鑫基煤業(yè)采動影響下皮帶大巷底鼓控制技術(shù)研究

謝世豪

（山西煤炭運銷集團沁水鑫基煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西煤炭運銷集團沁水鑫基煤業(yè)井田位于沁水盆地南緣，太行山南段西側(cè)，礦井生產(chǎn)規(guī)模120萬t/a，目前正在進行2#煤層的采掘作業(yè)。2#煤層穩(wěn)定，煤層厚度為3m。2#煤層直接頂板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖，一般厚約2.50m，直接頂下常有約0.5m的灰色泥巖或炭質(zhì)泥巖偽頂，基本頂為砂質(zhì)泥巖或中細砂巖，厚約3.00m；底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，一般厚2.82m。2#煤層的2101首采工作面與三條大巷相鄰，工作面與皮帶大巷間煤柱寬度為30m，如圖1所示。2101工作面采用綜采一次采全高的采煤方法，全部垮落法管理頂板。2101工作面回采初期，對應(yīng)位置臨近的皮帶大巷圍巖出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)變形，為防止皮帶大巷圍巖的進一步失穩(wěn)破壞，需對其加固技術(shù)展開研究。

圖1 皮帶大巷布置示意圖

2 皮帶大巷底鼓機理研究

2.1 皮帶大巷原有支護方案

鑫基煤業(yè)2#煤層皮帶大巷斷面采用直墻半圓拱形，巷道斷面凈寬度為4.8m，直墻高度1.6m，掘進高度為4.0m，采用錨網(wǎng)噴支護。頂板錨桿采用直徑為18mm、長度為2100mm的硬質(zhì)螺紋鋼錨桿，錨桿間排距均為700mm。頂板錨桿采用菱形布置方式，錨桿沿巷道中心線對稱布置，安裝角度根據(jù)安裝的位置調(diào)整，基本垂直巖壁施工，每排七根錨桿，采用鋼筋網(wǎng)護表。兩幫錨桿規(guī)格與頂板錨桿相同，間排距均為700mm，最低一排錨桿距離巷道底板300mm。錨桿錨固參數(shù)：頂板和兩幫的錨桿均采用一支Z2360樹脂藥卷，預(yù)緊力不小于100N·m，錨固力不小于70kN。頂板錨索采用長度為7300mm、直徑為15.24mm的1×8應(yīng)力鋼絞線，托盤為鋼槽，錨索采用三排“五花”布置，間排距為2100×1400mm，每根使用樹脂錨固劑MSCK23/60、MSZ23/80各一支，外露150～250mm，底板末采取支護措施。皮帶大巷支護斷面如圖2所示。

圖2 皮帶大巷支護斷面圖

2.2 皮帶大巷圍巖變形機理

為詳細了解采動影響下皮帶大巷圍巖位移的具體情況，在現(xiàn)場進行圍巖位移監(jiān)測。典型的破壞形式如圖3（a）所示。主要的變形破壞特征：拱頂水泥混凝土噴層大片開裂脫落，多處出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象，網(wǎng)兜最大高度為300mm；巷道兩幫表面較完整，局部出現(xiàn)輕微的開裂，兩幫移近量維持在200mm以下；皮帶大巷底鼓變形最為明顯，圍巖明顯失穩(wěn)區(qū)段長度約為200m，該巷段內(nèi)底板底鼓量在800～1000mm的超過130m，局部底鼓量超過2200mm，底板中部底鼓量最大。

圖3 皮帶大巷圍巖破壞機理

根據(jù)皮帶大巷圍巖位移的特征，建立其圍巖受力模型如圖3（b）所示。皮帶大巷底板巖層為泥巖，主要由膨脹性和吸水性的高嶺石、伊利石等組成，底鼓類型屬于復(fù)合型底鼓。底板巖層由于地下水的影響使其吸水膨脹，在臨近工作面采動影響下，使圍巖內(nèi)應(yīng)力進一步提高，引起底板出現(xiàn)彎曲型和膨脹型底鼓，因此對于皮帶大巷的加固應(yīng)從提高圍巖支護強度及防止地下水對底板的影響出發(fā)[1-2]。

3 皮帶大巷底鼓控制技術(shù)模擬研究

依據(jù)2#煤層皮帶大巷圍巖變形的特征和機理，結(jié)合以往的研究成果和生產(chǎn)經(jīng)驗，對于皮帶大巷底板的加固提出以下三個方案。方案一：注漿加固；方案二：錨索加固；方案三：錨注聯(lián)合加固法。其中注漿漿液采用水泥漿，底板注漿范圍為2.5m。頂板和兩幫加固錨索采用直徑22mm、長度為6300mm的鋼絞線錨索，間排距為1500×1200mm。底板錨固加固采用規(guī)格為Ф22×L5500mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，底板錨索沿皮帶大巷長度方向成排布置，間排距為1200×1200mm，中線兩側(cè)的錨索垂直底板安裝，靠近兩幫底角處的錨索向外側(cè)傾斜15°安裝。

為具體分析皮帶大巷三種加固方式的支護效果，采用FLAC3D模擬軟件[3-4]，針對鑫基煤業(yè)2#煤層實際地質(zhì)條件建立三維數(shù)值模型。模型尺寸長×寬×高=300×200×150m，皮帶大巷斷面為直墻半圓拱，巷道的支護形式如上節(jié)所述，整個模型的巖體選用摩爾—庫倫理想彈塑性模型。模擬注漿加固時改變已知漿液擴散范圍內(nèi)煤巖體的模量和強度。模擬步驟：首先對三條大巷進行開挖，然后采用不同的支護形式，之后進行2101工作面的回采，觀察巷道的圍巖位移情況。典型的模擬結(jié)果如圖4所列。

圖4 不同加固方案下皮帶大巷圍巖應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律

根據(jù)圖4所示結(jié)果可知，采用底板注漿措施后，巷道圍巖的塑性破壞范圍明顯較小，巷道頂板圍巖穩(wěn)定性較好，兩幫和底板圍巖塑性破壞范圍較大，底板應(yīng)力0～2MPa的降低區(qū)范圍僅為2m，底板底鼓量約為220mm；采用補打錨索加固時，巷道底板巖層塑性破壞范圍較小，兩幫的應(yīng)力集中程度增加，但是頂板和兩幫的塑性破壞范圍及位移量明顯相對于注漿加固較高，底板底鼓量為150mm；當采用錨注聯(lián)合加固時，相比方案一和方案二，底板和兩幫圍巖的塑性破壞區(qū)明顯減小，底板圍巖內(nèi)應(yīng)力集中的范圍也明顯減小，底板底鼓量減小為48mm。綜上分析可知，采用方案三引起的圍巖受力狀態(tài)的變化對巷道圍巖穩(wěn)定性的提高起著積極的作用，并且考慮到皮帶大巷的服務(wù)年限較長，選擇錨注聯(lián)合加固法進行加固。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

4.1 皮帶大巷圍巖錨注聯(lián)合加固方案

在2101工作面影響皮帶大巷變形嚴重的巷段，底板注漿前首先對巷道進行臥底，臥底后對底板進行注漿加固。漿液為水泥漿，水灰比為1.8:1，注漿孔直徑為56mm，深度為2500mm，注漿孔采用“五花”布置，間排距均為1500mm，采用棉紗和水泥—水玻璃漿液進行封孔，注漿管采用鋁塑管，注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場實際情況取1～2MPa。底板注漿孔的布置詳情如圖5（a）所示。

圖5 皮帶大巷圍巖加固措施

皮帶大巷底板進行注漿加固約三天后，對巷道圍巖采用錨索進行加固。底板錨索采用直徑22mm、長度5500mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，靠近巷道中部的錨索垂直底板安裝，靠近兩幫的錨索向外側(cè)傾斜15°安裝，托盤采用300×330×16mm異形高強度拱形托盤，錨索間排距均為1200mm，錨索之間由直徑為20mm鋼筋制成的鋼筋托梁聯(lián)結(jié)，底板鋪設(shè)規(guī)格為2400×1300mm鋼筋網(wǎng)；頂板和兩幫的加固采用直徑22mm、長度為6300mm的鋼絞線錨索，錨索間距為1500mm，每排布置7根錨索，排距為1200mm，錨固劑采用一支K2335和兩支Z2360樹脂錨固劑。皮帶大巷圍巖錨索加固的具體情況如圖5（b）所示。

4.2 現(xiàn)場礦壓監(jiān)測

2#煤層皮帶大巷錨固聯(lián)合加固法處理后，在采煤工作面前方適當?shù)奈恢貌贾脺y站，進行現(xiàn)場圍巖位移觀測，整理結(jié)果如圖6所示。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可以看出，皮帶大巷圍巖在采動影響下出現(xiàn)了輕微的變形現(xiàn)象，加固約11d后，皮帶大巷圍巖位移量不再發(fā)生變化，頂板下沉量最大約9mm，兩幫移近量最大約為10mm，底板底鼓量最大約為22mm，相對于加固前（2200mm）顯著的減小，皮帶大巷圍巖穩(wěn)定性良好，巷道底鼓控制效果顯著，能夠保證皮帶大巷的正常安全使用。

圖6 皮帶大巷圍巖位移觀測結(jié)果

5 結(jié)論

鑫基煤業(yè)2#煤層皮帶大巷，在臨近的2101工作面采動影響下圍巖出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)變形。根據(jù)2#煤層皮帶大巷詳細的地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬及理論分析得知，皮帶大巷圍巖位移主要表現(xiàn)為底板底鼓，設(shè)計采用錨注聯(lián)合加固法進行加固?，F(xiàn)場應(yīng)用及監(jiān)測結(jié)果表明，加固后皮帶大巷頂板下沉量最大約為9mm，兩幫移近量最大約為10mm，底板底鼓量最大約為22mm，大巷圍巖穩(wěn)定性較好，底鼓得到有效的控制，取得很好的應(yīng)用效果。