鑫基煤業采動影響下皮帶大巷底鼓控制技術研究

謝世豪

（山西煤炭運銷集團沁水鑫基煤業有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西煤炭運銷集團沁水鑫基煤業井田位于沁水盆地南緣，太行山南段西側，礦井生產規模120萬t/a，目前正在進行2#煤層的采掘作業。2#煤層穩定，煤層厚度為3m。2#煤層直接頂板多為砂質泥巖、泥巖或粉砂巖，一般厚約2.50m，直接頂下常有約0.5m的灰色泥巖或炭質泥巖偽頂，基本頂為砂質泥巖或中細砂巖，厚約3.00m；底板巖性多為泥巖、砂質泥巖或粉砂巖，一般厚2.82m。2#煤層的2101首采工作面與三條大巷相鄰，工作面與皮帶大巷間煤柱寬度為30m，如圖1所示。2101工作面采用綜采一次采全高的采煤方法，全部垮落法管理頂板。2101工作面回采初期，對應位置臨近的皮帶大巷圍巖出現明顯的失穩變形，為防止皮帶大巷圍巖的進一步失穩破壞，需對其加固技術展開研究。

圖1 皮帶大巷布置示意圖

2 皮帶大巷底鼓機理研究

2.1 皮帶大巷原有支護方案

鑫基煤業2#煤層皮帶大巷斷面采用直墻半圓拱形，巷道斷面凈寬度為4.8m，直墻高度1.6m，掘進高度為4.0m，采用錨網噴支護。頂板錨桿采用直徑為18mm、長度為2100mm的硬質螺紋鋼錨桿，錨桿間排距均為700mm。頂板錨桿采用菱形布置方式，錨桿沿巷道中心線對稱布置，安裝角度根據安裝的位置調整，基本垂直巖壁施工，每排七根錨桿，采用鋼筋網護表。兩幫錨桿規格與頂板錨桿相同，間排距均為700mm，最低一排錨桿距離巷道底板300mm。錨桿錨固參數：頂板和兩幫的錨桿均采用一支Z2360樹脂藥卷，預緊力不小于100N·m，錨固力不小于70kN。頂板錨索采用長度為7300mm、直徑為15.24mm的1×8應力鋼絞線，托盤為鋼槽，錨索采用三排“五花”布置，間排距為2100×1400mm，每根使用樹脂錨固劑MSCK23/60、MSZ23/80各一支，外露150～250mm，底板末采取支護措施。皮帶大巷支護斷面如圖2所示。

圖2 皮帶大巷支護斷面圖

2.2 皮帶大巷圍巖變形機理

為詳細了解采動影響下皮帶大巷圍巖位移的具體情況，在現場進行圍巖位移監測。典型的破壞形式如圖3（a）所示。主要的變形破壞特征：拱頂水泥混凝土噴層大片開裂脫落，多處出現網兜現象，網兜最大高度為300mm；巷道兩幫表面較完整，局部出現輕微的開裂，兩幫移近量維持在200mm以下；皮帶大巷底鼓變形最為明顯，圍巖明顯失穩區段長度約為200m，該巷段內底板底鼓量在800～1000mm的超過130m，局部底鼓量超過2200mm，底板中部底鼓量最大。

圖3 皮帶大巷圍巖破壞機理

根據皮帶大巷圍巖位移的特征，建立其圍巖受力模型如圖3（b）所示。皮帶大巷底板巖層為泥巖，主要由膨脹性和吸水性的高嶺石、伊利石等組成，底鼓類型屬于復合型底鼓。底板巖層由于地下水的影響使其吸水膨脹，在臨近工作面采動影響下，使圍巖內應力進一步提高，引起底板出現彎曲型和膨脹型底鼓，因此對于皮帶大巷的加固應從提高圍巖支護強度及防止地下水對底板的影響出發[1-2]。

3 皮帶大巷底鼓控制技術模擬研究

依據2#煤層皮帶大巷圍巖變形的特征和機理，結合以往的研究成果和生產經驗，對于皮帶大巷底板的加固提出以下三個方案。方案一：注漿加固；方案二：錨索加固；方案三：錨注聯合加固法。其中注漿漿液采用水泥漿，底板注漿范圍為2.5m。頂板和兩幫加固錨索采用直徑22mm、長度為6300mm的鋼絞線錨索，間排距為1500×1200mm。底板錨固加固采用規格為Ф22×L5500mm預應力鋼絞線錨索，底板錨索沿皮帶大巷長度方向成排布置，間排距為1200×1200mm，中線兩側的錨索垂直底板安裝，靠近兩幫底角處的錨索向外側傾斜15°安裝。

為具體分析皮帶大巷三種加固方式的支護效果，采用FLAC3D模擬軟件[3-4]，針對鑫基煤業2#煤層實際地質條件建立三維數值模型。模型尺寸長×寬×高=300×200×150m，皮帶大巷斷面為直墻半圓拱，巷道的支護形式如上節所述，整個模型的巖體選用摩爾—庫倫理想彈塑性模型。模擬注漿加固時改變已知漿液擴散范圍內煤巖體的模量和強度。模擬步驟：首先對三條大巷進行開挖，然后采用不同的支護形式，之后進行2101工作面的回采，觀察巷道的圍巖位移情況。典型的模擬結果如圖4所列。

圖4 不同加固方案下皮帶大巷圍巖應力應變變化規律

根據圖4所示結果可知，采用底板注漿措施后，巷道圍巖的塑性破壞范圍明顯較小，巷道頂板圍巖穩定性較好，兩幫和底板圍巖塑性破壞范圍較大，底板應力0～2MPa的降低區范圍僅為2m，底板底鼓量約為220mm；采用補打錨索加固時，巷道底板巖層塑性破壞范圍較小，兩幫的應力集中程度增加，但是頂板和兩幫的塑性破壞范圍及位移量明顯相對于注漿加固較高，底板底鼓量為150mm；當采用錨注聯合加固時，相比方案一和方案二，底板和兩幫圍巖的塑性破壞區明顯減小，底板圍巖內應力集中的范圍也明顯減小，底板底鼓量減小為48mm。綜上分析可知，采用方案三引起的圍巖受力狀態的變化對巷道圍巖穩定性的提高起著積極的作用，并且考慮到皮帶大巷的服務年限較長，選擇錨注聯合加固法進行加固。

4 現場應用及效果分析

4.1 皮帶大巷圍巖錨注聯合加固方案

在2101工作面影響皮帶大巷變形嚴重的巷段，底板注漿前首先對巷道進行臥底，臥底后對底板進行注漿加固。漿液為水泥漿，水灰比為1.8:1，注漿孔直徑為56mm，深度為2500mm，注漿孔采用“五花”布置，間排距均為1500mm，采用棉紗和水泥—水玻璃漿液進行封孔，注漿管采用鋁塑管，注漿壓力根據現場實際情況取1～2MPa。底板注漿孔的布置詳情如圖5（a）所示。

圖5 皮帶大巷圍巖加固措施

皮帶大巷底板進行注漿加固約三天后，對巷道圍巖采用錨索進行加固。底板錨索采用直徑22mm、長度5500mm的預應力鋼絞線錨索，靠近巷道中部的錨索垂直底板安裝，靠近兩幫的錨索向外側傾斜15°安裝，托盤采用300×330×16mm異形高強度拱形托盤，錨索間排距均為1200mm，錨索之間由直徑為20mm鋼筋制成的鋼筋托梁聯結，底板鋪設規格為2400×1300mm鋼筋網；頂板和兩幫的加固采用直徑22mm、長度為6300mm的鋼絞線錨索，錨索間距為1500mm，每排布置7根錨索，排距為1200mm，錨固劑采用一支K2335和兩支Z2360樹脂錨固劑。皮帶大巷圍巖錨索加固的具體情況如圖5（b）所示。

4.2 現場礦壓監測

2#煤層皮帶大巷錨固聯合加固法處理后，在采煤工作面前方適當的位置布置測站，進行現場圍巖位移觀測，整理結果如圖6所示。根據現場監測結果可以看出，皮帶大巷圍巖在采動影響下出現了輕微的變形現象，加固約11d后，皮帶大巷圍巖位移量不再發生變化，頂板下沉量最大約9mm，兩幫移近量最大約為10mm，底板底鼓量最大約為22mm，相對于加固前（2200mm）顯著的減小，皮帶大巷圍巖穩定性良好，巷道底鼓控制效果顯著，能夠保證皮帶大巷的正常安全使用。

圖6 皮帶大巷圍巖位移觀測結果

5 結論

鑫基煤業2#煤層皮帶大巷，在臨近的2101工作面采動影響下圍巖出現明顯的失穩變形。根據2#煤層皮帶大巷詳細的地質條件，通過數值模擬及理論分析得知，皮帶大巷圍巖位移主要表現為底板底鼓，設計采用錨注聯合加固法進行加固。現場應用及監測結果表明，加固后皮帶大巷頂板下沉量最大約為9mm，兩幫移近量最大約為10mm，底板底鼓量最大約為22mm，大巷圍巖穩定性較好，底鼓得到有效的控制，取得很好的應用效果。