工作面回采巷道底鼓治理技術研究

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

我國煤炭資源儲量豐富，約占到了總能源的70%。在未來相當長的時間內對煤炭資源的回采，仍然是我國獲取能源的主要方式，而井工開采則是對煤炭資源進行回采的主要手段[1]。經過長期大規模的回采活動，我國賦存條件優越的煤炭資源已日益枯竭，為了保持較高的煤炭產量，不得不轉向開采那些埋藏很深、賦存環境較差的煤炭資源，隨之也帶來了巷道支護、維護等一系列難題，對巷道圍巖穩定性的控制難度也急劇增加[2]。其中最為典型的礦井災害便是底鼓，有些礦井的底鼓量甚至超過了1 m以上，嚴重制約著礦井的正常安全生產。而對巷道底鼓的治理又是一個較為復雜的問題[3]，需要探明底鼓的形成機制，并針對性的提出相應的治理措施，諸多學者針對底鼓現象的治理也進行了大量研究[4]。

1 工程概況

9-301工作面北部為西區暗斜井系統，南部為井田邊界，西部為正在施工的9-302工作面，東部為9-700工作面，地表多為公路且地勢相對平坦，河流相對較少。該工作面所開采9#煤。9#煤層賦存穩定，結構復雜，含1～2層夾矸，平均煤厚為5m，煤層傾角12°～36°，平均24°，為緩傾斜煤層。工作面采用走向長壁采煤法，一次采全高綜采放頂煤開采工藝，全部垮落法管理頂板。生產過程中采煤機通常采用端部斜切進刀方式，放頂煤液壓支架采用ZF12000/22/35，共計101架，端頭支架則采用ZFG12000/24/35，共計12架。

9-3011巷道為9-301工作面進風、運料巷道。巷道凈寬5m，凈高為3.1m，沿9#煤層頂板掘進，掘進總長度1350 m。巷道頂板采用錨網索聯合支護，其中頂板錨索采用Φ22 mm×7300 mm的預應力鋼絞線，第一排在巷中布置一根，第二排在距巷道中心左右1.5m處分別布置一根，以此循環，排距均為1.8 m。頂板錨桿采用Φ22 mm×2400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置6根，除巷道最外側的兩根錨桿與鉛垂線呈15°外，其余錨桿均垂直于頂板布置，間排距均為900 mm×900 mm。巷幫每排布置3根錨桿，間排距為1100 mm×900 mm，其中靠近巷道頂板和底板的錨桿與水平線的夾角均為10°，巷道具體的布置斷面見圖1。

圖1 巷道斷面支護

在9-301工作面回采的過程中9-3011巷道出現了嚴重的底鼓現象，底鼓量最大達到了1.5m，同時兩幫也出現了一定程度的片幫現象，幫部多根錨桿被剪斷，巷道破壞情況見圖2。

圖2 巷道破壞情況

2 巷道底鼓原因分析

2.1 頂底板物理力學參數測試

掌握巷道頂底板圍巖物理力學屬性對于探究巷道底鼓的原因，制定相關治理措施具有重要意義。在9-3011巷道頂底板選取合適的位置打鉆取芯，并將所取巖芯密封后帶回實驗室進行物理力學參數測試，將測試結果統計見表1。

表1 巷道頂底板圍巖力學參數統計

從表1中可以看出巷道頂板上方有一層0.5m的偽頂，直接頂為6m的泥質灰巖，老頂則為砂質泥巖和粉砂巖。由測試結果可知直接頂、老頂以及9#煤層的圍巖強度均比較高，9-3011巷道的直接底為3.5 m厚的泥巖，該巖層強度偏低，老底則為4.2 m厚的細粒砂巖。

2.2 直接底礦物成份鑒定

9-3011巷道底板破壞嚴重，且巷道頂板存在著少量的淋水現象，為了探究直接底遇水軟化特性的強弱，將所取到的直接底巖芯帶回實驗室并對其礦物成份以及吸水破壞性進行了測試，測試結果顯示直接底的主要礦物成份為伊蒙混層、高嶺石以及伊利石，含量分別達到了15%、58%和17%，除此之外還含有少量的綠泥石。與此同時在實驗室對巷道直接底泥巖的吸水性進行了測試，測試結果見圖3。

圖3 底板泥巖吸水抗壓強度變化曲線

從圖中曲線可以看出底板泥巖具有較強的吸水性，且在前20 h內吸水速率較快，之后隨著時間的推移，吸水性逐漸減弱并最終達到飽和，泥巖的強度也會隨著該巖層的吸水而不斷下降，在測試期間強度由最初的24.7MPa逐漸下降至10.8MPa，由此可知9-3011巷道頂板的淋水現象會引起底板泥巖的軟化。

2.3 工作面采動對巷道底板的破壞影響

由于9-3011巷道距離工作面較近，在工作面超強采動壓力影響下，必然會對9-3011巷道底板的破壞產生影響。為了探究工作面的回采活動與巷道底板破壞程度之間的關系，在9-3011巷道內距工作面的不同位置設置測站，對巷道底鼓量進行了統計并將統計結果繪制成曲線見圖4。

圖4 巷道底鼓量與工作面距離關系

從圖中曲線可以看出在距工作面370m范圍內巷道底鼓量與距工作面的距離密切相關，距工作面越遠，巷道底鼓量越大，最大達到了985 mm。當巷道距離工作面400～600m時，隨著距離的增加，巷道底鼓量有所減緩，當工作面距離巷道超過600m時，底鼓量基本穩定在400 mm左右，由此可知巷道底鼓量受采動影響較大，在超前支撐壓力的影響下巷道兩幫側向壓力隨之增大，進而造成巷道底鼓現象嚴重。

2.4 巷道底鼓原因分析

通過上述分析可將9-3011巷道底鼓現象嚴重的原因歸結為如下幾點：

（1）巷道直接頂、老頂以及9#煤層的強度偏高，而直接底為泥巖，該巖層強度偏低，且頂板存在著少量的淋水現象，而底板泥巖含有較多的伊蒙混層、高嶺石以及伊利石等礦物成份，吸水易軟化，同時圍巖內部易產生松散、崩解等現象，進而導致其強度急劇下降。

（2）巷道頂板及兩幫的支護強度偏低，底板則沒有采取任何支護措施，導致垂直應力通過幫部傳遞到底板，而底板圍巖強度偏低，在強大的垂直應力作用下易發生擠壓破碎。

（3）9-3011巷道受采動影響較大，在超前支撐壓力的影響下，巷道兩幫側向壓力隨之增大，進而造成巷道底鼓現象嚴重。

（4）巷道底鼓現象嚴重進而誘發了巷道幫部的片幫，巷道幫部的片幫又加重了巷道的底鼓，從而形成了惡性循環。

3 治理措施研究

針對巷道的底鼓原因，現提出如下治理措施對其進行治理：

1）加強對巷道頂板和幫部的支護，頂板錨索在原方案的支護基礎上排距由原來的1800 mm縮減至900 mm，幫錨桿的排距則由原來的900 mm縮減至800 mm。由于巷道底板圍巖強度較低且遇水易軟化，故需要對巷道底板進行加固；在加固時對底板加打預應力錨桿和注漿錨桿，并將其布置在同一排，注漿錨桿和預應力錨桿交替布置。在布置時距離幫角1000 mm處布置1根注漿錨桿，與注漿錨桿間距1000 mm再布置一根預應力錨桿，依次循環；底板每排共布置4根錨桿，錨桿排距為800 mm，底板預應力錨桿的型號同頂板的一致。注漿錨桿的長度為2.4m，直徑則為40 mm，注漿段每隔100 mm鉆一個8 mm的小孔，相鄰小孔互相垂直布置，巷道斷面支護見圖5。

圖5 巷道斷面支護

2）對巷道底板進行注漿時，注漿材料選用普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1，固管、跑漿、封孔時可用水泥加水玻璃雙漿液。由于底板泥巖強度偏低，故對其進行注漿時最大注漿壓力設為2MPa，每個注漿錨桿約注入3袋水泥，當有漿液溢出時停止注漿，當漿液初凝后再注。

4 工程監測

由于工作面前方200m處巷道受超前采動影響較大底鼓嚴重，治理措施實施后在該處布置測站并對其圍巖變形展開了為期一個月的現場監測，將監測所得的數據繪制成曲線見圖6。從圖中可以看出在對頂底板采取加強支護+底板注漿措施后，9-3011巷道兩幫收斂量最終穩定在227 mm，頂底板移近量最終穩定在327 mm，而在治理前該巷的底鼓量處于700～1500 mm之間，由此可見，治理措施對巷道圍巖穩定性的控制效果較好，滿足礦井的正常安全生產。

圖6 巷道圍巖變形隨監測時間的變化曲線

5 結語

1）9-3011巷道頂板存在少量的淋水，而該巷直接底為泥巖，強度較低且遇水易軟化，頂板和兩幫支護強度偏低，頂板上覆巖層重量易通過巷幫傳遞到底板；同時該巷為回采巷道，受工作面的采動影響較大，在上述因素的共同作用下巷道底鼓嚴重，同時還存在著一定程度的片幫。

2）針對巷道破壞原因，針對性的提出了加強支護+底板注漿的聯合治理措施，現場監測結果表明巷道圍巖的穩定性控制效果較好，底鼓現象得到了有效解決，滿足礦井的正常安全生產。