深部開采軟巖巷道底臌機(jī)理及其控制

張迷魁

（陽(yáng)泉煤業(yè)有限責(zé)任公司 五礦，山西 陽(yáng)泉045000）

隨著煤礦開采深度的不斷增加，深部開采軟巖巷道支護(hù)成為影響煤礦建設(shè)與生產(chǎn)的重要因素。深部軟巖巷道支護(hù)實(shí)踐可知，深部軟巖巷道存在地壓大、巷道易破壞、支護(hù)難度大、底臌明顯等特點(diǎn)，尤其是軟巖巷道底臌往往成為制約巷道行人、運(yùn)料和通風(fēng)的主要問(wèn)題〔2〕。隨著開采深度的不斷增加，山西也開始面臨著這個(gè)問(wèn)題。近年來(lái)，部分國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者一直致力于深部軟巖巷道底臌機(jī)理和控制研究，并根據(jù)其研究成果總結(jié)出了相關(guān)理論，這些研究成果為指導(dǎo)深部軟巖巷道支護(hù)提供了一定的理論基礎(chǔ)。但是，各個(gè)礦井地質(zhì)條件差別較大，巷道圍巖變形影響因素彼此不同，這樣采用相同的巷道支護(hù)理論和方法往往難以奏效。2204工作面目前開采深度為840～860m，工作面圍巖軟弱易變形，在回采過(guò)程中需要不斷地拉底確保通風(fēng)斷面，嚴(yán)重的阻滯了工作面正常推進(jìn)?，F(xiàn)以該礦工作面為研究對(duì)象，對(duì)深部開采軟巖巷道底臌機(jī)理進(jìn)行研究，并據(jù)此提出相應(yīng)的底臌控制方案以指導(dǎo)該工作面開采。

1 工作面概況

2204工作面所采煤層為二疊系山西組己16、己17煤。該煤層距離石炭系太原組頂部灰?guī)r9～18m，煤層厚度2.95～3.85m，煤層傾角5°～13°。該工作面范圍煤層埋深為840～860m，工作面整體屬于穩(wěn)定可采厚煤層工作面。2204工作面沿底板掘進(jìn)，直接頂為厚2～2.5m的泥巖～砂質(zhì)泥巖，基本頂為6.2～8.4m的砂質(zhì)泥巖－煤線－中、細(xì)粒砂巖，直接底為1.2～2.5m的塊狀炭質(zhì)泥巖－泥巖，基本底為4.6～6.5m的厚層狀砂質(zhì)泥巖－細(xì)粒砂巖。該工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)度為1350m，可采傾斜長(zhǎng)度為145m，采用綜合機(jī)械化開采，采場(chǎng)支架型號(hào)為ZY4000－17／37型掩護(hù)式支架。工作面通風(fēng)方式為一進(jìn)兩回，即由運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷和瓦排巷回風(fēng)，巷道斷面設(shè)計(jì)尺寸（寬×高）為4200mm×3900mm，支護(hù)方式采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)。由于該工作面圍巖軟弱，尤其是底板炭質(zhì)泥巖－泥巖強(qiáng)度低、遇水易膨脹，在采掘期間變形顯著，2個(gè)月的時(shí)間底臌量可達(dá)450mm以上，給工作面的通風(fēng)、運(yùn)料和行人帶來(lái)了極大的問(wèn)題，不得不采用“前掘進(jìn)、后臥底”的方式進(jìn)行巷道掘進(jìn)和“邊回采、邊臥底”的方式進(jìn)行回采。

2 巷道圍巖變形規(guī)律

為了掌握2204工作面回采巷道變形規(guī)律，以該工作面回風(fēng)巷為研究對(duì)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。在工作面煤壁前方110m和111m位置布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，即11＃、12＃測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1）。采用“十字交叉”法對(duì)兩測(cè)點(diǎn)變形量進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)頻率為2次／天。

圖1 2204工作面巷道布置及測(cè)點(diǎn)布置示意

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行繪圖，由圖2和圖3可知，隨著2204工作面的不斷推進(jìn)，該工作面回風(fēng)巷圍巖變形量逐漸增大，觀測(cè)期間頂?shù)装謇塾?jì)變形量為570～590mm，兩幫累計(jì)變形量為610～615mm，底臌量為490～510mm，其中在距離煤壁60～40m范圍時(shí)，圍巖變形開始顯著增大，底板變形速率可達(dá)41mm／d，兩幫變形速率可達(dá)65 mm／d；在距離煤壁15～0m范圍時(shí)，回風(fēng)巷圍巖變形進(jìn)一步加劇，底臌量和兩幫移近量呈線性變形。由上述分析可知，控制2204工作面回風(fēng)巷變形的關(guān)鍵在于控制底板變形，如若能夠?qū)⒌纂靠刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，不僅可以大幅度的降低臥底的勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)提高巷道穩(wěn)定性，降低兩幫變形，提高工作面回采速度也有著積極意義。

圖2 11＃測(cè)點(diǎn)表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 12＃測(cè)點(diǎn)表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)

3 巷道底臌影響因素

由2204工作面回風(fēng)巷變形規(guī)律可知，該工作面底板變形較明顯。分析認(rèn)為該工作面底臌影響因素主要為人的因素和環(huán)境的因素兩個(gè)方面。人的因素是指巷道支護(hù)方式、回采工藝的選擇、工作面的布置等。環(huán)境的因素主要指頂?shù)装鍑鷰r巖性、地應(yīng)力、地下水等。

1）開采實(shí)踐和理論研究表明，井巷底板巖層結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)往往決定著巷道底板變形的程度和類型，往往是底板圍巖強(qiáng)度越低，軟巖厚度越大，底板變形程度也越嚴(yán)重。2204工作面直接底為1.2～2.5m的塊狀炭質(zhì)泥巖－泥巖，基本底為4.6～6.5m的厚層狀砂質(zhì)泥巖－細(xì)粒砂巖，底板巖層整體屬于弱巖，強(qiáng)度較低，且工作面埋深較大，煤層上方應(yīng)力經(jīng)煤柱和煤體傳遞給底板，使巷道圍巖在底板中部隆起，形成底臌。

2）一般認(rèn)為，工作面埋深越大，巷道圍巖所受應(yīng)力也越大，巷道圍巖變形也越明顯。2204工作面埋深為840～860m，平均為845m，屬于深部開采，自重應(yīng)力超過(guò)15 MPa，集中應(yīng)力局部可達(dá)28MPa。工作面受到巨大的應(yīng)力作用，應(yīng)力通過(guò)煤柱和煤體轉(zhuǎn)化為水平應(yīng)力作用于巷道底板圍巖。工作面的底板巖層難以抗拒水平應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生剪切破壞和塑性變形，最終形成底臌。

3）巷道支護(hù)方式、回采工藝的選擇、工作面的布置是否科學(xué)合理，也是影響巷道底臌程度的重要因素。2204工作面巷道采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)，但只是對(duì)頂板和兩幫進(jìn)行維護(hù)，底板處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)，這對(duì)控制巷道圍巖變形尤其是底板變形極為不利。該工作面采用綜合機(jī)械化開采，采高較大，采動(dòng)擾動(dòng)較劇烈，采動(dòng)影響范圍和超前支承應(yīng)力較大，這些均有利于底臌的形成。

4）水理作用是影響巷道底臌程度的重要因素。對(duì)2204工作面回風(fēng)巷底板巖層進(jìn)行分析，得出炭質(zhì)泥巖～泥巖中粘土礦物質(zhì)含量可達(dá)65%～72%，其中蒙脫石、伊利石和高嶺土可達(dá)4%～28%、15%～32%和22%～31%。這類粘土類礦物遇水易發(fā)生水理作用，即遇水易膨脹泥化。己16、1722041工作面回風(fēng)巷地表散水較多，主要來(lái)自鉆場(chǎng)滲水、頂板淋水、噴霧灑水等，這些散水的存在促進(jìn)了底臌的形成。尤其是底板在應(yīng)力作用下開裂后，散水進(jìn)一步深入到底板巖層深部，進(jìn)一步降低了底板巖層的強(qiáng)度。

5）在2204工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，共揭露大小斷層9個(gè)，這些斷層的存在不同程度的破壞了巷道圍巖的強(qiáng)度和整體性，進(jìn)一步加劇了回風(fēng)巷底板巖層的破碎程度，這也會(huì)一定程度的促進(jìn)底板變形加劇。

3 巷道底臌控制方案

3.1 底臌控制措施

目前，工作面回采巷道底臌治理的方法主要是底板加固、卸壓和臥底。其中底板加固和臥底屬于被動(dòng)式底臌控制措施，卸壓屬于主動(dòng)式控制措施。底板加固常用的方法為打設(shè)底錨桿、封閉性支架、底板注漿等。底板卸壓包括挖卸壓槽、打釋放孔等。選擇底臌治理方法應(yīng)根據(jù)巷道實(shí)際情況進(jìn)行確定。一般情況下，被動(dòng)式控制方法往往適應(yīng)于巷道圍巖條件較好，巷道自穩(wěn)性較高的底板控制。主動(dòng)式支護(hù)是指通過(guò)改變應(yīng)力狀態(tài)促使底板所受應(yīng)力降低進(jìn)而確保底板穩(wěn)定的方法，適應(yīng)范圍較廣?？紤]到2204工作面屬于深部開采，且巷道圍巖軟弱，底板圍巖遇水易膨脹，原支護(hù)結(jié)構(gòu)難以保證巷道的穩(wěn)定性，故認(rèn)為應(yīng)采取復(fù)合式控制方式治理底臌。具體方案如下：

（1）加強(qiáng)2204工作面回風(fēng)巷散水治理。將回風(fēng)巷散水引至挖好的水槽內(nèi)，并利用風(fēng)泵外排，確保散水不會(huì)對(duì)巷道底板進(jìn)行侵蝕。

（2）考慮到2204工作面回風(fēng)巷底板圍巖軟弱、節(jié)理裂隙發(fā)育，且尚未進(jìn)行任何支護(hù)，故應(yīng)從提高底板圍巖強(qiáng)度和完整性來(lái)控制底臌。經(jīng)研究，決定采用中空注漿錨桿進(jìn)行底板圍巖加固。注漿錨桿規(guī)格為Φ22×2200mm，間排距頂板和幫錨桿相同，即800mm×800mm，其中邊錨桿距巷幫500mm（見(jiàn)圖4）。

（3）采用200?；炷翆?duì)底板進(jìn)行澆筑，澆筑厚度以覆蓋注漿錨桿外露端為準(zhǔn)。

3.2 巷道底臌控制效果分析

為了掌握2204工作面回風(fēng)巷底臌治理效果，在煤壁前方100m范圍內(nèi)布置兩組測(cè)點(diǎn)，采用“十字交叉”法對(duì)測(cè)點(diǎn)變化情況進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果表明，該工作面回風(fēng)巷兩幫變形量為430～450mm，為未支護(hù)前的69.8%左右；底臌量為120～135mm，僅為未支護(hù)前的23.5%左右。通過(guò)散水治理，打設(shè)注漿錨桿和底板混凝土澆筑，有效地控制了2204工作面回風(fēng)巷底板變形程度，提高了巷道的穩(wěn)定性。

圖4 底臌控制巷道支護(hù)示意

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于深部開采，軟巖巷道底臌治理是保證工作面正?；夭傻年P(guān)鍵。2204工作面在高地應(yīng)力、水理作用、圍巖軟弱、開采擾動(dòng)等多重因素的影響下，回風(fēng)巷底臌可達(dá)490～510mm，嚴(yán)重制約了該工作面的高效開采。通過(guò)采用散水治理，打設(shè)注漿錨桿和底板混凝土澆筑，有效地避免了巷道底板圍巖受到水理作用影響，提高了巷道底板圍巖強(qiáng)度和整體性，大幅度降低了巷道底臌量，對(duì)于此類巷道底臌治理具有一定的推廣意義。

〔1〕劉成明，陳旱生.復(fù)雜巷道底臌治理技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐〔J〕.煤炭技術(shù)，2009，28（12）：161－162.

〔2〕王衛(wèi)軍，侯朝炯.回采巷道底臌力學(xué)原理及控制新進(jìn)展〔J〕.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，18（1）：1－6.

〔3〕桑普天，唐百曉.級(jí)軟圍巖條件下巷道底臌治理加固技術(shù)研究〔J〕.混凝土與水泥制品，2011，（5）：62－64.