大柳塔煤礦活雞兔井2-2煤層巷道底臌原因分析及對(duì)策

喬大良

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

活雞兔井田位于陜西省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處的陜西一側(cè)。井田構(gòu)造復(fù)雜程度綜合評(píng)價(jià)為簡(jiǎn)單構(gòu)造，煤層穩(wěn)定程度綜合評(píng)價(jià)為穩(wěn)定，含煤地層為中下侏羅統(tǒng)延安組，井田水文地質(zhì)條件中等，工程地質(zhì)條件中等，環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量中等，可采煤層為7層，即1-2上、1-2、2-2上、2-2、3-1、4-3、5-1煤，煤層傾角1°～3°，屬于典型近距離煤層。目前，2-2煤南翼三盤(pán)區(qū)幾個(gè)工作面已經(jīng)采完，22311、22310、22309作為備采面已經(jīng)陸續(xù)圈出，2-2煤二盤(pán)區(qū)工作面正在設(shè)計(jì)規(guī)劃中，2-2煤上分層為1-2煤，工作面多處在采空區(qū)下方，壓力顯現(xiàn)明顯，且該煤層斷層發(fā)育明顯，受采動(dòng)、水、巖石性質(zhì)等多方面因素的影響，2-2煤煤層巷道底臌明顯，導(dǎo)致巷道斷面變形、減小，阻礙井下行車(chē)和行人，影響通風(fēng)，并且給巷道后期維修和采掘帶來(lái)很大的困難，嚴(yán)重時(shí)需要封閉底臌舊巷道，重新掘新巷道。為了減小底臌對(duì)煤礦的影響，有必要掌握底臌的原因及采取措施來(lái)減小底臌的危害。

1 底臌的定義及分類(lèi)

受采掘、水等多因素的影響，巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體產(chǎn)生變形并向巷道方向產(chǎn)生位移，巷道底板向上隆起的現(xiàn)象叫作巷道底臌。底臌能使巷道嚴(yán)重變形，斷面變小，影響通風(fēng)、運(yùn)輸并制約著礦井的安全生產(chǎn)。按照底板隆起位移量和產(chǎn)生破壞的程度可以把底臌分為：輕微底臌、明顯底臌、嚴(yán)重底臌、破壞性底臌4種類(lèi)型，如表1、圖1所示。

表1 巷道底臌分類(lèi)

圖1 巷道底臌示意圖

2 巷道底臌原因分析

圍巖性質(zhì)：2-2煤層直接底為細(xì)砂巖，厚度1.27～8.57 m，呈深灰色，含大量植物化石碎片，頂部有0.1 m的膨潤(rùn)土及0.8 m粘土巖。老底為粉砂巖，厚度8.51～15 m，呈淺灰色，具斜波狀層理、透鏡狀層理，含豐富的炭化植物莖桿及碎片，夾細(xì)粉砂巖，細(xì)粒砂巖薄層及條帶。底板直接底上部有0.1 m的膨潤(rùn)土及0.8 m粘土巖，工作面出現(xiàn)底臌時(shí)水通過(guò)底板裂隙滲入軟巖內(nèi)部，加劇底板軟化，降低了底板強(qiáng)度。工作面直接底局部發(fā)育的膨潤(rùn)土遇水極易膨脹，膨脹倍數(shù)一般在20～30倍，底臌地段有膨潤(rùn)土的情況加劇了底臌程度。

水對(duì)巖石強(qiáng)度的影響：水的作用減少了巖石層理和裂隙間的摩擦力，破壞了巖石的整體性，降低了連接強(qiáng)度，使巖石的節(jié)理面、層里面和裂隙面之間形成了滑面，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低，可塑性增大。再者，巖石中的某些礦物成分遇水易膨脹，兩者結(jié)合，最終底板隆起底臌。2-2煤主要充水水源為上覆基巖裂隙水，基巖裂隙水整體富水性弱，局部基巖及斷層面處裂隙較發(fā)育，有一定富水性；工作面上部有1-2煤采空區(qū)，層間距21～34.2 m，1-2煤采空區(qū)局部低洼區(qū)域可能有一定積水，當(dāng)工作面掘進(jìn)時(shí)可能通過(guò)斷層、裂隙滲入井下，造成工作面涌水量增大，2-2煤斷層發(fā)育較為明顯，斷層附近煤巖破碎，局部富水性較強(qiáng)。

地壓及采動(dòng)的影響：圍巖中存在高地壓是造成巷道底臌的決定性因素。深部巷道比淺部巷道底臌情況發(fā)生頻率高，這完全是由于地壓增高所致，2-2煤工作面一般采深都在200 m以下，受地壓沖擊劇烈，決定了煤層巷道底臌現(xiàn)象的時(shí)有發(fā)生。

時(shí)間累積效應(yīng)：井下巷道使用年限越長(zhǎng)，流變引起巷道巖石強(qiáng)度降低程度越大，導(dǎo)致底臌隆起位移量越大，此時(shí)，引入時(shí)間參數(shù)、軟巖抗剪強(qiáng)度T、內(nèi)摩擦角&、粘結(jié)力C均為時(shí)間的參數(shù)，依據(jù)法國(guó)科學(xué)家摩爾、庫(kù)倫建立的摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則理論

式中：T—軟巖抗剪強(qiáng)度；&—內(nèi)摩擦角；C—粘結(jié)力；t—計(jì)量時(shí)間。

從算式可以看出，依據(jù)軟巖時(shí)刻力學(xué)數(shù)值，可以分析計(jì)算出在某時(shí)刻內(nèi)底板的破壞程度和底臌位移量。顯然，巷道使用和維護(hù)時(shí)間累積越長(zhǎng)，底板的破壞程度越大，隆起位移量隨之也增大?；铍u兔井2-2煤層是最先開(kāi)采的煤層，各輔運(yùn)、主運(yùn)、回風(fēng)和其它大巷使用年代長(zhǎng)，維護(hù)次數(shù)多，依據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，該煤層底臌現(xiàn)象嚴(yán)重也是有理論依據(jù)的。

2-2煤層底板支護(hù)現(xiàn)狀：一般認(rèn)為巷道底板不底臌不需要支護(hù)，只支護(hù)兩幫及頂板就安全了。再者，底板支護(hù)過(guò)程比較困難，出矸石工作量大，人們一般不愿意提前做預(yù)防底臌工作，導(dǎo)致底板長(zhǎng)期處在不支護(hù)狀態(tài)，隨著時(shí)間累積，受外界因素的影響，底臌就發(fā)生了，加大了巷道后期維護(hù)費(fèi)用。2-2煤層各巷道同樣未采取預(yù)防底臌措施，多次造成砼底板重起重施工，巷道廢棄再新掘的后果，浪費(fèi)大量的物力人力，如22311回撤輔巷施工完以后，放置時(shí)間較長(zhǎng)，底臌位移量達(dá)2 m以上，輔巷已經(jīng)失去了維護(hù)和使用的價(jià)值，不得已重新開(kāi)口掘通道，原來(lái)的通道作為回撤輔巷，如圖2所示。

圖2 22310新回撤通道掘進(jìn)設(shè)計(jì)圖

巷道的大小和形狀：特別寬大的巷道比窄巷道更容易發(fā)生底臌，因此要重視巷道布置方向及巷道尺寸的大小，依靠正確調(diào)整巷道方向與構(gòu)造應(yīng)力方向間的關(guān)系，削減構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。2-2煤層巷道一般都為大斷面巷道，多數(shù)布置在寬5 m，高3.4 m左右，增加了應(yīng)力對(duì)圍巖的影響，易發(fā)生底臌，如圖3所示。

圖3 2-2煤層底臌實(shí)圖

3 巷道底臌預(yù)防和治理措施

巷道底臌嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)，鑒于其危害及負(fù)面影響，需要及時(shí)采取一定的措施來(lái)降低和控制底臌發(fā)生率，大柳塔煤礦在克服底板底臌問(wèn)題上一直采取起底法，即將巷道已底臌的部分清除，然后再回填。該方法相對(duì)滯后，是消極的處理辦法，在明顯底臌和破壞性底臌巷道內(nèi)，需要多次起底，破壞了巷道巖性穩(wěn)固性，影響了井下通風(fēng)，工程量大，成本高；并且施工過(guò)程中，對(duì)人員也存在一定的安全隱患，尤其在底臌較強(qiáng)烈的巷道中，更是如此。本文著重推薦兩種方案以克制底臌的發(fā)生。

預(yù)防和處理巷道底臌的辦法一般可以分為兩種類(lèi)型，加固法和泄壓法。前者主要是增加巷道圍巖強(qiáng)度和巷道支護(hù)強(qiáng)度來(lái)增大抵抗巷道底板變形的能力，后者主要是利用泄壓巷道或空洞，將作用在巷道圍巖上的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到其它更遠(yuǎn)的深部。

3.1 巷道底板防治水(前提)

巷道底板巖層長(zhǎng)期在水中浸泡狀態(tài)下，任何防治底臌的措施效果都會(huì)大打折扣，在治理底臌時(shí)，一定要預(yù)先處理底臌段的積水，及時(shí)排掉；對(duì)水量大，滲透性強(qiáng)的巖層底板，多采用引流、疏導(dǎo)措施；對(duì)于含水量不大或者滲透性不強(qiáng)的巖層，多采用及時(shí)封閉的措施；控制施工期間的用水，集中排放，減少對(duì)地面的浸泡；回采和掘進(jìn)過(guò)程中，遇水及時(shí)設(shè)泵抽排，減少跑冒滴漏，從細(xì)節(jié)上減少水對(duì)底板的損壞。

3.2 幫頂加強(qiáng)支護(hù)+底錨桿加固(措施一)

該措施既在巷道頂板施工8根φ18 mm×2 100 mm的錨桿和3根φ17.8 mm×8 000 mm的錨索；在兩幫分別布置6根φ18 mm×2 100 mm的錨桿和2根φ17.8 mm×8 000 mm的錨索；在底板施工4根φ18 mm×2 100 mm的角錨桿和4根φ18 mm×2 100 mm的底錨桿。加固巷道底板、兩幫、角部和底板后，巷道底臌現(xiàn)象會(huì)得到一定的控制，通過(guò)對(duì)頂板和幫角加固支護(hù)控制，底臌量和頂板下沉量都在不同程度地減少，施工示意圖如圖4所示。

圖4 措施一施工示意圖

3.3 幫頂加強(qiáng)支護(hù)+混凝土澆筑底板(措施二)

鋼筋混凝土澆筑，會(huì)對(duì)底板形成強(qiáng)大的凝固力，可以抗拒底臌向上的沖擊力。該措施使用C30混凝土澆筑控制底板，澆筑前鋪放鋼筋網(wǎng)片，為了讓底板混凝土和幫形成一個(gè)良好整體，在澆筑的邊緣兩邊分別施工2套φ18 mm×2 100 mm錨桿，加固體做好后，要及時(shí)設(shè)泵抽排上面的積水，減少水對(duì)底臌的作用。施工示意圖如圖5所示。

圖5 措施二施工示意圖

3.4 幫頂加強(qiáng)支護(hù)+混凝土澆筑+單體支柱(措施三)

回采巷道底板大多未進(jìn)行支護(hù)，處于開(kāi)放零散狀態(tài)，易導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)并形成底臌，因此，可以在巷道圍巖附近構(gòu)建一個(gè)封閉的擠壓區(qū)域。該措施首先對(duì)底板起底，保證底板平整，再安裝混凝土預(yù)制塊，預(yù)制塊尺寸要合適，采用C30混凝土+鋼筋澆筑成型，再用鏟車(chē)安放，然后在其周?chē)贾脝误w液壓支柱，每排安裝10根單位，排距0.5 m，混凝土塊安裝完畢后要及時(shí)處理接縫的水，減小水對(duì)底板的軟化作用。該措施能夠控制底板起伏量，進(jìn)而有效地遏制底臌現(xiàn)象的發(fā)生。

3.5 三種措施的比較

措施一：具有較好的底臌治理效果，能對(duì)底臌起到防止和抑制作用；但由于兩幫移近量的大小比較模糊，并且如果巷道繼續(xù)出現(xiàn)底臌，底板錨桿的作用將大大減弱，再者由于底板錨桿施工過(guò)程比較困難，所以，該措施可以在底臌不是十分明顯的情況下使用。

措施二：底臌治理效果好，澆筑的混凝土具有一定的抗拒力，可有效阻止底臌現(xiàn)象的發(fā)生；該措施的弊端是施工期間影響正常運(yùn)輸和通車(chē)，再者混凝土和鋼筋網(wǎng)片費(fèi)用高，成本消耗量大。

措施三：從治理效果上看不如前兩種措施，但是單體支柱可以循環(huán)利用，成本相對(duì)較小且可以根據(jù)底臌程度增減單體，可有效地控制底板起伏量，操作簡(jiǎn)單有效，安裝時(shí)間短，最重要的是對(duì)巷道的日常運(yùn)輸機(jī)行人影響小，因此該措施可以用在底臌不嚴(yán)重，或者作為底臌后的補(bǔ)救措施。

但綜合起來(lái)考慮，措施二效益比較明顯，該措施適合巷道底臌強(qiáng)烈情況下施工，視巷道底臌情況可有選擇性地施工。2-2煤層作為底臌強(qiáng)烈顯現(xiàn)的煤層，在巷道布置合理的前提下，建議使用措施二，如果在巷道掘進(jìn)時(shí)就開(kāi)始按此方法施工，可大大縮短開(kāi)采期間的巷道底臌治理時(shí)間，獲得最佳的底臌治理效果。

4 結(jié)語(yǔ)

大柳塔煤礦作為我國(guó)一個(gè)“高產(chǎn)、高效”礦井，巷道底臌現(xiàn)象是制約煤礦發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸，文中從2-2煤層底板巖性、地壓、巷道尺寸、支護(hù)等多方面剖析了底臌的原因，并提出了三種措施。措施一適用在底臌不是十分劇烈的大斷面巷道中；措施二適合在永久性巷道、底臌問(wèn)題特別明顯，底臌非常劇烈的巷道中使用；措施三適合在底臌不嚴(yán)重，或者作為底臌后的補(bǔ)救措施。作為一個(gè)底臌問(wèn)題嚴(yán)重的煤層，2-2煤層選擇措施二來(lái)治理，能夠達(dá)到最優(yōu)的治理底臌效果，降低該煤層底臌率，在推動(dòng)大柳塔井“高產(chǎn)、高效”發(fā)展方面作出一定的貢獻(xiàn)。