深部軟巖大斷面巷道底鼓防治技術(shù)應(yīng)用

楊茂青

（山西潞安環(huán)能上莊煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200）

隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，礦井逐漸向深部開采，巷道圍巖控制更為困難，特別是巷道斷面大、圍巖松軟時，圍巖變形大、控制難度也大，成為制約巷道高效掘進以及安全使用的重要因素［1-3］。深部大斷面軟巖巷道受斷面大、埋深大、采掘動壓等多因素影響，圍巖變形破壞機理復(fù)雜，給巷道圍巖支護設(shè)計以及掘進施工帶來明顯制約［4-5］。底鼓是巷道圍巖變形破壞主要類型之一，底鼓會給巷道運輸、行人、通風(fēng)等帶來顯著影響［6-7］。為有效治理深部軟巖大斷面巷道底鼓現(xiàn)象，以上莊礦11503工作面回風(fēng)順槽底鼓治理為工程背景，對底鼓產(chǎn)生原因進行分析，并提出以改善圍巖受力（優(yōu)化煤柱寬度）、強化頂板、巷幫支護為核心的底鼓治理技術(shù)，必要時輔助采用底板注漿技術(shù)對底鼓進行治理，現(xiàn)場取得較好應(yīng)用效果。

1 工程概況

上庒1503工作面開采15#煤層，厚度8.9 m，煤層埋深均值650 m，采用綜放開采工藝，全部垮落法管理頂板。15#煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層硬度0.5～1.6，中部靠上位置夾2～5層炭質(zhì)泥巖、泥巖。11503工作面設(shè)計面長200 m、推進長度1 983 m，采煤機割煤高度為3.5 m，放煤高度控制在5.4 m左右。15#煤層頂?shù)装鍘r性以炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖等為主，具體巖性參數(shù)如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

11503回風(fēng)巷沿著15#煤層底板掘進，巷道為矩形斷面，采用綜掘方式、錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式控制圍巖，巷道設(shè)計掘進長度為2 033 m。11503回風(fēng)巷與鄰近的11501采空區(qū)之間留設(shè)有6 m護巷小煤柱，巷道在掘進至150 m位置時出現(xiàn)嚴(yán)重底鼓問題，最大底鼓量達895 mm，底鼓制約了巷道掘進及后續(xù)使用。

2 巷道底鼓特征及影響因素分析

2.1 底鼓特征

11503回風(fēng)巷在掘進至150 m范圍時出現(xiàn)嚴(yán)重底鼓問題并伴隨巷道收斂，回風(fēng)巷圍巖變形嚴(yán)重。在巷道掘進迎頭向底板布置窺視鉆孔對底鼓變形進行監(jiān)測，得到的巷道底板巖層變形曲線如圖1所示。

圖1 巷道底板巖層變形曲線

從監(jiān)測結(jié)果看出：①11503回風(fēng)巷底板上存在有零位移點（N0點），該點位于巷道底板下方約1.38 m處，在N0點以上區(qū)域巖層受拉并表現(xiàn)出上移趨勢、N0點以下區(qū)域巖層受壓并表現(xiàn)出下移趨勢；巷道底板巖層具備的上升趨勢最終表現(xiàn)為底板底鼓。②隨著深度增加上升區(qū)巖體位移呈現(xiàn)降低趨勢，下降區(qū)位移呈先增加后降低趨勢，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 影響因素分析

巷道底鼓主要受圍巖巖性、圍巖應(yīng)力、圍巖強度以及支護方式等因素影響。

（1）圍巖強度。11503回風(fēng)巷沿著15#煤層底板掘進，巷道頂板及巷幫均為煤體，底板為承載能力以及穩(wěn)定性等相對較差的炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖。底板巖層在掘進以及鄰近采空區(qū)引起的應(yīng)力作用下極易出現(xiàn)剪切破壞，進而出現(xiàn)底板底鼓。

（2）圍巖應(yīng)力。11503回風(fēng)巷埋深650 m，巷道圍巖承受較大的垂向以及側(cè)向應(yīng)力，由于巷道底板未采取任何支護措施且底板強度較低，底板在較低水平應(yīng)力作用下即會出現(xiàn)剪切破壞，導(dǎo)致底鼓發(fā)生；同時回風(fēng)巷與鄰近的11501采空區(qū)間僅留設(shè)6 m寬護巷煤柱，由于煤柱寬度小、承載能力差，會進一步增加煤柱幫及底板變形量。

（3）11503回風(fēng)巷原采用錨網(wǎng)索支護方式，采用錨桿規(guī)格為?18 mm×2 200 mm，均垂直巷幫、頂板布置，底板未支護。由于支護采用的錨桿長度較短，對頂板及巷幫支護強度較小且無法實現(xiàn)對巷道靠近底板幫角位置進行有效支護，整體支護效果較差；底板未支護且強度較低，在水平應(yīng)力作用下容易破斷并向巷道內(nèi)運移，出現(xiàn)底鼓。

3 底鼓防治技術(shù)措施

通過上述分析得出，11503回風(fēng)巷底鼓的主要原因是底板強度低（承載能力及穩(wěn)定性差）、原有支護參數(shù)不合理以及小煤柱無法起到必要的支撐作用。增強底板穩(wěn)定性最為常見的措施為施工底板錨桿、錨索、注漿等方式，但是均存在施工難度大、工作量大等問題［8-10］。由于采面回風(fēng)巷主要作用是回風(fēng)，保證巷道斷面滿足通風(fēng)要求，少量底鼓不會給巷道使用以及后續(xù)生產(chǎn)帶來影響，為此該巷道底鼓防治措施主要從改善圍巖受力、強化頂板及巷幫支護等方面出發(fā)，具體措施包括留設(shè)合理區(qū)段煤柱、巷道支護參數(shù)優(yōu)化。

3.1 留設(shè)合理區(qū)段煤柱

采取措施前，11503回風(fēng)巷掘進進尺僅為150 m，調(diào)整區(qū)段煤柱寬度不會給后續(xù)11503綜采工作面生產(chǎn)帶來影響。但由于15#煤層厚度大，區(qū)段煤柱留設(shè)過大會導(dǎo)致資源浪費。因此區(qū)段煤柱寬度通過數(shù)值模擬方式以及工程類比方式確定。采用數(shù)值模擬后，得到巷道底鼓量隨區(qū)段煤柱寬度變化曲線如圖2所示。

圖2 巷道底鼓量隨區(qū)段煤柱寬度變化曲線

從圖2看出：①隨著區(qū)段煤柱寬度增加，回風(fēng)巷底鼓量呈先減少后增加趨勢，其中區(qū)段煤柱寬度在4 m以內(nèi)時，巷道底鼓量均在975 mm以上。②當(dāng)區(qū)段煤柱寬度增加至10 m時，巷道底鼓量降低至325 m；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度增加至12 m時巷道底板底鼓量則又增加至412 mm，隨著區(qū)段煤柱寬度增加巷道底鼓量呈現(xiàn)小幅增加趨勢。③當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為20 m時，巷道底板底鼓量為320 m。綜上所述，將煤柱寬度控制在10 m左右時，巷道底鼓量較小且煤柱寬度較為經(jīng)濟。

礦井北翼3采區(qū)31507回風(fēng)巷生產(chǎn)條件與11503回風(fēng)巷條件類似，31507回風(fēng)巷留設(shè)區(qū)段煤柱寬度為10 m，巷道底鼓量較小，類比可知，將11503回風(fēng)巷區(qū)段煤柱寬度由6 m增加至10 m是可行的，通過適當(dāng)增加煤柱寬度可緩解巷道底鼓問題。

3.2 巷道支護參數(shù)優(yōu)化

對11503回風(fēng)巷原有巷道支護參數(shù)進行優(yōu)化，具體優(yōu)化技術(shù)方案為：巷幫支護由?18 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿優(yōu)化為?22 mm×2 800 mm水力膨脹式錨桿；頂板用?22 mm×3 100 mm水力膨脹式錨桿支護；巷幫及頂板錨桿均全長錨固，提高錨桿支護效果。將原有的?18 mm×6 200 mm鋼絞線錨索優(yōu)化為?22 mm×7 500 mm鋼絞線錨索。頂板兩側(cè)錨桿以30°外插角布置，巷幫頂部錨桿及下部錨桿分別采用30°、45°外插角布置，通過強化巷幫肩角以及底角處巖體支護強度，降低圍巖變形量。優(yōu)化后的巷道支護斷面如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后巷道支

圖4 底鼓量監(jiān)測曲線

3.3 底板注漿

由于底板注漿工程量大、耗時長，因此在底板條件較好時不采用，僅局部地段巷道底板變形嚴(yán)重時，在底板起底后采用注漿方式對底板進行加固。注漿采用普通水泥漿，注漿深度控制在3 m以內(nèi)，注漿壓力4～8 MPa，注漿漿液水灰比為2:1。注漿漿液在注漿壓力作用下沿著裂隙擴展，膠結(jié)后可明顯提高底板強度及承載能力，從而顯著減少巷道底鼓量。

3.4 應(yīng)用效果

11503回風(fēng)巷采取底鼓治理措施后，間隔100 m布置2個測站，對底鼓變形量進行監(jiān)測。具體監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。從監(jiān)測結(jié)果看出，隨著時間增加，巷道底鼓量逐漸平穩(wěn)，最終到20d后底鼓量最大為188 mm，底鼓量不會影響回采巷正常使用。

4 結(jié)論

1）11503回風(fēng)巷底鼓量影響因素主要包括圍巖應(yīng)力、圍巖巖性、支護參數(shù)等，具體而言回風(fēng)巷留設(shè)的區(qū)段煤柱過小、巷道底板炭質(zhì)泥巖及鋁質(zhì)泥巖承載能力過低、巷道原有支護參數(shù)不合理是導(dǎo)致回風(fēng)巷底鼓的主要原因。

2）依據(jù)回風(fēng)巷現(xiàn)場實際條件綜合采用數(shù)值模擬、工程類比法確定將11503回風(fēng)巷區(qū)段煤柱留設(shè)寬度由6 m增加至10 m，通過提高煤柱支護及穩(wěn)定性，以便降低煤柱幫以及底板變形量；對巷道支護采用的錨桿、錨索支護參數(shù)進行優(yōu)化，通過提高頂板、巷幫支護強度并強化巷幫幫肩、底角位置巖體支護，降低圍巖變形量。在巷道底鼓嚴(yán)重區(qū)域，采用注漿方式增強底板巖體強度，降低底鼓量。

3）現(xiàn)場應(yīng)用實踐表明，11503回風(fēng)巷采用底鼓防治措施后，底鼓變形嚴(yán)重問題得以有效解決，現(xiàn)場應(yīng)用取得較好效果。