厚煤層開采切槽卸壓控制底鼓技術(shù)研究

孫向峰

(太原東山李家樓煤業(yè)有限公司，山西 太原 030400)

煤炭作為重要的礦產(chǎn)資源，對我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用[1-2]。隨著煤炭產(chǎn)能的不斷提高，在煤層開采過程中，巷道穩(wěn)定性問題較為突出，如劇烈礦壓顯現(xiàn)及巷道底鼓等，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重，對工作面安全開采造成嚴(yán)重威脅[3-5]，如何有效預(yù)防與控制巷道底鼓一直是礦山所面臨的技術(shù)難題。在這方面研究中，景賀研制出新型錨固材料在東大煤礦中央進(jìn)風(fēng)大巷進(jìn)行錨索錨固底板治理中應(yīng)用，有效解決了巷道底鼓問題[6]；溫超從優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)以及底板注漿等方面提出底鼓防治措施[7]；高曉旭等采用理論分析、數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的方法對巷道底鼓控制技術(shù)進(jìn)行研究，提出了“注漿加固局部控制”的控制措施[8]。結(jié)合上述研究成果，本文以某礦厚煤層開采為工程背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測與理論分析相結(jié)合的方法對這類煤層開采巷道底鼓機(jī)理及其防控技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以實(shí)現(xiàn)安全高效采礦的目標(biāo)。

1 工程概況

某煤礦主采2號煤層，煤層平均厚6.4 m，傾角2～4°，煤層底部存在厚約0.3 m的夾矸。2號煤層綜合柱狀圖如圖1所示。該煤層2305工作面推進(jìn)長度3 700 m，工作面長350 m，設(shè)計(jì)采高6.4 m，采用一次采全高的采煤方法，工作面日推進(jìn)約18 m，產(chǎn)量超過1 600萬/a。

圖1 2號煤層綜合柱狀圖

2號煤層2306回風(fēng)巷道采取錨桿+錨索支護(hù)方式(圖2)。受采動(dòng)地壓影響，巷道地壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道底板出現(xiàn)了明顯的底鼓現(xiàn)象，造成運(yùn)輸機(jī)、端頭支架下陷，導(dǎo)致工作面推進(jìn)緩慢，嚴(yán)重制約生產(chǎn)，對工作面安全開采造成了不利影響。為此，需要根據(jù)礦山開采實(shí)際，研究巷道底板底鼓控制技術(shù)，解決礦山安全生產(chǎn)問題。

圖2 回采巷道現(xiàn)用支護(hù)結(jié)構(gòu)圖(mm)

2 巷道底鼓特征分析

由于煤體的強(qiáng)度高于底板，在分析中巷道邊幫采用均布載荷分布方式，巷道底板單側(cè)受力情況如圖3所示。

圖3 巷道右側(cè)底板受力簡圖

受支承壓力的影響，當(dāng)壓力P超過底板巖層極限強(qiáng)度時(shí)，巷道底板將發(fā)生變形或者破壞。AC段所受的主動(dòng)與被動(dòng)壓力表達(dá)式如下：

σ1=k1(Q+γh)

(1)

σ2=k2γh

(2)

式中：γ為巖層容重，kN/m3；φ為摩擦角，°；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Q為煤體承受載荷，MPa；k1為主動(dòng)壓力系數(shù)；k2為被動(dòng)土壓力系數(shù)；h為底板破壞深度，m。

其中：

k1=tan2(45°-φ/2)

(3)

k2=tan2(45°+φ/2)

(4)

根據(jù)公式(1)與公式(2)，得到底板破壞深度表達(dá)式如下：

(5)

煤柱作用在底板巖層的均布載荷為11.9 MPa；2號煤底板泥巖內(nèi)摩擦角為35°，將相關(guān)參數(shù)帶入公式(3)、(4)、(5)，則底板破壞深度為0.43 m。

底板巖層在兩幫擠壓下破壞寬度計(jì)算式如下：

l=2htan(45°+φ/2)

(6)

計(jì)算得到底板巖層在兩幫擠壓下破壞寬度為1.65 m。

對于巷道底鼓量的計(jì)算可以采用圍巖松動(dòng)圈理論，計(jì)算方法如下：

(7)

式中：Uf為底板巖層遇水膨脹產(chǎn)生的底鼓量，m；Ks為自由膨脹率，取0.2；Lp為底板圍巖的松動(dòng)范圍，m；P0為底板巖層所受應(yīng)力值，MPa；R0為底板巖層抗壓強(qiáng)度，MPa。

該礦底板巖層所受應(yīng)力為11.9 MPa，泥巖抗壓強(qiáng)度為13 MPa，將相關(guān)參數(shù)代入公式(6)，計(jì)算得到泥巖遇水膨脹引起的底鼓量為270 mm。由于該礦2306回風(fēng)巷底板泥巖強(qiáng)度較低，兩幫及頂板強(qiáng)度較高，受采動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)烈影響，在底板兩幫剪切力的作用下，致使底板軟弱巖體沿剪切面凸起形成底鼓。對于這種類型底鼓的防治重點(diǎn)在于控制底板變形發(fā)展，為此研究提出采用切槽卸壓方法進(jìn)行巷道底板底鼓的防治。

3 切槽卸壓機(jī)理分析

巷道在有無切槽條件下，邊幫及底板受力情況如圖4所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，巷道底板進(jìn)行切槽后，底板所受水平應(yīng)力會(huì)隨著切槽向深部轉(zhuǎn)移，這時(shí)巷道底板圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)；同時(shí)，受垂直應(yīng)力的影響，巷道底板邊幫圍巖在應(yīng)力的作用下向巷道內(nèi)側(cè)發(fā)生位移變形，致使切槽寬度逐漸減小，直至閉合，切槽寬度的減小值實(shí)際是未切槽時(shí)巷道底鼓變形值，由于切槽的存在，避免了巷道底鼓的發(fā)展，從而可有效保障巷道底板的穩(wěn)定。

圖4 底板切槽前后受力圖

切槽以弱結(jié)構(gòu)形式存在，為底板圍巖變形的發(fā)展提供一定空間，而切槽兩側(cè)底板圍巖屬于強(qiáng)結(jié)構(gòu)，最終形成“強(qiáng)-弱-強(qiáng)”穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，見圖5。在采動(dòng)應(yīng)力影響下，當(dāng)巷道底板有發(fā)生底鼓的可能時(shí)，切槽的存在改變了巷道底板應(yīng)力分布狀態(tài)，將底板深部巖層中釋放的變形能進(jìn)行有效吸收，減小了對巷道底板的作用強(qiáng)度，從而限制了巷道底鼓變形的發(fā)展，經(jīng)過一段時(shí)間的應(yīng)力調(diào)整與重新分布，在采動(dòng)應(yīng)力、支護(hù)系統(tǒng)與底板卸壓槽綜合作用下，再次達(dá)到應(yīng)力平衡后，巷道整體將趨于穩(wěn)定。同時(shí)，對于巷道兩幫及頂板進(jìn)行有效的支護(hù)，限制邊幫圍巖變形程度，也是保證切槽卸壓效果的必要條件。因此，選擇合理的支護(hù)參數(shù)，采取“強(qiáng)—弱—強(qiáng)”的支護(hù)體系，可以有效控制巷道底板底鼓，保證工作面安全高效開采。

圖5 底板切槽后強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)示意圖

4 巷道底鼓控制方法

2306回風(fēng)巷底板主要為軟弱泥巖，平均厚度3.5 m，導(dǎo)致巷道底板底鼓量較大，通過前述分析，最大底鼓量可達(dá)270 mm。通過現(xiàn)場觀測，巷道底板兩幫部位鼓起較為嚴(yán)重，底板混凝土層已遭受破壞，同時(shí)實(shí)體煤側(cè)巷道邊壁存在破斷片幫情況，為此對于底鼓的防治，首先應(yīng)控制巷道頂板及兩幫變形的發(fā)展，再針對巷道底板實(shí)施切槽卸壓工藝。為保障巷道頂板及兩幫的穩(wěn)定性，需對原支護(hù)方式進(jìn)行改進(jìn)，為此針對2306回風(fēng)巷道提出錨索+錨桿+網(wǎng)帶聯(lián)合支護(hù)方法，在此基礎(chǔ)上對于頂板與實(shí)體煤幫注射高分子材料進(jìn)一步加固以控制巷道變形。兩幫錨桿間距由原來的900 mm縮小至750 mm，每側(cè)增加1根錨桿，頂板采取錨桿、索間隔支護(hù)方式，兩側(cè)每兩根錨桿間布設(shè)兩根錨索，巷道頂板中間部位每兩根錨桿間各布設(shè)1根錨索；同時(shí)，巷幫側(cè)采用鋼板網(wǎng)支護(hù)，巷道頂板采用金屬網(wǎng)支護(hù)，改進(jìn)后的巷道斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后巷道頂幫支護(hù)結(jié)構(gòu)圖(mm)

頂幫支護(hù)完成后，對巷道底板實(shí)施切槽卸壓方案，卸壓槽布置方法見圖7。卸壓槽深度為3 m，切槽寬度為40 cm，在巷道底板兩幫共布置兩個(gè)切槽孔，傾角為90°，孔直徑73 mm，距離巷道邊幫為1 m，為防止巷道水涌入卸壓槽，槽內(nèi)使用碎屑進(jìn)行充填，并在卸壓槽附近布設(shè)水泵用以疏排槽內(nèi)積水，同時(shí)鋪設(shè)混凝土地坪，保證底板巖層的有效強(qiáng)度。

圖7 卸壓槽布置方法圖(mm)

5 巷道底鼓控制效果分析

研究提出的巷道頂幫支護(hù)改進(jìn)方法及底板切槽卸壓控制底鼓方法在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)，為了驗(yàn)證該技術(shù)方法的可靠性，在超前工作面250 m范圍內(nèi)，對于巷道內(nèi)試驗(yàn)段與非試驗(yàn)段進(jìn)行了頂幫及底鼓位移監(jiān)測，測點(diǎn)布置情況見圖8，其中A測點(diǎn)試驗(yàn)段，B測點(diǎn)為非試驗(yàn)段，監(jiān)測周期為1個(gè)月。

圖8 巷內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)布置圖

位移監(jiān)測結(jié)果如圖9所示，通過改進(jìn)支護(hù)工藝結(jié)合切槽卸壓方法，試驗(yàn)段A測點(diǎn)巷道底板底鼓量、頂板下沉量及兩幫位移量最大值分別為126 mm、95 mm與112 mm，未卸壓段B測點(diǎn)巷道底板底鼓量、頂板下沉量及兩幫位移量最大值分別為273 mm、130 mm與150 mm，底鼓量降低約53.8%，頂板下沉量降低約26.9%，兩幫位移量降低約25.3%，在措施實(shí)施20 d后底鼓趨于穩(wěn)定，25 d后頂板變形趨于穩(wěn)定，取得了良好的控制效果。

圖9 位移監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié) 語

1) 通過理論分析，巷道底板破壞寬度為1.65 m，底鼓量為270 mm，受采動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)烈影響，在底板兩幫剪切力的作用下，致使底板軟弱巖體沿剪切面凸起形成底鼓。

2) 切槽的存在可改變巷道底板應(yīng)力分布狀態(tài)，將底板深部巖層中釋放的變形能進(jìn)行有效吸收，減小了對巷道底板的作用強(qiáng)度，從而限制巷道底鼓變形的發(fā)展程度。

3) 研究改進(jìn)了現(xiàn)用支護(hù)結(jié)構(gòu)，提出了巷道頂幫采用錨索+錨桿+網(wǎng)帶聯(lián)合支護(hù)方法，以及切槽卸壓控制底鼓方法。通過現(xiàn)場實(shí)踐，底鼓量降低約53.8%，頂板下沉量降低約26.9%，兩幫位移量降低約25.3%，取得了良好的控制效果。