大埋深高地應(yīng)力礦壓治理的技術(shù)實(shí)踐

趙 帥

（山西晉煤集團(tuán)胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048214）

1 工程概況

胡底煤業(yè)井田位于山西省沁水煤田西北部，為突出礦井，礦井采用主斜副立綜合開拓方式，開拓巷道采用三進(jìn)兩回布置，埋深在450～730 m之間，隨著開拓深度的增大，尤其通過石門上向斜地質(zhì)構(gòu)造帶后，巷道圍巖受到自重應(yīng)力和高構(gòu)造應(yīng)力的雙重影響，巷道圍巖出現(xiàn)大變形失穩(wěn)破壞。巷道支護(hù)成型后最長時(shí)間不到半年，最短不到一個(gè)月時(shí)間，大巷石門均有不同程度的變形。巷道兩幫最大移近量達(dá)到1500 mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲筮_(dá)到2500 mm，主要表現(xiàn)為巷道幫部和拱頂噴層大面積開裂，部分開裂嚴(yán)重處，噴層已經(jīng)脫落，裸露出鋼筋網(wǎng)片和圍巖體，底板出現(xiàn)不同程度的底鼓現(xiàn)象，底板變形嚴(yán)重處底鼓量達(dá)到2200 mm。從現(xiàn)場觀測來看，底板變形仍未穩(wěn)定，嚴(yán)重威脅了現(xiàn)場設(shè)備和工人的安全。

由于礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，公司組織對失修區(qū)域采取支挖離層、處理地鼓后，采用了全錨索支護(hù)，并進(jìn)行了注漿。并在巷修區(qū)域設(shè)置了位移測點(diǎn)進(jìn)行變形觀測，3個(gè)月內(nèi)未發(fā)生有害變形。在2017年隨著時(shí)間的推移及首采面回采臨近停采線，與1301工作面對應(yīng)的大巷石門巷道段均出現(xiàn)不同程度的變形（大巷與采面保護(hù)煤柱為100 m）。其中輔助運(yùn)輸石門和主運(yùn)輸石門、輔助進(jìn)風(fēng)石門變形尤其嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為兩幫回縮、混凝土噴層開裂，局部變形嚴(yán)重處漿皮脫落，底鼓嚴(yán)重。通過現(xiàn)場礦壓監(jiān)測，巷道圍巖變形仍未穩(wěn)定。

圖3 主運(yùn)輸巷穿層巷道地質(zhì)剖面

圖4 輔助運(yùn)輸巷穿層巷道地質(zhì)剖面

2 變形破壞原因分析

2.1 地應(yīng)力評估

依據(jù)“晉城礦區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果”，晉城礦區(qū)以晉—獲褶斷帶為界，東區(qū)（鳳凰山礦、古書院礦、王臺鋪礦等老區(qū)）最大水平應(yīng)力方向主要為N19.4°～N56°，西區(qū)（成莊礦、寺河礦等）最大水平主應(yīng)力方向主要為N30.2°E～N82.4°W。胡底煤業(yè)較接近成莊礦和寺河礦西區(qū)，五條石門的錨桿斷裂區(qū)域多為巷道的北拱部，應(yīng)該與最大垂直主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力的共同作用有一定關(guān)系。通過地應(yīng)力測試結(jié)論，最大水平主應(yīng)力σH=18.34 MPa，最小水平主應(yīng)力σh=9.41 MPa，垂直應(yīng)力σV=16.47 MPa。 從測試結(jié)果判斷，區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|65°左右。

2.2 地質(zhì)特征分析

（1）大巷石門失修嚴(yán)重區(qū)域掘進(jìn)過程中，通過石門上向斜構(gòu)造，石門上向斜貫穿井田中部，軸向近南北，軸長1580 m，兩翼地層傾角不對稱。東翼傾角比較平緩，一般9°左右，西翼傾角較大，為21°左右。巷道失修的主要區(qū)域在向斜的西翼及軸部，礦壓顯現(xiàn)較為明顯，地質(zhì)構(gòu)造帶對巷道的支護(hù)影響較大。

（2）結(jié)合大巷石門地質(zhì)剖面圖和現(xiàn)場分區(qū)域段取芯結(jié)果可知，巷道為穿層巷道，圍巖軟弱不均、巖性不一，各層間節(jié)理、裂隙原生存在，巖層間摩擦系數(shù)低，特別是輔運(yùn)、主運(yùn)石門砂質(zhì)泥巖中含有1#煤層，而且1#煤層上下層伴生為更軟弱的碳質(zhì)泥巖，巷道受到高應(yīng)力的垂直和水平剪切作用時(shí)，各巖層發(fā)生相對錯(cuò)動(dòng)，加劇了巷道的變形破壞。同時(shí)巷道圍巖以泥巖為主，強(qiáng)度低，易風(fēng)化，風(fēng)化后呈現(xiàn)碎塊狀，裂隙較多，圍巖結(jié)構(gòu)遭到進(jìn)一步破壞，承載能力喪失。對此特選取了主運(yùn)和輔運(yùn)石門巷幫巖體，經(jīng)天地公司應(yīng)用X射線衍射儀進(jìn)行了測試成分分析得出，礦井輔運(yùn)和主運(yùn)石門圍巖中的泥巖具有強(qiáng)度低、易風(fēng)化，遇水軟化并具有一定的膨脹性，由于受1303工作面的回采動(dòng)壓影響，圍巖二次應(yīng)力的調(diào)整引起的巖體的變形及破壞，致使巖體裂隙張開，潮濕的空氣進(jìn)入圍巖內(nèi)部，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步弱化，對于這類泥巖巷道，如不及時(shí)對圍巖加固或支護(hù)強(qiáng)度不夠，巷道圍巖頂板易于失穩(wěn)。

2.3 采動(dòng)影響

如圖4所示工作面回采引起超前支承壓力集中系數(shù)峰值一般為原巖應(yīng)力的3倍左右，由于礦井原巖應(yīng)力值相對較高，導(dǎo)致工作面停采線前方的巷道要承受更為劇烈的回采動(dòng)壓影響。巷道表現(xiàn)為圍巖破壞范圍大、位移顯著，原生結(jié)構(gòu)面發(fā)生了顯著離層、滑動(dòng)、張開，大量新的破裂產(chǎn)生與擴(kuò)展，導(dǎo)致圍巖擴(kuò)容變形嚴(yán)重，體積顯著增加；巷道圍巖受采動(dòng)引起的高應(yīng)力作用，圍巖結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，擴(kuò)容膨脹、破碎擠出，降低了錨桿的錨固作用，使得錨桿、索主動(dòng)承載能力降低，甚至失效，產(chǎn)生較大的變形。

3 巷修

3.1 高標(biāo)準(zhǔn)巷修

（1）按照“高標(biāo)準(zhǔn)巷修”工程質(zhì)量理念，挑頂擴(kuò)幫處理至圍巖穩(wěn)定，保證巷道高度和寬度，確保巷道成形。對挑頂、擴(kuò)幫處理后的巷道，進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，間排距1m×1 m，建立頂板管理班評估制度，每班填寫《全錨支護(hù)巷道小班工程質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)評估表》，確保錨桿、錨索的角度、間排距、預(yù)緊力100%達(dá)標(biāo)，網(wǎng)片緊貼巖面，為噴漿作業(yè)打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）要狠抓頂板管理，排查頂板隱患，對巷修地點(diǎn)頂板離層每班作業(yè)前進(jìn)行全部找掉，發(fā)現(xiàn)問題必須處理后再進(jìn)行施工。每天對主運(yùn)巷道圍巖表面位移進(jìn)行觀測記錄，每周進(jìn)行匯總系統(tǒng)分析，繪制圖表并得出相應(yīng)的結(jié)論，總結(jié)巷道變形的規(guī)律，為礦壓治理奠定基礎(chǔ)。

圖5 工作面回采停采線前方巷道頂板應(yīng)力整體分布情況

（3）巷修時(shí)，對巷幫顯露的煤線進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，并繪制圖表，系統(tǒng)的記錄分析，為下一步注漿作業(yè)做好準(zhǔn)備。建立現(xiàn)場生產(chǎn)反饋表，根據(jù)已有的地質(zhì)資料對挑頂、擴(kuò)幫后新裸露的圍巖巖性、敲幫問頂情況、頂板錨桿（索）鉆孔（打眼）的各種情況進(jìn)行反饋匯總，對頂板巖性及穩(wěn)定性進(jìn)行分析判斷。

（4）在失修區(qū)域每隔15～20 m建立圍巖表面位移“十”字位移測點(diǎn)，堅(jiān)持每天監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行周分析、月分析，掌握巷道變形顯現(xiàn)的規(guī)律。

圖6 主運(yùn)“十”字位移測點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

通過數(shù)據(jù)分析，變形主要原因有：變形隨著1301首采面的撤架，巷道底板及頂板變形變緩，由開始一周底鼓變形60mm降低至10 mm，主運(yùn)石門主要變形原因?yàn)?301首采面的采動(dòng)影響，主要集中在4#橫川至1301膠帶順槽口區(qū)段，變形多為底鼓及右?guī)妥冃?。通過現(xiàn)場觀察及數(shù)據(jù)分析，巷道右?guī)妥冃瘟枯^大，多處出現(xiàn)錨索折斷，巷道右?guī)统霈F(xiàn)幫鼓現(xiàn)象，后經(jīng)做位移測點(diǎn)及錨索位移量監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)局部巷道錨索外露減少的現(xiàn)象，輔進(jìn)石門及盤區(qū)水泵房也存在此現(xiàn)象。所以結(jié)合現(xiàn)場分析巷道變形在主運(yùn)石門南幫及輔進(jìn)石門北幫，受軟層巖石及應(yīng)力分布變形導(dǎo)致錨索折斷及外露減少，應(yīng)加強(qiáng)對此段支護(hù)及注漿。

3.2 巷修經(jīng)驗(yàn)

（1）巷修工作需人員進(jìn)入皮帶側(cè)作業(yè)，制度專門的安全技術(shù)措施，安裝皮帶行走過橋，同時(shí)將作業(yè)地點(diǎn)距過橋中間用鋼筋網(wǎng)片作防護(hù)網(wǎng)，防止了皮帶矸石掉落傷人及人員觸及皮帶事故的發(fā)生。

（2）巷修工作需加強(qiáng)對巷道電纜、監(jiān)測線路、管路、巷道標(biāo)示牌及照明燈保護(hù)，保護(hù)電纜監(jiān)測線時(shí)用舊皮帶包裹然后將其下放在搭設(shè)的平臺下，下放時(shí)保證電纜不受力，用上面覆蓋的厚木板進(jìn)行保護(hù)。管路保護(hù)用舊風(fēng)筒包裹，然后上面用鐵絲綁厚木板進(jìn)行保護(hù)，防止掉落矸石砸傷，杜絕了監(jiān)測中斷、瓦斯誤報(bào)警等事故。

（3）面對我礦大埋深高應(yīng)力的現(xiàn)狀，巷修工作必須認(rèn)真對待，在巷修時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，逐步分析總結(jié)。通過不斷理論和實(shí)際的結(jié)合，提高全員對巷修工作的認(rèn)知和重視。

（4）在本次集中處理失修巷道時(shí)對特殊區(qū)域做好標(biāo)記，建議注漿孔的布置要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行布置，不能一概而論，尤其軟巖區(qū)域要布置密集，同時(shí)在注漿材料上的選用要結(jié)合本礦巖性而定。

4 礦壓治理

4.1 已掘巷道的礦壓治理

針對礦井的不同巷道不同區(qū)段，通過對各個(gè)區(qū)段的使用功能、巖石力學(xué)、地層分析、施工質(zhì)量、支護(hù)設(shè)計(jì)等分別進(jìn)行分析與研究，制定每一區(qū)段的巷修措施、加固方案、監(jiān)測方法和補(bǔ)強(qiáng)措施，更深度層次認(rèn)識到礦壓治理的一下新思想和新觀念，改善了原來的礦壓治理理念，加強(qiáng)了對礦壓管理的認(rèn)識，更有充足的準(zhǔn)備去應(yīng)對大埋深高地應(yīng)力條件下的礦壓治理。

4.2 新掘巷道的礦壓治理

（1）新掘巷道層位確定為主運(yùn)、集中、輔回巷道頂板沿3#煤層頂板掘進(jìn)，輔運(yùn)、輔進(jìn)巷道以K6灰?guī)r為頂板掘進(jìn)。沿3#煤層頂板掘進(jìn)，為煤巷，直接頂為深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，老頂為石英雜砂巖，層位穩(wěn)定，巷幫則為煤幫，易于掘進(jìn)和管理維護(hù)；以K6灰?guī)r為頂板沿5#煤層掘進(jìn)，為巖巷，巷道頂板為深灰色石灰?guī)r，強(qiáng)度高，便于頂板管理。巷道層位研究優(yōu)化后較之前巷道更加穩(wěn)定，頂板更易于控制。加強(qiáng)對新確定層位巷道深部巖層的支護(hù)強(qiáng)度，加大錨桿索支護(hù)護(hù)表面積，加深頂板位移監(jiān)測深淺孔深度和觀測次數(shù)，及時(shí)掌握地質(zhì)性能情況進(jìn)行分析解決，控制巷道圍巖變形，滿足礦井巷道支護(hù)要求。

（2）巷道每相隔6m頂部增加2根10.3m的錨索，作為深部離層的信號，防止出現(xiàn)大面積冒頂；在交叉口等巷道斷面增大的區(qū)域，補(bǔ)打10.3 m的錨索，增加支護(hù)強(qiáng)度。新掘巷道加強(qiáng)頂板離層儀的觀測和安裝標(biāo)準(zhǔn)，安設(shè)位置選擇在2根10.3m錨索中間；深部基點(diǎn)布置在巷道上方穩(wěn)定巖層中（約10 m左右位置），淺部基點(diǎn)布置在錨桿端部位置（約2.5 m左右）。

5 結(jié)語

巷修工作須高度重視，需要認(rèn)真分析原因，避免今后新掘巷道出現(xiàn)失修情況；掌握礦壓應(yīng)力分布規(guī)律，合理布置采掘銜接工作，使得運(yùn)輸系統(tǒng)可靠、巷修工程減少、采掘銜接更加合理等優(yōu)點(diǎn)；滿足機(jī)械化礦井生產(chǎn)需要，還能為企業(yè)創(chuàng)造好的經(jīng)濟(jì)效益，對快速建井、快速投產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義；為建設(shè)成高瓦斯高突出高應(yīng)力條件下高產(chǎn)高效的現(xiàn)代化樣板礦井奠定基礎(chǔ)。