體表現(xiàn)在煤柱易變性和頂板易失穩(wěn)兩個(gè)方面。由砌體梁理論可知，巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)遭到破壞后，頂板關(guān)鍵巖塊出現(xiàn)回轉(zhuǎn)和下沉，工作面超前和側(cè)向支承壓力在巷道兩幫出現(xiàn)疊加。在高應(yīng)力垂直作用下，巷道兩幫向軟底中嵌入使底板向巷道中間隆起，考慮到疊加應(yīng)力的不均勻性，巷道底臌也出現(xiàn)不對(duì)稱性，由現(xiàn)場(chǎng)可知，3302工作面回采巷道底臌較靠近巷道煤體側(cè)。

（3）圍巖特性：回采巷道圍巖特性包括強(qiáng)度、擴(kuò)容性、水理性和粘性等，這些特性或多或少對(duì)巷道變形程度有直接的影響。一般認(rèn)為，底板圍巖若致密性高、強(qiáng)度大、厚度大則有利于降低底臌的發(fā)生率和底臌程度；擴(kuò)容性是指巖體因裂隙的存在和發(fā)展出現(xiàn)巖體體積膨脹的現(xiàn)象，巖體內(nèi)裂隙發(fā)育程度越高，巖體擴(kuò)容性越好，越不利于控制底臌；粘性也稱為流變性。軟巖粘性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于硬巖，隨著回采巷道暴露時(shí)間越長(zhǎng)，巷道圍巖受粘性影響也越明顯，底板變形也越嚴(yán)重。

（4）支護(hù)結(jié)構(gòu)：合理的巷道支護(hù)方式是控制巷道變形的有效途徑。以往工作面回采巷道僅僅是采用“錨網(wǎng)索”支護(hù)對(duì)巷道頂板和兩幫進(jìn)行支護(hù)，而忽視了對(duì)底板的控制，造成底板巖層抗壓作用更弱，在兩幫煤巖體的應(yīng)力傳遞的作用下更易出現(xiàn)變形和破壞。

2.2 巷道底臌規(guī)律

工作面回采巷道變形包括頂?shù)装遄冃魏蛢蓭妥冃?，頂?shù)装遄冃魏蛢蓭妥冃谓换ビ绊?。掌握巷道變形?guī)律和特點(diǎn)可為治理巷道底臌提供現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)?；诖耍?014年9月12日在3302工作面回風(fēng)巷布置兩組測(cè)點(diǎn)（1＃測(cè)點(diǎn)和2＃測(cè)點(diǎn)），每班采用“十字交叉”法對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并將所測(cè)數(shù)據(jù)定期進(jìn)行匯總分析，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 1＃測(cè)點(diǎn)表面位移變化規(guī)律

圖2 2＃測(cè)點(diǎn)表面位移變化規(guī)律

由圖1和圖2可知，3302工作面回風(fēng)巷兩幫移近量與頂?shù)装逡平看笾孪嗤渲袃蓭鸵平繛?00～610 mm，頂?shù)装逡平繛?60～580mm?？紤]到巷道尺寸，認(rèn)為影響巷道行人、運(yùn)料和通風(fēng)的主要是頂?shù)装遄冃危渲幸缘装遄冃螢橹?。由圖可知，巷道底板變形量為460～475 mm，超占頂?shù)装逡平康?0%以上。對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析可知，隨著工作面的逐漸推進(jìn)，70m范圍內(nèi)的巷道變形速度和變形程度逐漸加大，在距離煤壁前方50～52m時(shí)巷道變形顯著增加，其中底臌速度達(dá)到42mm／d以上。隨著回采的繼續(xù)推進(jìn)，在煤壁前方8～10m時(shí)巷道變形率達(dá)到最大。由此說(shuō)明，影響3302工作面回風(fēng)巷穩(wěn)定性主要是巷道底臌，控制巷道變形，保證巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于控制巷道底臌。

3 治理措施及效果

關(guān)于底臌治理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者專家給出了很多控制方法如底板加固法、底板卸壓法、聯(lián)合支護(hù)法等，其出發(fā)點(diǎn)主要是通過(guò)提高底板圍巖強(qiáng)度、降低圍巖應(yīng)力和提高支護(hù)阻力來(lái)治理底臌，這些方法治理底臌取得了一定的效果。根據(jù)3302工作面巷道變形規(guī)律和現(xiàn)場(chǎng)研究，認(rèn)為影響底臌的主要因素為礦壓作用和底板圍巖特性，同時(shí)結(jié)合臨近礦井治理底臌的經(jīng)驗(yàn)，決定采用注漿錨桿加固底板來(lái)治理底臌。注漿錨桿可起到錨桿加固和注漿加固的雙重效果，即利用錨桿組合梁作用將底板巖層固定在一起，利用注漿加固使底板形成強(qiáng)度較大的厚層狀反拱，這樣可有效地抑制底板出現(xiàn)開(kāi)裂和隆起。

將距離煤壁150～250m的回風(fēng)巷段作為實(shí)驗(yàn)段巷道，在原“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)上采用注漿錨桿對(duì)底板進(jìn)行加固。根據(jù)巷道尺寸、底板圍巖特性和巷道變形特點(diǎn)等選擇規(guī)格為Φ22mm×1800mm的注漿錨桿，采用水灰比為0.8～1.0的注漿液（水泥、水玻璃和拌合水），要求注漿錨桿初始錨固力不低于70kN，錨桿間排距為800mm×800mm，底角注漿錨桿與水平呈45°打設(shè)。注漿工藝流程為施工準(zhǔn)備－測(cè)量布眼－鉆孔－插錨桿－安墊板和螺母－注漿。試驗(yàn)段巷道注漿錨桿施工完畢后對(duì)底板進(jìn)行混凝土澆筑，澆筑厚度以完全覆蓋注漿錨桿裸露端為宜。該試驗(yàn)段巷道底板加固結(jié)束后在相應(yīng)位置布置測(cè)點(diǎn)（3＃、4＃測(cè)點(diǎn)）來(lái)測(cè)量巷道變形情況，結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。由圖可知，底板經(jīng)過(guò)注漿錨桿加固后兩幫變形和底板變形量分別為375～380mm和160～180mm，約為底板加固前變形量的62%和28%，由此可知，對(duì)底板打設(shè)注漿錨桿可有效控制3302工作面回風(fēng)巷底臌。

考慮到引起3302工作面回采巷道底臌的因素較多，在治理底臌時(shí)應(yīng)綜合考慮這些因素，如應(yīng)及時(shí)對(duì)底板積水進(jìn)行疏排，避免底板巖層因水理作用出現(xiàn)崩解和膨脹；根據(jù)開(kāi)采實(shí)際相應(yīng)提高回采速度可以減緩礦山壓力對(duì)底板作用時(shí)間，有利于降低底臌程度。

圖3 3＃測(cè)點(diǎn)表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 4＃測(cè)點(diǎn)表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

1）3302工作面回采巷道變形以底臌為主，影響巷道底臌的主要因素有水理作用、回采擾動(dòng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖特性等。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，掌握了3302工作面回風(fēng)巷變形規(guī)律，認(rèn)為確保巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于控制底臌。

3）確定了采用注漿錨桿來(lái)治理3302工作面回風(fēng)巷底臌的方案，通過(guò)該方案的實(shí)施，有效控制了巷道底板變形，同時(shí)指出應(yīng)采取多種輔助手段來(lái)聯(lián)合治理底臌。

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