建莊礦4-2205工作面膠帶巷底鼓的防治技術(shù)

閆嘉平

（陜西煤業(yè)集團(tuán)黃陵建莊礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵 727307）

引言

圍巖松軟、開采深度增大等因素均會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖產(chǎn)生變形[1-2]。膠帶巷作為煤炭運(yùn)輸?shù)闹匾锏?，?duì)于礦井系統(tǒng)正常運(yùn)輸具有重要作用，運(yùn)輸巷道圍巖變形嚴(yán)重，尤其是底鼓嚴(yán)重，導(dǎo)致運(yùn)輸皮帶不穩(wěn)，運(yùn)輸系統(tǒng)中斷[3-5]。

建莊煤礦4-2205工作面膠帶巷部分區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重巷道變形的情況，導(dǎo)致運(yùn)輸系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。為有效解決該問題，本文針對(duì)建莊礦4-2205工作面膠帶巷底鼓現(xiàn)象進(jìn)行模擬研究，根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果制定有針對(duì)性的支護(hù)措施。

1 4-2205工作面膠帶巷概況

1.1 4-2煤層頂?shù)装鍘r性

4-2煤層基頂為“砂巖”，巖性為長(zhǎng)石砂巖和細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖，裂隙不發(fā)育。在不滲水情況下，單軸抗壓強(qiáng)度55.3 MPa，水飽和時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度23.80 MPa。底板為含炭泥巖，干燥時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度46 MPa，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試底板巖層遇水極易膨脹變形。巖石中伴有離層現(xiàn)象，通過單軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)可知，較小的軸向應(yīng)力變回導(dǎo)致巖石大尺度法向變形。巖層情況見表1。

表1 4-2煤層頂?shù)装鍘r性

1.2 膠帶巷斷面及支護(hù)方式

采用錨網(wǎng)索桁架支護(hù)，頂板和幫部采用不同的支護(hù)方式。進(jìn)行頂板支護(hù)時(shí)，單排使用錨索支護(hù)，雙排采用錨桿支護(hù)，錨桿直徑Φ20 mm，長(zhǎng)度2.5 m，錨索直徑Φ20 mm，長(zhǎng)度3.5 m，錨網(wǎng)錨固錨索間距0.7 m，幫部使用錨桿錨固。整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

2 巷道底鼓數(shù)值的模擬

為研究巷道底鼓問題變化規(guī)律，本文使用COMSOL軟件對(duì)巷道變形規(guī)律進(jìn)行模擬研究。對(duì)整個(gè)膠帶巷圍巖進(jìn)行取樣，將樣本帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行巖石彈性模量等參數(shù)測(cè)量，同時(shí)對(duì)不同巖石的巖性進(jìn)行了測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。建立模型幾何參數(shù)和膠帶巷基本參數(shù)一致。

模擬為瞬態(tài)過程，步長(zhǎng)24 h，數(shù)值模擬總時(shí)間為120 d。模擬出巷道在受到地應(yīng)力作用下，底板、行幫位置不同時(shí)間點(diǎn)的變形情況，30 d、60 d、90 d、120 d時(shí)，巷道周圍巖體應(yīng)力分布如下頁(yè)圖2—圖5所示。

圖2 30 d巷幫應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖5 120 d巷幫應(yīng)力（Pa）分布云圖

3 底鼓數(shù)值模擬分析

圖3 60 d巷幫應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖4 90 d巷幫應(yīng)力（Pa）分布云圖

由圖2—圖5可知，巷道整體應(yīng)力比較集中的位置為巷道底板，其次是巷幫，巷道斷面頂部受到的應(yīng)力比較少。隨著時(shí)間的推移，底板應(yīng)力增大趨勢(shì)不斷加劇。巷道底板受力狀況為中間應(yīng)力最大，兩邊逐漸遞減的趨勢(shì)。數(shù)值模擬為有限元分析法，根據(jù)分析，底板受到最大擠壓應(yīng)力為9.0×105Pa，最大水平位移為30 cm，意味著底板中部會(huì)出現(xiàn)較大巖石離層現(xiàn)象；應(yīng)力由兩邊向中部蔓延，最終導(dǎo)致巷道斷面中間大面積垮裂；行幫兩側(cè)距離地面30~120 cm區(qū)域應(yīng)力比較集中，隨著時(shí)間不斷推移，巷道幫部水平位移量達(dá)到10 cm，如果不進(jìn)行有效控制，將導(dǎo)致幫部巖層向巷道位置平移，最終形成大面積垮塌現(xiàn)象。頂部出現(xiàn)位移的反方向變形，巖層呈現(xiàn)內(nèi)凹現(xiàn)象，該區(qū)域不采取措施，會(huì)出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。

按照設(shè)計(jì)進(jìn)行巷道開挖之后，以建莊礦情況分析，底板出現(xiàn)形變是最大的，初始為中部上凸，當(dāng)應(yīng)力沖破巖層彈力極限，就會(huì)出現(xiàn)巷道中部大面積破碎現(xiàn)象；行幫也會(huì)出現(xiàn)以上現(xiàn)象。由于巷道底板為黏質(zhì)砂巖，遇水會(huì)出現(xiàn)膨脹等現(xiàn)象，因此更容易造成底板不穩(wěn)。

4 防治措施及效果考察

根據(jù)巷道數(shù)值模擬結(jié)果分析，巷道底板承受的應(yīng)力最大，形變最嚴(yán)重，因此制定措施首先考慮底鼓現(xiàn)象，其次解決行幫問題。結(jié)合目前相關(guān)技術(shù)制定的底鼓防護(hù)措施有：

4.1 錨桿進(jìn)行底板加固

巖層均為層狀結(jié)構(gòu)，頂板巖層也是如此。錨固結(jié)構(gòu)可有效地將層狀的巖石結(jié)構(gòu)整體化，將已經(jīng)產(chǎn)生的水平巖層裂隙封閉，保證巖層法相結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。同時(shí)有效地將相鄰的不同巖層連接，形成組合結(jié)構(gòu)，具體如圖6所示。由于底板和頂板的差異性，底板施工鉆孔時(shí)為下向孔，排渣難度大。同時(shí)，由于重力作用向下，因此底板錨固時(shí)可適當(dāng)減小錨固長(zhǎng)度，錨固長(zhǎng)度為1.5~2 m，情況不是很嚴(yán)重的情況下，錨桿密度可適當(dāng)減小，為800 mm×800 mm即可。

圖6 錨桿結(jié)構(gòu)原理

4.2 底板注漿技術(shù)

對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)底鼓導(dǎo)致底板破裂的區(qū)域，可使用底板注漿技術(shù)。由于水泥漿具有一定的黏合力，水泥漿可有效硬化破碎區(qū)域，當(dāng)破裂情況比較嚴(yán)重的時(shí)候可以適當(dāng)?shù)丶泳郯滨サ炔牧?，增?qiáng)加固效果。

施工工藝為對(duì)破裂底板進(jìn)行掃除清理，對(duì)現(xiàn)整體進(jìn)行大面積噴漿，水泥漿中加入速凝劑。初次噴漿后，完成初凝后鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，進(jìn)行二次噴漿加固。

4.3 巷道斷面填充技術(shù)

巷道斷面填充技術(shù)主要是通過填充技術(shù)改變巷道應(yīng)力分布，從而增加巷道底板黏土從巷道壁部向下面的流動(dòng)阻力。

該技術(shù)主要用于永久性巷道的底板支護(hù)，施工方法為：首先在巷道底板上開挖巨型坑槽，在坑槽內(nèi)填充遇水硬化微膨脹材料，使之可以為上部材料反拱，可以保證底板的抗破壞作用。同時(shí)加裝伸縮支架等原件，可有效防止底鼓的殘余應(yīng)力。

5 結(jié)論

1）巷道圍巖底板應(yīng)力變形最大，呈中間高兩邊低的情況；其次是左、右?guī)筒繎?yīng)力比較大；隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力變形不斷加劇；

2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，為防治巷道破壞嚴(yán)重，首先必須解決巷道底鼓問題，其次要解決巷道幫部應(yīng)力集中問題；

3）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果制定的防治底鼓措施分別為錨桿進(jìn)行底板加固、底板注漿技術(shù)和巷道斷面填充技術(shù)。