山寨煤礦高應(yīng)力巷道底板動(dòng)態(tài)控制方法

路廣安

（華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司山寨煤礦，甘肅 平?jīng)?744112）

山寨煤礦深部圍巖處于高地應(yīng)力、高瓦斯、高地溫等環(huán)境中，并伴有沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害[1-3]。沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生導(dǎo)致巷道變形和人員傷亡，深部煤巖體因開采活動(dòng)及水的影響，煤巖體力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。巷道圍巖的內(nèi)部破壞嚴(yán)重，巷道底板穩(wěn)定性較差。以山寨煤礦3506 巷道開挖誘發(fā)底板沖擊為工程背景，采用理論分析，研究巷道底鼓特征及能量變化規(guī)律，利用鉆孔窺視記錄儀研究巷道圍巖內(nèi)部破壞特征，確定圍巖松動(dòng)圈大小，提出了大直徑鉆孔底板卸壓與多級(jí)聯(lián)合支護(hù)方法。

1 工程背景

山寨煤礦3506 工作面埋深572～628 m，所采煤層為5 煤，屬褐煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含夾矸0～3 層，夾矸厚0～0.57 m，煤層均厚21.0 m，煤層平均傾角25°左右。煤的單軸抗壓強(qiáng)度2.68～19.28 MPa，平均為10.77 MPa，抗拉強(qiáng)度0.26～1.53 MPa。經(jīng)沖擊傾向性鑒定，煤層沖擊傾向性為弱沖擊，頂板沖擊傾向性為弱沖擊。煤層為Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期21 d。工作面?zhèn)雾敒樯百|(zhì)泥巖，厚度0.5 m，層狀結(jié)構(gòu)，易脫落，部分石英砂巖較硬；直接頂為泥巖，厚度約20 m；老頂以硬巖為主，弱含水層，屬富水異常區(qū)。巷道底板巖性以泥巖、碳質(zhì)泥巖為主，直接底為泥巖，厚度約4 m，如圖。巷道掘進(jìn)過程中，巷道幫部變形和底鼓嚴(yán)重。

圖1 3506 工作面示意圖

2 巷道底鼓臨界應(yīng)力分析

巷道開挖后，應(yīng)力通過巷道兩幫向底板轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力高于初始應(yīng)力[4-7]。底板積累大量彈性應(yīng)變能，容易誘發(fā)底板沖擊地壓。經(jīng)過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試表明，巷道肩角應(yīng)力在12 MPa，底板應(yīng)力在20 MPa，巷道兩幫和頂板峰值應(yīng)力在19 MPa，巷道底板、兩幫和底板應(yīng)力集中較大。巷道開挖后，應(yīng)力重新分布，底板應(yīng)力通過兩幫向底板傳遞，底板發(fā)生底鼓。若巷道頂板瞬間傳遞較大應(yīng)力，巷道底板會(huì)發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象。底板變形應(yīng)力分析如圖2 所示，巷道開挖后底板變形破壞主要由水平應(yīng)力引起，底板極易發(fā)生沖擊地壓。巷道底板寬度記為L，以單位長度進(jìn)行應(yīng)力分析。

圖2 底板變形應(yīng)力分析

在巷道開挖過程中，爆破、頂板移動(dòng)、鄰近工作面開采等采動(dòng)擾動(dòng)對(duì)巷道圍巖變形破壞規(guī)律的影響與靜載圍巖有一定區(qū)別。通過對(duì)巷道底板軟弱巖層厚度、極限應(yīng)力和能量演化分析，得出巷道底板沖擊地壓的主要原因是底板高水平應(yīng)力和底板臨界面附近較厚軟弱巖層積累的高能量造成。為防治沖擊地壓發(fā)生，對(duì)底板進(jìn)行卸壓，減小巷道底板的應(yīng)力，增加頂板和幫部的支護(hù)強(qiáng)度，提出大直徑卸壓和多級(jí)聯(lián)合支護(hù)，在底板處進(jìn)行大直徑鉆孔減壓。

3 鉆孔窺視

根據(jù)巷道施工情況，在3506 工作面運(yùn)輸巷道距離巷道迎頭100 m、150 m、200 m 距離處設(shè)置3個(gè)探測段，標(biāo)記為a、b、c 段，每個(gè)探測段布置4個(gè)探測孔，分別為頂板鉆孔、巷道兩幫鉆孔、底板鉆孔。鉆孔直徑為32 mm，鉆孔長度為7 m，對(duì)巷道周圍松動(dòng)圈大小進(jìn)行探測。

巷道開挖速度為10 m/d。利用鉆孔窺視記錄儀探測巷道圍巖破壞情況，分析巷道圍巖的裂隙分布。采用樣條曲線將相鄰鉆孔之間的裂縫區(qū)域連接起來，將裂縫區(qū)域之間的區(qū)域視為完整區(qū)域，鉆孔窺視結(jié)果如圖3。巷道圍巖的破裂區(qū)域沿鉆孔軸線方向從其寬度開始逐漸縮小。巷道a 段、b 段、c 段可分別劃分為2 個(gè)、2 個(gè)、3 個(gè)裂隙區(qū)。巷道圍巖破壞在1～2 m 范圍內(nèi)最為嚴(yán)重，破壞以破碎和壓裂為主，該范圍破壞區(qū)域稱為松散區(qū)。第2 個(gè)斷裂圈為3～4.5 m，主要為裂縫和裂隙；第3 個(gè)裂縫圈為5.5～6 m，主要為松散裂隙區(qū)。a 段和b 段的巷道圍巖只有少量裂縫。通過對(duì)巷道圍巖裂縫對(duì)比，巷道底板的裂縫分布比巷道頂板和兩幫的裂縫分布更嚴(yán)重。

圖3 鉆孔窺視結(jié)果

對(duì)于巷道底板破壞的原因，從巷道巖性來看，巷道頂板厚砂層、底板砂質(zhì)泥巖承載力較低；從巷道支護(hù)措施來看，采用錨桿、錨索、錨網(wǎng)等支護(hù)方式對(duì)巷道頂板和幫部進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，在開挖巷道過程中使巷道圍巖由三維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S應(yīng)力狀態(tài)，底板沒有支護(hù)導(dǎo)致底板抵抗變形和破壞的能力較低。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

通過對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性和破壞特征的分析，采用原有支護(hù)參數(shù)可保持巷道頂板和幫部的完整性和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)主要針對(duì)巷道底板，提出了“錨桿索-注漿-回填”的巷道底板動(dòng)態(tài)控制方法。根據(jù)山寨煤礦具體生產(chǎn)條件，確定3506 回風(fēng)巷斷面寬度5.4 m，凈高3.6 m，具體支護(hù)方案如圖4 所示。

圖4 3506 回風(fēng)巷斷面支護(hù)示意圖（mm）

采用長短錨索+錨桿梯次支護(hù)，整體排距800 mm。沿巷道走向按“7-2-7-3”布置錨桿、長短錨索。一排7 根高強(qiáng)錨桿（Φ22 mm×2800 mm）配套一節(jié)5400 mm 長7 孔M4 鋼帶聯(lián)合支護(hù)，一排2 根短錨索（Φ21.6 mm×5300 mm）配套一節(jié)3000 mm長2 孔錨索梁聯(lián)合支護(hù)。錨索梁規(guī)格為20 號(hào)槽鋼，孔距2400 mm，兩端各300 mm，以巷道中心為對(duì)稱軸對(duì)稱布置。一排3 根長錨索（Φ21.6 mm×7300 mm）配套大托盤（400 mm×400 mm×20 mm）支護(hù)，間距1500 mm，左右兩根錨索向外傾斜15°，以巷道中心對(duì)稱布置。

巷道底板主要支護(hù)參數(shù)為開挖巷道底板下方600 mm 以內(nèi)的巖體。采用左旋高強(qiáng)注漿錨桿支護(hù)巷道底板，錨桿規(guī)格為Φ25 mm× 2400 mm，間距為1000 mm，注漿壓力為2.3～3.4 MPa。對(duì)巷道底板進(jìn)行澆筑，以保持底板的平整度和完整性。注漿材料選用PO42.5 鋁硅酸鹽水泥單體漿體，水灰比為1:2.5。采用強(qiáng)度等級(jí)為C40 的混凝土回填巷道底板，底板澆筑示意圖如圖5 所示。另外，根據(jù)巷道實(shí)際掘進(jìn)情況，在巷道工作面后50～70 m 處進(jìn)行巷道底板加固，可有效緩解巷道底板應(yīng)力效應(yīng)；對(duì)裂隙巖體進(jìn)行注漿膠結(jié)，可提高巷道底板的整體承載力。施工巷道底板卸壓鉆孔，鉆孔間距為400 mm，鉆孔直徑為200 mm，鉆孔深度為10 m。

圖5 底板澆筑示意圖

5 效果分析

開挖后巷道圍巖變形進(jìn)入活躍期，頂板下沉、巷道幫部變形和底鼓較為明顯。隨著巷道開挖，巷道底板應(yīng)力有所改善。巷道底板注漿支護(hù)后，底板變形速率由1.4 mm/d 逐漸變?yōu)?.43 mm/d。巷道底板變形由快速變形階段過渡到緩慢變形階段，最終趨于穩(wěn)定。底板巖性對(duì)巷道頂板和幫部的變形有較好的控制作用，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定和安全。通過底板支護(hù)切斷水平應(yīng)力傳遞，巷道采用大直徑卸壓措施后，巷道底板變形較小，沖擊地壓顯現(xiàn)較少。

如圖6 所示，隨著巷道掘進(jìn)時(shí)間的變化，巷道表面位移逐漸增加。巷道掘進(jìn)90 d 后，巷道頂板下沉量為60 mm 左右，底鼓量為90 mm 左右，兩幫移進(jìn)量為140 mm，巷道卸壓和支護(hù)效果較好。

圖6 巷道表面位移曲線圖

6 結(jié)論

1）防治底板沖擊地壓的有效手段是采取卸壓措施釋放底板應(yīng)力，采用支護(hù)手段切斷應(yīng)力傳遞路徑，防治底板大變形，從而降低底板沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)。

2）綜合分析掘進(jìn)巷道底板沖擊地壓機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出大直徑鉆孔和多級(jí)聯(lián)合支護(hù)卸壓的方法。