王莊煤業(yè)15號煤層大巷底鼓治理技術(shù)

徐 鎮(zhèn)

（晉能控股煤業(yè)集團王莊煤業(yè)，山西長治047100）

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，煤炭工業(yè)作為基礎(chǔ)能源發(fā)揮出了難以替代的作用。但由于淺部資源的開采進程趨于枯竭，目前我國煤炭開采正以平均15m/a的速度向深部延伸，在此過程中，很多前所未有的安全問題也在生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)，其中礦壓增大、巷道支護困難的現(xiàn)象屢屢發(fā)生[1-2]。

現(xiàn)有的支護技術(shù)可以對頂板下沉量和兩幫移近量進行有效地控制，但對于底板“底鼓”的防治工作卻稍顯不足。研究發(fā)現(xiàn)，在未進行底板支護的深部開采巷道中，出現(xiàn)底鼓的位移量約占巷道移近量的70%[3]。當(dāng)巷道出現(xiàn)“底鼓”時，將會使圍巖斷面縮小，不利于新鮮風(fēng)流的流通并造成井下交通和人員行走的不便，嚴(yán)重的還會造成整條巷道的報廢。因此對于礦山支護工作來講防治巷道底鼓一直是井下巷道維護的關(guān)鍵難點技術(shù)之一。研究分析底板底鼓的發(fā)生原因、影響因素及其防治措施對于礦井的安全生產(chǎn)有著重大的理論意義和實際應(yīng)用價值。

王莊煤業(yè)為了滿足瓦斯防治及原煤運輸?shù)葪l件，采用走向長壁式綜采一次采全高采煤法。目前該礦15號煤層直接底為厚度3.65m的泥巖，抗拉強度較低，泥巖中粘土礦物含量高達48%～62%，遇水會出現(xiàn)崩解現(xiàn)象，因此底板容易發(fā)生底鼓。目前已在15號煤層一采區(qū)運輸大巷、輔運大巷以及15號煤層副暗斜井等巷道內(nèi)有幾處位置底鼓嚴(yán)重，巷道路面雖經(jīng)過硬化，但仍有裂縫出現(xiàn)，導(dǎo)致底板不平整，對礦井運輸、通風(fēng)等工作造成一定影響。因此，分析王莊煤業(yè)15號煤層巷道底鼓的產(chǎn)生原因并提出有效的防治措施具有重要的現(xiàn)實意義。

1 15號煤層特性與大巷底鼓概況

1.1 煤層概況

王莊煤業(yè)15 號煤層的頂板為砂質(zhì)泥巖與石灰?guī)r，底板為泥巖與砂質(zhì)泥巖，巖性較為松軟，力學(xué)強度低，煤層平均厚度為4.2m，具體如表1所示。

1.2 15號煤層底板泥巖崩解特性

表1 王莊煤業(yè)15號煤層頂?shù)装鍘r層柱狀表

在對巷道支護進行設(shè)計前，需要對巷道頂?shù)装鍘r石的軟化崩解特性進行試驗分析。試驗將煤巖樣品經(jīng)歷多次吸水—風(fēng)干循環(huán)（浸水6h、烘烤6h，共計12h），直至出現(xiàn)崩解現(xiàn)象為之。圖1為15號煤層直接底泥巖的樣品，可以看出，在經(jīng)歷6個循環(huán)后，煤樣出現(xiàn)破裂崩解。因此水分對煤巖的影響較大，在對巷道進行支護時需考慮水分對巷道的侵蝕。

1.3 15號煤層底板泥巖礦物組成

圖1 15號煤層煤樣崩解試驗

對巷道的支護工作，也需要對頂?shù)装鍘r樣的礦物組成進行測定。本次測定工作選擇D/MAX-2400 型X-射線衍射光譜儀對礦物組成進行定性、定量的分析。測試前需將巖樣研磨成細(xì)小微粒，在放置于光譜儀上用單色光輻射。

圖2 15號煤層底板巖樣礦物成分示意圖

對王莊煤業(yè)15號煤層直接底泥巖的測試結(jié)果見圖2。測定發(fā)現(xiàn)，石英、高嶺石、蒙脫石和珍珠石是構(gòu)成該煤層直接底泥巖的主要礦物成分。其中石英含量最高，達到55%；高嶺石、蒙脫石和珍珠石的含量分別為14%、15%和16%。值得一提的是，在底板巖樣的礦物組成中，除石英以外均為粘土礦物，即15號煤層直接底泥巖中粘土礦物含量高達45%，并且蒙脫石遇水易膨脹，進而表明15號煤層直接底力學(xué)強度較低，并且遇水易崩解。

2 15號煤層支護方式

巷道圍巖的穩(wěn)定性與支護方案的設(shè)計是否合理息息相關(guān)。由于15號煤層運輸大巷圍巖較為松軟，采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護，噴漿厚度150mm，底板硬化厚度100mm。頂、幫部的錨桿均采用?20mm×2400mm 高強度螺紋鋼筋材料制成，并用兩支樹脂藥卷錨固，間距、排距設(shè)定為800mm 均勻排列；錨索方面采用?18.9mm×6000mm 的高強度鋼絞線，有效錨固長度1.5m。錨索沿巷道中軸排列，每排布置3套錨索，每兩排頂錨桿布置一排錨索，排間距為1600mm。

3 15號煤層大巷底鼓機理

綜合王莊煤業(yè)15號煤層大巷底鼓位置處的圍巖地質(zhì)力學(xué)特征（包括圍巖物理力學(xué)特性、水理崩解特性、礦物成分、地質(zhì)構(gòu)造等）分析可知，15 號煤層大巷底鼓的原因主要有3個方面：

（1）應(yīng)力狀態(tài)：巷道底鼓的發(fā)生與所受應(yīng)力狀態(tài)有極大關(guān)系，巷道埋深越深，出現(xiàn)底鼓的可能性也就越大。15號煤層運輸大巷最大埋深約350m，在巷道開挖后應(yīng)力受采動影響將重新分布，在此期間原本積存的能量快速釋放，高水平應(yīng)力將對底板巖層造成破壞，并極有可能出現(xiàn)大范圍的底鼓。

（2）圍巖性質(zhì)：煤層直接底為一層厚度3.65m 的泥巖，抗拉強度較低，泥巖中粘土礦物含量高達45%，并且蒙脫石遇水易膨脹，進而表明15號煤層直接底力學(xué)強度較低，并且遇水易崩解。

（3）支護狀態(tài)。15 號煤層大巷頂板與兩幫采用的是錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護，但是對底板沒有采區(qū)硬化措施。在采動過程中，巷道支護不足的地方率先失穩(wěn)。當(dāng)聚集在頂板和兩幫的應(yīng)力無法充分釋放時，應(yīng)力會自上而下傳導(dǎo)至底板，巖層內(nèi)原生裂隙逐漸發(fā)育與貫通，疊加應(yīng)力的影響，大量破碎巖體受力從而產(chǎn)生底鼓。

根據(jù)初步判斷，15 號煤層大巷底鼓的類型可以斷定為擠壓流動型，底鼓產(chǎn)生過程如圖3所示。在底板巖層較為軟弱破碎的巷道中，即使底板和兩幫支護條件較好，同樣會在巷道采動過程中對圍巖應(yīng)力造成重新分布，產(chǎn)生底鼓。

圖3 15號煤層大巷底鼓原理示意圖

4 15號煤層大巷底鼓治理措施

根據(jù)對15 號煤層大巷底鼓原因的分析，決定采用“底板中部切槽+底角錨索支護”的方案對底鼓進行治理。施工方式為：采用多次爆破法對底板中部進行切槽，泄壓切槽寬0.5m、深3m；同時在底角處進行打錨索補強工作。

底板支護見圖4，參數(shù)如下：錨索形采用?18.9mm的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度為6500mm，每排布置2根錨索，各距巷幫500mm，排距1600mm。錨索托盤采用300mm×300mm×16mm拱形高強度可調(diào)心托板及配套鎖具。托板鋼號不低于Q235，拱高不低于60mm。保證其承載力部小于錨索的破斷載荷。

通過這兩步的操作，一方面可以使支承壓力峰值向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，降低底板所受應(yīng)力；另一方面卸壓切槽可以為底板變形提供了補償空間，減小巷道整體的圍巖變形量。由于巷道較易受水影響，在施工中需要及時排水、疏干巷道[4]。相比常規(guī)方案可以起到以下作用：

（1）阻止底板塑性區(qū)發(fā)展。巷道采掘過程中，巷道底板尤其是兩底角產(chǎn)生很大的水平應(yīng)力集中。當(dāng)?shù)装鍘r層較為松軟時，易受二次水平應(yīng)力的作用造成破壞。隨著巷道的掘進塑性區(qū)向其他部位擴展。通過在底板巖層打錨索，可以提高圍巖的抗壓強度，限制或減少塑性區(qū)的影響范圍。

（2）阻止底板巖體塑性流動。對于松軟巖層的底板，兩幫及頂板應(yīng)力會向下傳遞，底板巖層因此產(chǎn)生向巷道內(nèi)的塑性流動。通過對兩幫和底角補打錨索可以增強圍巖主動應(yīng)力區(qū)的范圍，從而可以保持巖體受力平衡，減少底鼓。

5 結(jié)論

通過對王莊煤業(yè)15 號煤層大巷底鼓原因的分析，將底鼓類型確認(rèn)為擠壓流動型。為滿足井下安全生產(chǎn)的目的，筆者決定對底板采用“中部切槽+底角錨索支護”的方式進行治理。試驗結(jié)果表明對軟巖巷道的底鼓治理起到了很好的治理工作，極大減少底鼓對礦井生產(chǎn)的影響。