泥巖頂?shù)装寤夭上锏赖坠臋C理及控制技術

羅曉龍

（西山煤電官地礦，山西 太原 030022）

在工作面回采過程中，兩巷的穩(wěn)定是保證正常生產的關鍵，但成巷后，由于應力狀態(tài)的改變導致圍巖的受力情況發(fā)生變化，在超前支承壓力或構造應力等的影響下，巷道頂?shù)装?、兩幫均會向巷道內移動，形成頂板下沉、兩幫移近和底鼓等。一般來說，小于200 mm 的底鼓不需采取專門的應對措施，但對于軟巖頂?shù)装逑锏?，一般底鼓量大?00 mm，需要反復臥底維修，增加了工程量。

根據相關的統(tǒng)計，在某些軟巖頂?shù)装迕旱V，由于巷道底鼓反復維修增加的工程量甚至超過了新掘巷道的長度，嚴重限制了綜采高產高效能力的發(fā)揮[1-5]。

1 概況

山西焦煤集團有限責任公司官地礦33423 工作面位于北四采區(qū)，所采煤層為3號煤，煤層結構簡單，煤層傾角2°～11°，平均6°。煤層厚度3.0～3.7 m，平均3.3 m，蓋山厚度200～430 m，平均厚度325 m。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 33423 工作面頂?shù)装鍘r性

由柱狀圖可以看出，煤層頂?shù)装鍘r性較差，存在一層0.40 m 的炭質泥巖偽頂，順槽掘進過程中隨掘隨冒。直接頂和直接底均為泥巖，強度較低，對巷道影響較大。33423 工作面范圍整體為單斜構造，工作面范圍內預計有大小斷層十余條，其中最大落差為4.5 m。

33423 工作面傾斜長度為186 m，走向長度為1034 m，采用綜合機械化走向長壁開采，全部垮落法處理頂板。

工作面兩巷均為矩形斷面，運輸巷的規(guī)格為4.4 m×3.5 m（寬×高），錨網索支護，支護方案如圖2。

圖2 33423 運輸巷支護設計

2 底鼓特性及影響因素

2.1 底鼓特征

33423 工作面由于頂?shù)装寰鶠檐浫醯哪鄮r，與其他巷道相比，礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)不同的特點。

（1）底鼓量大

與常規(guī)的回采巷道礦壓顯現(xiàn)不同，33423 工作面兩巷的頂?shù)装逡平恐杏?0%以上是底鼓量，并且底鼓具有反復性和區(qū)域性，底鼓量大的區(qū)域常規(guī)臥底后，如果不采取措施仍會發(fā)生鼓出現(xiàn)象。

（2）底鼓變形具有流變特性

巷道掘進后，底鼓的變形可分為三個階段：成巷初期底鼓量急劇增大，一般在7 d 左右增速達到最大值；隨后底鼓變形速率減小，一般維持在一個月左右；第三個階段為常規(guī)底鼓，該階段持續(xù)的時間較長，底板以較小的速度流變突起。

（3）底鼓類型為擠壓流動型

由于33423 工作面的頂?shù)装寰鶠檐浫醯哪鄮r，整個巷道處于松軟破碎巖體中，兩幫松動圈的范圍比較大，遠處的地應力對巷道底板造成積壓，促使底板向巷道內移動。

（4）構造對底鼓的影響大

33423工作面兩巷掘進過程中揭露有多條斷層，在斷層附近均出現(xiàn)了不同程度的底鼓，其中落差最大的F8 斷層附近底鼓量達到0.8 m，經過反復多次臥底仍難以滿足生產要求。

2.2 影響因素

（1）巷道圍巖的巖性

回采巷道的頂?shù)装鍘r性尤其是底板的巖性是決定巷道底鼓的關鍵因素。對于巖性較差、強度較低的泥巖或破碎巖層來說，其力學性質差，巷道掘進后，由于開挖卸荷和碎脹力的作用，底板巖層中的節(jié)理裂隙會進一步擴展，進一步降低了其承載能力，受回采應力或遇到斷層等地質構造時，低強度的底板極易向巷道內突出，形成底鼓。

（2）支護強度的作用

由于巷道的掘進，長期處于穩(wěn)定原巖應力狀態(tài)的巖體從三向受力變?yōu)閮上蚴芰?，并且增加了一個自由面。與此同時，應力重新分布，向巷道周邊轉移，引起局部應力集中，加速巖體的破壞。同時，由于自由面的存在，巷道頂?shù)装搴蛢蓭途邢蛳锏纼裙某龅内厔?。但由于巷道兩幫及頂板均有支護，底板一般無支護，巷道的應力從巷道底板向巷內釋放，使得底板鼓出。

（3）構造應力的影響

工作面兩巷掘進中揭露有多條斷層，而斷層都是經歷強烈的地質構造運動而形成的，儲存有較高的構造應力。在斷層附近，受高構造應力和水平應力的影響，軟弱底板的巷道極易受擠壓作用而向巷內膨脹。

（4）底板的流變效應明顯

工作面從順槽巷道開始掘進到安裝完畢，經歷的時間較長，觀測表明，底鼓并不是巷道掘進后立即顯現(xiàn)的，而是隨著時間的延長逐漸增大，具有明顯的流變特性。

3 底鼓機理及控制

3.1 底鼓機理

將巷道底板承受的兩幫的壓力簡化為均布載荷q，則巷道底板的受力如圖3。

圖3 巷道底板受力簡圖

巷道開挖后，圍巖應力重新分布，在巷道兩幫形成寬度為x0的極限平衡區(qū)。由于巷道底板為泥巖，強度較低，承載能力差，當所受的垂直應力超過其極限強度時，底板極限平衡區(qū)范圍內的巖層（圖中Ⅰ區(qū)域）持續(xù)破壞，形成破碎區(qū)。破碎的巖體在水平應力作用下膨脹，擠壓過渡區(qū)（圖中Ⅱ區(qū)域）的巖體，同時將力傳向被動擠壓區(qū)（圖中Ⅲ區(qū)域）。隨著時間的增長或力的增大，底板破碎區(qū)內的巖層形成一個連續(xù)的滑移面，沿著滑移面Ⅱ、Ⅲ區(qū)域內的巖層被擠入巷道內，造成底鼓。

通過對底板受力的分析，可為巷道底鼓治理提供理論指導。通過減少頂板壓力或者提高兩幫承載力，減少Ⅰ區(qū)域底板的受力，在Ⅱ區(qū)域補打錨桿，提高其承載能力，就能減少其對Ⅲ區(qū)域施加的壓力。

3.2 現(xiàn)有支護對策

對巷道底鼓的治理主要有兩種不同的方式，在現(xiàn)場使用中一般兩種方式同時使用。

（1）提高底板的強度

該方法充分利用底板圍巖的自承能力，通過注漿等措施填充巖體的縫隙，提高巖體的內聚力、內摩擦角等，使受應力影響破碎的巖石重新膠結成一個整體，提高其抵抗變形破壞的能力。

（2）對底板支護

絕大多數(shù)的回采巷道底板一般都是裸巷，沒有任何的支護，如果底鼓嚴重，可以利用底角錨桿、反底拱等措施改變底板的應力狀態(tài)，抑制底板的變形，保持底板的穩(wěn)定。

3.3 33423 巷道底鼓控制方案

巷道的頂板、底板和兩幫是一個整體，三者共同維持巷道的穩(wěn)定，因此底板的治理必須整體考慮。綜合以上兩種支護對策，確定采用一體化全斷面的支護方案，在加強頂板和兩幫支護的同時對底板進行加固治理。

（1）加強兩幫和頂板的支護

將錨桿排距由2 m/排加密為1.5 m/排，同時將錨桿索同排間隔布置改為兩排布置，每排布置錨索三根，排距為1.5 m，同時將錨索長度由5.2 m 加長為8.2 m。優(yōu)化后的頂板支護方案如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后的頂板支護方案

（2）補打底板錨桿

在巷道底板距兩幫0.5 m 處補打直徑43 mm、長1600 mm 的管縫式錨桿，在錨桿孔中插入直徑22 mm 的鋼筋，采用高壓注漿泵往孔內注水泥漿。

（3）反底拱

在地質構造附近巷道優(yōu)化后的頂板支護方案比較嚴重或臥底后反復出現(xiàn)底鼓的區(qū)域，采用反底拱的方案。在底板施工下挖0.5 m 施工反底拱，然后對巷道底板進行注漿，將反底拱施工過程中的裂隙充填封閉，抵抗水平應力對底板的破壞。

4 應用效果

對巷道采用如上的底鼓治理方案后，在工作面前方建立測站，對巷道表面位移進行觀測，其中三號測點位于工作面前方80 m，其變形規(guī)律如圖5。

圖5 底鼓治理后的巷道頂?shù)装逦灰?/p>

由圖可以看出，治理后的巷道仍然有底鼓發(fā)生，但底鼓量小，最大值僅為0.1 m。當該測點進入工作面超前支承壓力的范圍后，底鼓出現(xiàn)了反彈，底鼓量變大，最大底鼓量達到了0.4 m，但未影響生產。

5 結論

（1）33423 工作面順槽底鼓的主要原因是在高水平構造應力的作用下，底板的軟弱泥巖由于未采取任何支護措施而產生的明顯流變所致。

（2）巷道的頂板、底板和兩幫是一個整體，對底板的穩(wěn)定性控制必須考慮頂板和兩幫的作用，采用一體化全斷面的支護設計方法。

（3）通過采取加強支護、補打底角錨桿，局部區(qū)域淺部注漿等措施，33423 工作面回采巷道底鼓得到有效治理，保證了工作面的正常生產。