深井軟巖巷道底鼓原因及防治技術(shù)

王福潔

(霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200)

0 引言

隨著我國(guó)煤炭資源大規(guī)模、超強(qiáng)度開(kāi)采，采掘活動(dòng)進(jìn)一步向深部開(kāi)展，進(jìn)入深部后煤炭采掘工作受三高一擾動(dòng)影響更為明顯，其中深部軟巖巷道支護(hù)工程更是需要直接明對(duì)，無(wú)法完全攻克的技術(shù)難題。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料我國(guó)每年巷道掘進(jìn)量約7 000 km，而深部巷道掘進(jìn)占總掘進(jìn)量40%以上，其中需要進(jìn)行返修的巷道又達(dá)到70%以上[1]，換言之，每年因底鼓問(wèn)題需要重新進(jìn)行返修的掘進(jìn)工程量甚至超過(guò)了新掘進(jìn)巷道工程量，同時(shí)，軟巖巷道的底鼓問(wèn)題不僅阻礙了運(yùn)輸，還使通風(fēng)阻力大大增加，而給礦井生產(chǎn)帶來(lái)不利影響，成為嚴(yán)重制約礦井安全與高效生產(chǎn)的不利因素。

對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者、專家等開(kāi)展了大量、關(guān)于底鼓機(jī)理及防治措施的研究工作。對(duì)于底鼓問(wèn)題的治理首先要對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析研究，姜耀東[2]在大量調(diào)研、試驗(yàn)基礎(chǔ)上將深井底鼓問(wèn)題按形成機(jī)理歸結(jié)分為4大類，分別為流動(dòng)性底鼓、撓曲性底鼓、錯(cuò)動(dòng)性底鼓及膨脹性底鼓。在此基礎(chǔ)上康紅普院士[3]等通過(guò)理論計(jì)算及大量工程實(shí)踐提出底鼓發(fā)生主要是由于底板受褶皺撓曲、巷道受應(yīng)力不均布傳播及底板巖層遇水泥化膨脹造成的。同時(shí)還用大量學(xué)者及工程技術(shù)人員通過(guò)應(yīng)用計(jì)算力學(xué)的方法系統(tǒng)分析了巷道底板底鼓發(fā)生機(jī)理、極限強(qiáng)度、極限變形等力學(xué)參量，從理論上對(duì)深井軟巖巷道底鼓發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了闡釋[4-5]。隨著對(duì)底鼓發(fā)生機(jī)理的深入研究工作開(kāi)展，其防控技術(shù)的研究也在逐步得以發(fā)展。何滿潮[6]以深部軟巖破壞機(jī)理為基礎(chǔ)，提出運(yùn)用恒阻大變形錨桿索對(duì)頂、底、幫進(jìn)行“三控”支護(hù)。Sun[7]等則提出了運(yùn)用泄壓槽的方法釋放底板應(yīng)力，已達(dá)到控制底板變形的目的。謝廣祥[8-10]等則提出運(yùn)用預(yù)應(yīng)力錨桿、索與混凝土反拱結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)底鼓問(wèn)題進(jìn)行治理，在控制底鼓問(wèn)題方面取得良好應(yīng)用效果。蒲會(huì)山[11]在分析綜放工作面進(jìn)風(fēng)順槽底鼓的機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了利用底角注漿錨桿+底板錨索控制底鼓的治理方案，并在實(shí)踐中取得了良好效果。程少北等[12]針對(duì)底鼓變形迅速問(wèn)題，通過(guò)礦物分析及力學(xué)測(cè)試，確定了底鼓的發(fā)生機(jī)理，并提出了使用底角預(yù)應(yīng)力錨索配合噴漿并與底板潛孔注漿、混凝土噴漿加固聯(lián)用來(lái)進(jìn)行治理，控制效果較好。謝騰飛[13]基于深部高地應(yīng)力巷道底鼓機(jī)理分析，建立了“底板-兩幫-頂板”力學(xué)模型，提出了“三位一體耦合支護(hù)”支護(hù)技術(shù)，在工程實(shí)踐中效果良好。但是由于我國(guó)煤炭賦存范圍廣泛，不同礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件各不相同，針對(duì)礦井實(shí)際提出有針對(duì)性的底鼓防治措施對(duì)保證礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。呂臨能化有限公司南延輔助運(yùn)輸大巷在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度底鼓問(wèn)題，嚴(yán)重制約了安全高效生產(chǎn)。在此背景下，采用理論分析方法對(duì)其底鼓發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出合理防控技術(shù)，以期保證礦井正常生產(chǎn)工作，并能夠?yàn)橄嗨茥l件礦井提供技術(shù)參考。

1 工程概況及底鼓原因分析

1.1 工程概況

呂臨能化有限公司南延輔助運(yùn)輸大巷位于礦井中部，井下標(biāo)高+620～+745 m。開(kāi)口位置位于9-3011運(yùn)輸聯(lián)巷，按180°方位角沿6°下山找9號(hào)煤，沿底板掘進(jìn)，掘進(jìn)3 529 m后停掘。9號(hào)煤層頂板多數(shù)為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度約3 m。底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，其中粘土質(zhì)含量高，質(zhì)軟且穩(wěn)定性差，遇水可能膨脹而導(dǎo)致底鼓現(xiàn)象的發(fā)生，影響巷道運(yùn)輸。厚度1～8 m，一般為3 m，變化較大。9號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～3層夾矸，煤厚約11.8 m，煤層傾角平均17°。巷道絕對(duì)涌出量為0.89 m3/min，相對(duì)涌出量為0.18 m3/t。南延輔助運(yùn)輸大巷采用“錨網(wǎng)梁+錨索+噴漿”聯(lián)合支護(hù)的方式，頂部采用φ21.8 mm×6 300 mm，幫部采用φ21.8 mm×4 300 mm的19股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，頂、幫均采用φ22 mm×2 400 mm的左旋高強(qiáng)錨桿與錨索交替布置支護(hù)，錨桿的排距為1.6 m，錨索的排距1.6 m，錨索與錨桿之間的排距為0.8 m。巷道底板未支護(hù)。

1.2 底鼓原因分析

底鼓情形：現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)南延輔助運(yùn)輸大巷底板整體向上隆起，而頂、幫變形量相對(duì)較小。進(jìn)而針對(duì)底板巖層進(jìn)行了詳細(xì)礦物分析，并在此取點(diǎn)進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，如圖1所示。

圖1 巷道底板變形示意

底鼓原因：通過(guò)化驗(yàn)、測(cè)量，認(rèn)為該巷道發(fā)生底鼓的主要原因集中在以下3個(gè)方面。①底板中黏土礦物有強(qiáng)膨脹性，遇水膨脹顯現(xiàn)劇烈。該巷道在掘進(jìn)過(guò)程用水量較大，頂板存在一定淋水現(xiàn)象，而底板礦物中含有大量蒙脫石，遇水后發(fā)生強(qiáng)烈膨脹，破壞了巖層完整結(jié)構(gòu)，使巖石強(qiáng)度大大降低;②該巷道深度已達(dá)-750 m，處于巖層高應(yīng)力狀態(tài)，受應(yīng)力影響巷道發(fā)生較大變形。通過(guò)應(yīng)力接觸法測(cè)得該巷道最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力，數(shù)值在25.5～28.1 MPa之間，測(cè)壓系數(shù)為1.41～1.56；③巷道底板未進(jìn)行有效支護(hù)。經(jīng)過(guò)地應(yīng)力測(cè)試，巷道圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，且頂?shù)装鍘r性以軟巖為主，頂、幫支護(hù)形式均為錨桿索聯(lián)合支護(hù)，而底板無(wú)有效支護(hù)措施，使得底板受多種因素影響發(fā)生大變形。

2 巷道底鼓防治技術(shù)研究

2.1 切割槽卸壓技術(shù)

南延輸送機(jī)大巷底鼓的發(fā)生原因極其復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行治理應(yīng)著重加強(qiáng)對(duì)底板巖層進(jìn)行卸壓、加固處理，擬緩解其高應(yīng)力情況、控制大變形問(wèn)題。針對(duì)底板高應(yīng)力問(wèn)題，在中央設(shè)計(jì)切割槽，槽寬500 mm，深2 m，底板形成一個(gè)“弱結(jié)構(gòu)”，而這個(gè)弱結(jié)構(gòu)能夠使底板應(yīng)力得到釋放，大量吸收底板變形，改變底板應(yīng)力狀態(tài)，切割槽卸壓力學(xué)解析如圖2所示[14]。

圖2 巷道底板中間開(kāi)挖卸壓槽力學(xué)解析[11]

2.2 聯(lián)合支護(hù)加固技術(shù)

支護(hù)原理：利用切割槽對(duì)底板高應(yīng)力進(jìn)行釋放后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)期調(diào)整，使巷道底板應(yīng)力恢復(fù)到一個(gè)相對(duì)能夠控制程度，采用底角錨桿+底板注漿+底板錨索耦合支護(hù)進(jìn)行加固處理，使底板結(jié)構(gòu)恢復(fù)完整，同時(shí)在錨桿索作用下與頂、幫形成一個(gè)相對(duì)完整的“強(qiáng)結(jié)構(gòu)”，此時(shí)巷道應(yīng)力經(jīng)過(guò)重新分布逐漸趨于平穩(wěn)，此時(shí)形成相對(duì)較強(qiáng)的支護(hù)體系，能夠使巷道得到有效維護(hù)，保證生產(chǎn)安全、高效[15-18]。

支護(hù)方案：①底角采用φ22 mm×2 400 mm的左旋高強(qiáng)錨桿，錨桿間距設(shè)置為800 mm，與底板平面呈45°，在幫、底交界位置進(jìn)行錨固。巷道底角是整個(gè)工程系統(tǒng)中應(yīng)力集中程度最高的位置，通過(guò)在左右底角高密度錨桿的施工，很好的將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到底角錨桿上。同時(shí)，底角錨桿與頂、幫錨桿、索形成一個(gè)完整支護(hù)系統(tǒng)，限制了上方承載拱的水平位移，承載體的穩(wěn)定性進(jìn)一步得到加強(qiáng)，隨著相鄰圍巖位移得到控制，底鼓現(xiàn)象大大減弱，具體技術(shù)分析如圖3所示；②沿底板中央對(duì)稱布置2個(gè)注漿孔，排距為1 200 mm，長(zhǎng)3.0 m，漿液采用樹(shù)脂-水玻璃，注漿時(shí)間以達(dá)到額定壓力后穩(wěn)定10 min為宜。底部巖層受大變形影響，發(fā)生撓曲、破碎，通過(guò)使用注漿加固，能夠使破碎巖層形成一個(gè)完整體，有效控制了底板大變形情況；③底板錨索規(guī)格為φ21.8 mm×4 300 mm 19股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，沿巷道底板中部等距布置2根，排距1 600 mm×1 600 mm。錨索使巖層移動(dòng)得到了有效限制，且其圍巖狀態(tài)也得到大大改善，還將高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。

圖3 技術(shù)分析

3 結(jié)論

(1)南延輔助運(yùn)輸大巷底鼓的影響因素主要是底板巖層中膨脹性礦物較多，遇水會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈膨脹，同時(shí)巷道埋藏深度較大，底板處于高應(yīng)力環(huán)境，并且原支護(hù)系統(tǒng)為對(duì)底板進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得底鼓發(fā)生程度強(qiáng)烈。

(2)通過(guò)影響因素分析，確定了該巷道治理底鼓使需先進(jìn)行切割槽卸壓，在應(yīng)力得到有效釋放后聯(lián)合運(yùn)用錨桿、索與注漿技術(shù)對(duì)底板進(jìn)行加固，使得巷道底鼓得到有效控制，經(jīng)濟(jì)效益顯著。