深部開(kāi)采大斷面硐室底鼓控制技術(shù)研究

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦 山西 037016）

隨著煤炭開(kāi)采以及巷道掘進(jìn)深度增加，采掘作業(yè)所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造更趨復(fù)雜，軟巖、高地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及地質(zhì)構(gòu)造等綜合影響導(dǎo)致煤炭回采及巷道掘進(jìn)等工作開(kāi)展更趨困難。常規(guī)的巷道圍巖支護(hù)措施已難以滿足深部開(kāi)采圍巖控制需要。山西某礦現(xiàn)階段開(kāi)采深度為680m，井下布置的6采區(qū)變電所出現(xiàn)一定程度底鼓，給變電所正常使用帶來(lái)嚴(yán)重威脅。文中就對(duì)采區(qū)變電所底鼓控制技術(shù)展開(kāi)探討，以期為其他礦井深部開(kāi)采大斷面硐室底鼓控制提供借鑒參考。

1.工程概況

山西某礦6采區(qū)變電所位于開(kāi)采的8#煤層頂板上方20m巖層中，圍巖巖性以粉砂質(zhì)泥巖以及泥巖為主，受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響圍巖裂隙及層理發(fā)育，遇水容易風(fēng)化且膠結(jié)能力差。6采區(qū)變電所為臨近的6采區(qū)、8采區(qū)供電，設(shè)計(jì)寬、高分別為5.8m、5.4m，凈斷面積達(dá)到31.32m2。變電所圍巖采用常規(guī)的錨網(wǎng)索支護(hù)方式，底板未采取任何加固措施。

在變電所掘進(jìn)完成7d后，開(kāi)始出現(xiàn)底鼓，后經(jīng)過(guò)拉底、整平、砌筑底板等方式對(duì)底鼓進(jìn)行處理。但是變電所底板修整完成20d后仍有較為明顯的底鼓，局部位置混凝土底板開(kāi)裂，巷幫錨桿出現(xiàn)破斷、失效等問(wèn)題。為此，需要針對(duì)變電所圍巖巖性特征以及地應(yīng)力分布特點(diǎn)采取針對(duì)性的底鼓防治技術(shù)。

2.變電所底鼓原因分析

巷道底鼓受到地質(zhì)條件、圍巖巖性、巷道斷面、圍巖支護(hù)參數(shù)及支護(hù)方式等多因素影響。結(jié)合6采區(qū)變電所圍巖巖性、地應(yīng)力分布以及圍巖支護(hù)方式，歸結(jié)起來(lái)底鼓發(fā)生主要原因主要為：

(1)變電所底板巖層軟弱

變電所頂板為泥巖，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試泥巖抗壓強(qiáng)度為29MPa，自身承載能力較低。在變電所掘進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)變電所底板泥巖裂隙發(fā)育，承載能力及強(qiáng)度較低。底板泥巖難以承受圍巖應(yīng)力作用，從而導(dǎo)致底板出現(xiàn)一定程度的碎脹變形。

(2)圍巖應(yīng)力

6采區(qū)變電所所處位置埋深在680m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)圍巖最大、最小水平應(yīng)力σa、σm分別18.35MPa、9.56MPa，垂向應(yīng)力σh=15.94MPa，圍巖應(yīng)力中構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)地位。在采區(qū)變電所附近掘進(jìn)的回采巷道等均會(huì)在一定程度上影響采區(qū)變電所圍巖穩(wěn)定性，加劇圍巖應(yīng)力集中程度，導(dǎo)致出現(xiàn)一定的底鼓。

(3)變電所斷面大

在圍巖應(yīng)力以及圍巖強(qiáng)度一定的情況下，巷道斷面越大、圍巖穩(wěn)定性越差，從而更容易導(dǎo)致圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。大斷面巷道容易引起底板出現(xiàn)底鼓變形。

(4)底板未進(jìn)行支護(hù)

采區(qū)變電所在掘進(jìn)初期未采取任何底板支護(hù)措施是導(dǎo)致底鼓發(fā)生的最為主要原因。變電所圍巖支護(hù)時(shí)僅強(qiáng)化對(duì)頂板、巷幫支護(hù)，整個(gè)圍巖結(jié)構(gòu)中底板是最為薄弱的環(huán)節(jié)，從而成為高應(yīng)力釋放的自由面，導(dǎo)致底板出現(xiàn)底鼓破壞。

3.底鼓防治技術(shù)措施

對(duì)變電所底板進(jìn)行加固是防治底鼓最為有效的技術(shù)措施，通過(guò)分析底鼓發(fā)生原因并結(jié)合現(xiàn)階段圍巖底鼓變形原因，提出采用注漿加固、全長(zhǎng)注漿錨索聯(lián)合控制技術(shù)增加底板巖層強(qiáng)度及承載力，控制底鼓量。

(1)底板預(yù)注漿

為了給錨索施工創(chuàng)造良好條件，變電所底板預(yù)注漿鉆孔按照2000mm間距、1800mm排距布置，注漿深度為6000mm，并垂直底板施工，具體注漿孔布置見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)注漿示意圖

注漿時(shí)預(yù)埋長(zhǎng)度800mm注漿管，在注漿孔內(nèi)下放長(zhǎng)度5000mm射漿管，孔口管與射漿管聯(lián)通，并采用水泥、棉紗等固定孔口管。注漿漿液選擇水泥單液漿，并在漿液添加水泥用量10%的添加劑（ACZ-Ⅱ），從而達(dá)到增加水泥漿流動(dòng)性及減少效果。水泥漿按照0.6:1～1:1配合比配置，注漿壓力控制在2～3MPa，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)注漿壓力進(jìn)行調(diào)整。

(2)全長(zhǎng)注漿錨索施工

在底板預(yù)注漿基礎(chǔ)上通過(guò)采用全長(zhǎng)注漿錨索進(jìn)一步增加底板巖層強(qiáng)度及承載力。采用的全長(zhǎng)注漿錨索型號(hào)為SKP22/1-1860，具體錨索結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 全長(zhǎng)注漿錨索結(jié)構(gòu)圖

采用的全長(zhǎng)注漿錨索結(jié)構(gòu)包括有索體、止?jié){塞、柔性注漿管以及錨具等構(gòu)成，索體結(jié)構(gòu)包括有索尾緊固段、中間段以及端頭實(shí)心段。通過(guò)端頭實(shí)心段對(duì)錨固劑進(jìn)行攪拌，便于錨固；錨索注漿主要通過(guò)中部中空高壓軟管實(shí)現(xiàn)，在錨索中部及端頭實(shí)心段均有出漿口便于注漿；索尾緊固段為中空的剛性注漿管。具體全長(zhǎng)注漿錨索技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 全長(zhǎng)注漿錨索技術(shù)參數(shù)

由于全長(zhǎng)注漿錨索施工期間孔底有水，因此采取先注漿后張緊。待注入的水泥漿固化后給錨索提供的張緊力在140kN以上，支護(hù)時(shí)選用的托盤規(guī)格為300mm×300mm×16mm的拱形托盤。注漿錨索按照1200mm×1800mm間排距布置，每排布置4根，錨索注漿壓力控制在2.0～3.0MPa。

全長(zhǎng)注漿錨索施工工藝。在采區(qū)變電所內(nèi)按照預(yù)先設(shè)定位置布置鉆機(jī)，按照設(shè)計(jì)要求施工孔深6800mm的錨桿鉆孔，鉆孔施工完畢后插入注漿錨索、安裝止?jié){塞對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿。注漿凝固7d后待水泥漿強(qiáng)度達(dá)到要求在注漿錨索上安裝托盤、墊盤以及張拉工具后進(jìn)行張力，從而給底板提供足夠的張緊力。張拉完成后在底板上澆筑一層厚度30cm的C20混凝土，對(duì)變電所底板進(jìn)行硬化處理。

4.底板防治效果分析

為了掌握變電所底鼓防治效果，在變電所內(nèi)間隔10m布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)底鼓發(fā)生量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3

從圖3看出，在底板預(yù)注漿階段底鼓量增加速度較快，隨著全長(zhǎng)注漿錨索施工以及注漿完畢后，底鼓增加速度顯著降低。底板加固完成后底板巖層變形量趨于穩(wěn)定，最終底鼓加固完成30d后底板底鼓量最大為17mm。表明文中所提底鼓防治措施可有效確保底鼓變形。

5.總結(jié)

（1）對(duì)導(dǎo)致礦井6采區(qū)變電所底鼓量過(guò)大原因進(jìn)行分析，主要底板為承載能力較差的泥巖且未采取加固措施，在構(gòu)造應(yīng)力、地應(yīng)力以及硐室掘進(jìn)綜合作用下底板巖層難以承受較大應(yīng)力作用從而導(dǎo)致底鼓發(fā)生。底鼓發(fā)生主要原因是變電所跨度大、底板承載能力不強(qiáng)以及未采取底板加固措施。

（2）根據(jù)底鼓發(fā)生原因，提出采用超前預(yù)注漿以及全段注漿錨索對(duì)底板進(jìn)行加固，并具體對(duì)注漿以及注漿錨索布置方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)注漿后可提高底板巖層承載能力及穩(wěn)定性，從而最大幅度降低底鼓量。

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后采區(qū)變電所底板底鼓量得以有效控制，監(jiān)測(cè)期間底板最大底鼓量控制在17mm以內(nèi)。通過(guò)對(duì)底板采取加固措施，為采區(qū)變電所正常運(yùn)行提供了切實(shí)保障。文中所提深部大斷面硐室底鼓控制技術(shù)可為其他礦井類型情況下的底鼓防治指導(dǎo)。