辛置煤礦10-428B回風(fēng)巷底鼓控制技術(shù)研究

趙 雷

(霍州煤電集團(tuán)公司 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

軟巖巷道受采動(dòng)影響易引發(fā)冒頂片幫、底板鼓起等事故，輕則對(duì)工作面的材料運(yùn)輸、人員通行造成障礙，增加巷道返修成本；重則引發(fā)安全生產(chǎn)事故，制約礦井安全、高效開(kāi)采。對(duì)此，大量學(xué)者進(jìn)行了研究：楊本生等[1]通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬方法分析后認(rèn)為，巷道在無(wú)支護(hù)狀態(tài)下首先發(fā)生剪切破壞，而后由于礦井水理作用，使圍巖發(fā)生進(jìn)一步破碎，并提出基于“雙殼”理論的巷道底鼓治理方法；王振[2]、畢宣可等[3]結(jié)合深部軟巖巷道的變形失穩(wěn)機(jī)理，提出了注漿錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的底鼓控制效果；王曉卿等[4-5]通過(guò)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，運(yùn)用數(shù)值模擬方法確定了底鼓類(lèi)型，同時(shí)模擬修正支護(hù)方案，最終有效控制了底鼓。由于各礦地質(zhì)條件復(fù)雜，上述研究成果雖然在一定程度上解決了研究對(duì)象的底鼓控制問(wèn)題，但不適用所有煤礦。本文通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)辛置煤礦10-428B回采巷道底鼓問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 工程背景

辛置煤礦10-428工作面主要開(kāi)采10號(hào)煤層，煤層平均厚度2.6 m，煤層較軟弱，其直接頂為9號(hào)煤層與泥巖互層，平均厚度3 m，老頂為K2灰?guī)r，平均厚度8 m，直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖互層，厚0.8 m，老底為砂質(zhì)泥巖，厚7 m。10-428B回風(fēng)巷平均埋深400 m，巷道位于10-426工作面采空區(qū)與10-428工作面之間，其相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

10-428B回風(fēng)巷斷面為矩形，凈寬5.0 m，凈高3.1 m，斷面15.5 m2，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。頂板采用D20 mm×2 400 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，樹(shù)脂錨固劑錨固，間排距900 mm×900 mm，每排6根；錨索采用D22 mm×7 300 mm的鋼絞線，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，“三花”式布置，間排距1 500 mm×1 800 mm；網(wǎng)片搭接采用8號(hào)鐵絲編織菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格1 000 mm×5 000 mm。兩幫采用D20 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，樹(shù)脂錨固劑錨固，間排距900 mm×900 mm，每排3根，巷道支護(hù)斷面如圖2所示。

圖1 工作面采掘工程平面

圖2 巷道支護(hù)示意(mm)

2 底板破碎區(qū)觀測(cè)

10-428B回風(fēng)巷在工作面回采過(guò)程中底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，圍巖整體變形量較大。為了解底板巖層的底鼓破碎范圍，采用CHK7.2(B)礦用鉆孔成像儀進(jìn)行鉆孔窺視，鉆孔窺視位置選定在10-428B底鼓現(xiàn)象較為劇烈的地方，鉆孔窺視結(jié)果如圖3所示。

圖3 鉆孔窺視結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)孔深為0.137 m時(shí)，巖層相對(duì)完好，說(shuō)明此時(shí)底板巖層尚未發(fā)生破壞；當(dāng)鉆孔繼續(xù)延伸至0.548 m時(shí)，巖層發(fā)生較大程度的破壞，支護(hù)已失效，巖體破碎現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 巷道底鼓影響因素分析

1) 底板巖性。10-428B回風(fēng)巷底板為泥巖及砂質(zhì)泥巖互層，由礦井地質(zhì)資料可知，巷道泥巖含高嶺石、伊利石等軟弱膨脹性巖體，遇水易膨脹而導(dǎo)致巖體自身強(qiáng)度降低。

2) 采動(dòng)影響。10-428B回風(fēng)巷兩幫煤體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于底板煤巖體強(qiáng)度，由于10-426工作面及10-428工作面開(kāi)采影響，10-428B回風(fēng)巷兩幫先發(fā)生破壞，兩幫煤體因無(wú)法支撐上覆巖層重力而導(dǎo)致應(yīng)力向底板轉(zhuǎn)移，從而使底板進(jìn)一步破碎。同時(shí)，10-428B回風(fēng)巷位于臨近工作面采空區(qū)與當(dāng)前工作面實(shí)體煤之間，巷道受10-428工作面回采期間的側(cè)向支承壓力及鄰近工作面采空區(qū)殘余支承壓力影響，巷道變形破壞更為嚴(yán)重。

3) 支護(hù)效果。從10-428B回風(fēng)巷當(dāng)前采取的支護(hù)措施能夠看出，對(duì)巷道底鼓的支護(hù)基本處于開(kāi)放支護(hù)狀態(tài)，僅靠幫部的兩根傾斜錨桿提供錨固力，未能保證巷道底板的穩(wěn)定。

4 底鼓治理方案確定

4.1 水壓致裂軟化頂板煤巖體

結(jié)合10-428B回風(fēng)巷鉆孔窺視及底鼓影響因素分析，本文提出通過(guò)水壓致裂的方法來(lái)軟化巷道頂板，使巷道頂板應(yīng)力能夠得到一定程度的釋放，避免頂板應(yīng)力向巷道底板轉(zhuǎn)移而引發(fā)底板應(yīng)力。水壓致裂施工參數(shù)及炮孔布置參數(shù)如表1、2所示，鉆孔布置如圖4所示。

表1 水壓致裂施工參數(shù)

表2 水壓致裂炮孔布置參數(shù)

圖4 水壓致裂鉆孔布置示意

4.2 優(yōu)化支護(hù)方案

將原有頂板錨桿間排距由900 mm×900 mm縮短至800 mm×800 mm，同時(shí)增加錨桿1根，錨桿選擇D20 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，樹(shù)脂錨固劑錨固；錨索間排距由1 500 mm×1 800 mm改為1 400 mm×1 600 mm，錨索呈“三花”式布置，錨索規(guī)格選為D17.8 mm×6 000 mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，每根錨索采用2支K2335和1支Z2360樹(shù)脂藥卷。幫錨桿間距不變，排距縮短為800 mm，并增加錨索1根(如圖5所示)，錨索傾斜15°向下施工。

針對(duì)巷道底鼓現(xiàn)象，對(duì)巷道底板施加反底拱措施，設(shè)置拱矢高為400 mm、厚度為300 mm的反底拱，混凝土強(qiáng)度選用C30，同時(shí)在巷道底板補(bǔ)打錨桿7根，間排距800 mm×800 mm，最終在巷道支護(hù)完畢后對(duì)巷道進(jìn)行整體噴漿，噴漿厚度80 mm，混凝土強(qiáng)度選用C20。支護(hù)優(yōu)化方案示意如圖5所示。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

按照上述底鼓治理方案施工，在10-428B回風(fēng)巷選取長(zhǎng)為100 m的巷道進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)，在巷道中間布置間距為50 m的兩個(gè)測(cè)站，第一個(gè)測(cè)站距試驗(yàn)段起始點(diǎn)25 m，監(jiān)測(cè)時(shí)間為30 d，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖6(a)可知，頂板下沉量在前14 d變化較大，從第14 d開(kāi)始趨于平穩(wěn)，巷道最大頂板下沉量最終維持在26 mm；兩幫移近量在前14 d變化范圍較大，第15 d開(kāi)始趨于平穩(wěn)，最大兩幫移近量為18 mm；底鼓量在前16 d變化較大，第16 d開(kāi)始，底鼓量趨于平穩(wěn)，最大底鼓量為14 mm。

由圖6(b)可知，頂板下沉量在前15 d變化較大，從第15 d開(kāi)始趨于平穩(wěn)，巷道最大頂板下沉量最終維持在26 mm；兩幫移近量在前15 d變化范圍較大，第16 d開(kāi)始趨于平穩(wěn)，最大兩幫移近量為17 mm；底鼓量在前18 d變化較大，第18 d開(kāi)始，底鼓量趨于平穩(wěn)，最大底鼓量為14 mm。

綜上所述，10-428B回風(fēng)巷在采取底鼓治理措施后，巷道變形量整體大幅減小，最大底鼓量控制在14 mm左右，巷道底鼓得到了有效治理。