深井大斷面軟巖巷道底鼓破壞特征及治理技術(shù)研究

劉 劍，郝萬東

(1.鄂爾多斯市能源局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000； 2.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原 030006)

隨著我國煤炭資源開采逐漸向深部發(fā)展，巷道圍巖控制變得更為困難，特別是當(dāng)巷道斷面大、煤層較軟時(shí)，巷道變形破壞嚴(yán)重，支護(hù)困難，回采巷道圍巖的控制已成為礦方關(guān)注的主要問題[1-3]。由于埋藏深，斷面大，同時(shí)受已采空區(qū)應(yīng)力的影響，巷道圍巖破壞機(jī)理復(fù)雜，給支護(hù)設(shè)計(jì)與施工帶來困難，對于深井軟巖巷道而言，底鼓破壞成為巷道最主要的破壞形式，對工作面的運(yùn)輸、通風(fēng)等造成了較大影響[4-6]。在實(shí)際支護(hù)過程中，由于對巷道圍巖破壞機(jī)制不明確，主要是通過以往經(jīng)驗(yàn)或者參考相鄰礦區(qū)，造成巷道圍巖變形量大，甚至支護(hù)失效，給工作面安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。為解決深井大斷面軟巖巷道的底鼓問題，以察哈素煤礦11302工作面回風(fēng)巷為工程背景，對巷道底鼓問題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，給出了底鼓治理技術(shù)，并通過工程實(shí)踐進(jìn)行了驗(yàn)證，巷道底鼓控制效果理想，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

察哈素煤礦11302工作面主要回采3-1煤層，煤層埋深631～682m，平均埋深650m，煤層厚度為15.0～26.5m，平均厚度24m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，視密度平均1.36t/m3，硬度系數(shù)f=1.5，含兩層夾矸，且位于煤層的中上部，夾矸厚度一般小于0.3m，巖性均以泥巖或炭質(zhì)泥巖為主。工作面可采長度為1893.0m，傾向長度為200.0m。工作面設(shè)計(jì)預(yù)采頂分層，采煤機(jī)割煤高度為3.5m，放頂煤開采總厚度預(yù)計(jì)在10～13.5m范圍，全部垮落法管理頂板，工作面頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

11302工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道寬5.2m，高3.6m，沿煤層上分層底部沿空掘進(jìn)，為全斷面煤巖巷道，巷道東部為11301工作面采空區(qū)區(qū)段煤柱，煤柱寬度為6m，采用錨桿(索)加金屬網(wǎng)及鋼帶聯(lián)合支護(hù)。在11302工作面回采期間巷道變形破壞嚴(yán)重，來壓期間底板最大變形量為897mm；兩幫最大變形量為763mm，對巷道運(yùn)輸造成了嚴(yán)重的影響。

2 底鼓破壞特征及影響因素分析

2.1 底鼓破壞特征分析

11302回風(fēng)巷在工作面采動期間出現(xiàn)了巷道底鼓、兩幫移近現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道斷面變形，其圍巖受力狀態(tài)發(fā)生改變進(jìn)一步促使巷道的穩(wěn)定性的下降?；夭善陂g對工作面巷道底板進(jìn)行了鉆孔窺視，在工作面前方70m處底板中部布置3組鉆孔，鉆孔間距10m，鉆孔深度為3m，當(dāng)工作面距鉆孔30m時(shí)開始觀測，并記錄數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)、分析所得的巷道底板巖層位移曲線如圖1所示。分析可知：

圖1 巷道底板巖層位移曲線

1)巷道底部存在零位移點(diǎn)(N0)，零位移點(diǎn)上部為上升區(qū)域，下部為下降區(qū)域，零位移點(diǎn)距巷道底板表面距離約為1.32m，巷道底部上升區(qū)域即為巷道底鼓區(qū)，最大上升量為876mm，巖層最大下沉量為183mm。

2)隨著深度的增加，上升巖層區(qū)域位移量逐漸減小，下沉煤層區(qū)域位移量先逐漸增大再逐漸減小，最后趨于相對穩(wěn)定。

3)巷道底部存在零應(yīng)變點(diǎn)(N)，如圖1中N點(diǎn)所示，底部上升區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)變，底鼓區(qū)域受較大拉應(yīng)力，下沉區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)變，零應(yīng)變點(diǎn)距巷道底板表面距離約為1.68m。

4)巷道底部零位移點(diǎn)及零應(yīng)變點(diǎn)可將巷道底板表面向下分為拉應(yīng)變上升區(qū)、拉應(yīng)變下降區(qū)及壓應(yīng)變下降區(qū)。

2.2 巷道底鼓影響因素分析

1)圍巖強(qiáng)度。11302回風(fēng)巷為全煤巷道，煤層較軟，在回采過程很容易受采動影響而發(fā)生拉伸及剪切破壞，導(dǎo)致巷道圍巖受力狀態(tài)惡化，承載能力降低，隨著時(shí)間的推移及采動的持續(xù)影響，煤巖體破壞程度及破壞范圍進(jìn)一步增大，導(dǎo)致巷道底板逐步發(fā)生破壞。

2)圍巖應(yīng)力。11302工作面回風(fēng)巷埋藏深，巷道圍巖不僅承載著較大的垂直應(yīng)力，而且受側(cè)向水平應(yīng)力的影響，其對巷道造成的破壞主要集中在頂板及底板；由于巷道底板無支護(hù)，底部巖層對水平應(yīng)力的作用表現(xiàn)更為敏感，持續(xù)發(fā)生拉伸、剪切破壞而向巷道底板表面上部移動，從而發(fā)生了嚴(yán)重的底鼓破壞。此外，由于區(qū)段煤柱尺寸較小，受上工作面影響后發(fā)生了嚴(yán)重的塑性破壞，基本不具備承載能力，無法承載采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力，導(dǎo)致巷道煤柱幫及底板發(fā)生變形破壞。

3)支護(hù)形式。11302工作面回風(fēng)巷頂板及幫部采用錨桿(索)加金屬網(wǎng)鋼帶聯(lián)合支護(hù)，采用Φ18mm×2200mm型無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，垂直于頂板及幫部布置，底板無錨桿支護(hù)。一方面，由于錨桿相對較短，且不能對巷道幫部底角及底板形成有效的支護(hù)，在受工作面采動及采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力的影響下，錨桿支護(hù)力逐步降低，由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)逐步變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，支護(hù)效果持續(xù)變差；另一方面，由于底板支護(hù)且相對較軟，形成了強(qiáng)度較低的自由面，在較高水平應(yīng)力影響下極易發(fā)生破壞而向巷道內(nèi)部空間運(yùn)移讓壓，從而出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象。

3 巷道底鼓治理技術(shù)

3.1 區(qū)段煤柱合理留設(shè)

區(qū)段煤柱合理尺寸的確定對巷道圍巖穩(wěn)定性具有重要影響，當(dāng)煤柱尺寸過小時(shí)巷道變形破壞嚴(yán)重，巷道圍巖控制困難；當(dāng)煤柱尺寸過大時(shí)，巷道圍巖可得到有效控制，但又會造成煤炭資源的大量損失，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)該在有效控制巷道圍巖的基礎(chǔ)上盡可能降低煤炭資源的損失[7，8]?；诿簩雍穸却笄颐嘿|(zhì)好，且11302工作面原有的區(qū)段煤柱為窄煤柱，因此本文確定11302回風(fēng)巷采用窄煤柱護(hù)巷。

通過數(shù)值模擬分析所得不同寬度煤柱條件下巷道底鼓量統(tǒng)計(jì)見表2，分析表2可知：

表2 不同寬度煤柱下巷道底鼓量統(tǒng)計(jì)表

隨著煤柱寬度的增大，巷道底鼓量呈先減小后增大然后又減小的趨勢：當(dāng)煤柱寬度為4m以內(nèi)時(shí)，巷道最大底鼓量在900mm以上，隨著煤柱尺寸的增大，巷道底鼓量有所降低，當(dāng)煤柱寬度變?yōu)?0m時(shí)，巷道底鼓量為326mm，當(dāng)寬度變?yōu)?2m時(shí)巷道底鼓量增加至412mm，而后又有小幅度增加，當(dāng)煤柱寬度大于18m時(shí)，巷道底鼓量又逐漸降低。

進(jìn)一步分析可知，上一工作面回采結(jié)束后，在采空區(qū)側(cè)向一定范圍內(nèi)應(yīng)力會發(fā)生重新分布：當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，采空區(qū)側(cè)向高應(yīng)力主要集中在巷道另一側(cè)的實(shí)體煤壁，巷道煤柱幫承載著較小的應(yīng)力，由于受上一工作面采動影響，煤柱發(fā)生了嚴(yán)重的塑性破壞，主要表現(xiàn)在巷道底板及煤柱幫部變形破壞；隨著煤柱寬度的增大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有所增強(qiáng)，破壞程度有所降低；當(dāng)煤柱由10m變?yōu)?2m時(shí)，巷道底鼓量由減小向增大突變，分析可知當(dāng)煤柱寬度變?yōu)?2m時(shí)采空區(qū)側(cè)向高應(yīng)力由實(shí)體煤向煤柱側(cè)轉(zhuǎn)移，巷幫煤柱承載著較高的集中應(yīng)力，煤柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受高應(yīng)力影響而有所減弱，巷道圍巖穩(wěn)定性也受到一定影響，因此會出現(xiàn)煤柱寬度增大巷道底鼓量增大的現(xiàn)象。

由上述分析可知，使用窄煤柱護(hù)巷時(shí)，當(dāng)煤柱寬度為10m時(shí)，受采動影響后巷道底鼓量相對最小，結(jié)合11302工作面實(shí)際開采情況，為有效降低巷道底鼓量，將區(qū)段煤柱由原來6m變?yōu)?0m。

3.2 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

巷道支護(hù)參數(shù)的合理確定對巷道的有效控制具有重要作用，研究表明，軟巖巷道錨桿及錨索參數(shù)設(shè)計(jì)合理可有效提高采動影響后巷道巖層的峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，是控制巷道圍巖變形最有效的方法[9，10]。11302工作面回風(fēng)巷現(xiàn)使用的錨桿機(jī)錨索較短，有效支護(hù)長度小，且對巷道底板不做處理，底板處于無支護(hù)的自由狀態(tài)，基于此，本文通過系統(tǒng)分析的方法綜合考慮一采區(qū)工作面巷道巖性、巷道應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、錨固體性能等因素確定巷道錨桿支護(hù)參數(shù)，如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)參數(shù)(mm)

通過分析，將原有的Φ18mm×2200mm型無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿變?yōu)棣?2mm×2800mm型水力膨脹錨桿；將原有的規(guī)格為Φ18mm×2400mm型頂部錨桿變?yōu)棣?2mm×3100mm型水力膨脹錨桿；采用全長錨固的方式，將錨固范圍內(nèi)圍巖變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，有效限制圍巖弱面的發(fā)展，增強(qiáng)巷道圍巖整體承載能力；將原有的Φ18mm×6300mm型錨索規(guī)格變?yōu)棣?2mm×7500mm型鋼絞線錨索；在巷道頂板邊緣布置錨桿與豎直方向呈30°夾角；巷道幫部頂端錨桿與水平方向呈30°夾角，底端布置的錨桿與水平方向呈45°夾角，限制巷道幫部頂角及底腳處軟弱煤巖體的破壞和發(fā)展，加固了巷道幫部及底腳圍巖的穩(wěn)定性，從而減小巷道的底鼓。

3.3 局部注漿加固底板

在實(shí)際生產(chǎn)過正中，遇到巷道底板局部區(qū)域底鼓嚴(yán)重時(shí)，可對巷道底板起底后進(jìn)行局部注漿硬化底板，采用普通硅酸鹽水泥與添加劑配制而成，水灰比控制在2∶1，注漿壓力為4～8MPa，漿體應(yīng)充分進(jìn)入底板裂隙層，漿體凝固后與底板煤巖層組成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體，從而限制巷道底鼓。

4 工程實(shí)踐

11302工作面回采期間對回風(fēng)巷進(jìn)行了起底處理，采用新型錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，并在來壓期間對底板進(jìn)行了局部注漿處理，在采動期間巷道底鼓得到了一定控制，巷道最大底鼓量減小為453mm；11302工作面回采結(jié)束后，對巷道進(jìn)行了重新布置，將區(qū)段煤柱由原來的6m增加到10m，根據(jù)新設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)參數(shù)，使用新型水力膨脹錨桿、強(qiáng)力加長鋼絞線錨索配合鋼帶和金屬網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。目前，11303工作面已回采約600m，回采期間巷道最大底鼓量為265mm，與原有的生產(chǎn)條件相比，巷道底鼓量得到了良好的控制，保障了工作面安全生產(chǎn)及設(shè)備運(yùn)輸，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

通過分析強(qiáng)礦壓巷道的地質(zhì)賦存情況和底鼓破壞情況，有針對性地分析了厚煤層煤巷底鼓治理的措施，得出如下結(jié)論：

1)通過現(xiàn)場實(shí)測分析，11302工作面回風(fēng)巷底板存在零位移點(diǎn)及零應(yīng)力點(diǎn)，零位移點(diǎn)距巷道底板表面距離約為1.32m，零應(yīng)變點(diǎn)距巷道底板表面距離約為1.68m，零位移點(diǎn)及零應(yīng)力點(diǎn)將巷道由巷道底板表面向下分為拉應(yīng)變上升區(qū)、拉應(yīng)變下降區(qū)及壓應(yīng)變下降區(qū)。

2)分析了導(dǎo)致11302回風(fēng)巷底鼓的影響因素，即圍巖強(qiáng)度、圍巖應(yīng)力和支護(hù)形式對巷道底鼓的影響。

3)根據(jù)巷道實(shí)際底鼓情況，提出了底鼓控制技術(shù)：將區(qū)段煤柱增大至10m，重新設(shè)計(jì)了錨桿錨索的支護(hù)參數(shù)，并更換錨桿機(jī)錨索型號，對巷道局部區(qū)域進(jìn)行注漿加固。

4)工程實(shí)踐表明，采取相應(yīng)措施后巷道底鼓得到了良好的控制，有效解決了巷道的底鼓問題，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。