采空側(cè)巷道底鼓形成機制與防治技術(shù)研究

（山西陽泉市南煤集團南莊分公司 山西 045000）

引言

我國煤礦的發(fā)展使得采空巷道的底部經(jīng)常會存在底鼓的現(xiàn)象，巷道的底板巖體內(nèi)部也會表現(xiàn)出較強的非線性力學(xué)特征，最終會影響到巷道的正常使用。因此，巷道底鼓防止技術(shù)已經(jīng)成為了目前煤礦掘進中經(jīng)常會遇到的問題。多數(shù)采空側(cè)巷道會在很大程度上受到周圍工作面的影響，內(nèi)部的應(yīng)力更會隨之發(fā)生變化。一旦遇到施工單位不全力地注意，自然會使得防治措施不能夠發(fā)揮更大的作用。

1.采空側(cè)巷道底鼓概述

從實踐中可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)巷道底鼓是因為底板被破壞而產(chǎn)生的，更多的底鼓不但和周邊巷道內(nèi)部的物理性質(zhì)有直接的關(guān)系，更和圍巖應(yīng)力有著很大的關(guān)系。

從觀測的過程看，相比于相同條件下的實體煤礦巷道，采空側(cè)巷道底鼓會變得很大，以此巷道底部會變得非常不對稱。造成這一切的根源就是巷道應(yīng)力自身的特征。

另外，因為內(nèi)部煤柱寬度有所不同，巷道底鼓也會因此而不同。如果底部寬度確實變小，底鼓則會變得更加激烈。如果寬度變大，底鼓則會變小。回風巷道內(nèi)部的底鼓和尾巷道掘進的位置將會有著直接的關(guān)系[1]。隨著不斷地向煤礦巷道內(nèi)部掘進，煤柱內(nèi)部的寬度也會不斷地減少，巷道內(nèi)部的煤柱會直接被破壞，所以原來已經(jīng)作用于煤柱上的壓力也會存在于回風巷內(nèi)部。

在實際傳遞頂幫壓力時，正因為底板強度非常弱，如果受到了嚴重的擠壓則會誘發(fā)明顯的變形。這進一步說明了底鼓其實還是會受到多方壓力的影響。煤柱寬度和壓力的內(nèi)容也會影響底鼓的形成。

2.巷道底鼓機制探究

從諸多實踐中可以看出，采空區(qū)底鼓變形的原理為：隨著后續(xù)補尾巷道掘進的不斷發(fā)展，原本作用于尾部巷道的煤體壓力也會更好地被轉(zhuǎn)移，甚至?xí)D(zhuǎn)移到新的回風巷道和煤柱上，這就會讓回風巷道內(nèi)部存在二次分布或者應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象。正因為巷道頂板和兩幫支護內(nèi)部的密度不斷地變大，圍巖變形的量較小，更多圍巖內(nèi)部的壓力將不能夠被更好地釋放出來[2]。原先作用于頂板和煤柱上的壓力在被擠壓之后就會出現(xiàn)新的斷裂現(xiàn)象，底板也會在第一時間隆起。如果煤板隆起的現(xiàn)狀過于嚴重，煤幫就會直接下沉，如果巷道底腳支護的部位過于薄弱，此部位就會直接向外移動。

(1)底板巖性

圍巖的礦物成分、結(jié)構(gòu)和其他因素都會對巷道底鼓產(chǎn)生不同的影響。如果底板位于砂巖正中就會顯得非常穩(wěn)定，甚至不會出現(xiàn)底鼓。但是，如果底板存在于較軟的泥巖或者是斷層內(nèi)部，由于內(nèi)部的強度本身就很低，吸水率也會變高，地應(yīng)力的基礎(chǔ)上就會產(chǎn)生新的底鼓。

(2)水理作用

從多數(shù)礦井地質(zhì)資料和發(fā)展的實際情況來看，多數(shù)礦區(qū)內(nèi)部的構(gòu)造非常復(fù)雜，含水層和隔水層會呈現(xiàn)相間的狀態(tài)，更多的地下水會因此承受壓力，形成常見的裂隙壓水。在巷道掘進過程中，如果遇到了含水量非常豐富的地段，圍巖就會在第一時間破碎成泥，進而出現(xiàn)流變的現(xiàn)象。另外，如果較大的巖石出現(xiàn)了軟化的現(xiàn)象，巖塊自身的強度也會變差，最終會在短時間內(nèi)被破壞，當無法滿足支護要求時，自然就會誘發(fā)更為嚴重的局部底鼓現(xiàn)象。這其實也會讓整個采空巷道非常不穩(wěn)定[3]。

(3)支護強度

如果只是重視巷道頂板和邊幫支護，卻沒有對底板有效地進行支護，這樣底鼓會經(jīng)常處于不支護的狀態(tài)。如果在礦工鋼棚下設(shè)置底梁，卻沒有對底板進行支護，則整個礦工鋼棚就要受到前所未有的壓力。為了更好地保護它，必要時需要將各種力道向支護的底板傳遞。如果頂板下沉就會破壞整個底板原有的平衡，底板也就會向空間內(nèi)部的巷道隆起，形成更多的巷道底鼓。

3.案例分析

(1)煤礦介紹

某工作面內(nèi)部的采煤層為石炭系上統(tǒng)的煤層，埋深直接介于406-480m之間，煤層的厚度則浮動于5.3-7.8m之間，平均的厚度為7.03m，煤層平均的傾斜角度為2.5°。如果開采時只是配合單一長臂的綜合機械來進行工作，配合合適的自然垮落法來管理整個采空區(qū)內(nèi)部的頂板。該工作面和另外一個8101采空區(qū)緊密相連，兩者之間煤柱的厚度大約介于17m。但是，因為受到了采空區(qū)內(nèi)部壓力的影響，底鼓的數(shù)量會變得越來越多，慢慢就會讓煤礦巷道都不能夠更好地實現(xiàn)運輸。

(2)防治底鼓的措施

①施工煤體大直徑卸壓鉆孔

可以采用專業(yè)大直徑御壓鉆孔的方式來防止出現(xiàn)底鼓。應(yīng)該讓這樣一系列操作方式都集中在區(qū)域內(nèi)部，并使得其直徑小于106mm。也只有真正排出因為變形或者鉆孔而產(chǎn)生的煤粉，巖體應(yīng)力才會轉(zhuǎn)移到最深處或者高應(yīng)力巷道的內(nèi)部，自然也就能夠解除煤巖體的危機。真正使用此方式時，應(yīng)該讓煤體還沒有聚集更多的高應(yīng)力時就進行卸壓鉆孔，于是，整個煤巖體自然就不會存在應(yīng)力較高的區(qū)域。

實踐中，整個工作面都未能夠受到相鄰區(qū)域垮落巖層的影響，巷道周圍仍然會保證一個較高的應(yīng)力水平。另外，真正超前的壓力和側(cè)向的壓力會和原本的應(yīng)力相互合并在一起，周圍巷道的應(yīng)力也會隨之變高，從而誘發(fā)更大的沖擊[4]。因此，需要先卸載整個掘進巷道的壓力，再直接卸掉周圍煤體的壓力。

注意先在該巷道兩幫來打?qū)Ｓ玫男秹嚎祝⒆屝秹嚎椎姆秶诠ぷ髅媲胺降?50m距離，并將鉆孔的直徑定位為108mm，鉆孔之間的距離定位為1m，距離巷道底板1-1.6m，注意鉆孔時不要直接鉆入頂板和底板的巖層。圖1就是煤體內(nèi)部的示意圖。

圖1 煤體大直徑鉆孔布置示意圖

②主動加強支護

圖2 煤礦巷道原斷面

多數(shù)錨索內(nèi)部的錨固自身的深度都很大，因此也有了較高的承載能力，必要時更可以合并較強的預(yù)緊力。因此，可以通過主動加強支護來實現(xiàn)頂板打錨索，從而提升巷道支護的效果，注意將錨索的長度控制在10m。圖2顯示了巷道中原有的支護情況。

③被動支護

除了采用上文所說主動加強支護的方式，更可以融入被動支護的方式，也就是我們常說的單體支護。該煤礦巷道超前支護的距離被確定為50m，并配合三梁三柱的支護方式[5]。該巷道內(nèi)部因為承受了沖擊來壓而使得單體柱被損壞了17根。因此，可以通過對單體柱子不斷地加強支護來將其定位為五梁五柱，整個過程如圖3所示：

圖3 煤礦巷道原超前支護

4.實際效果

在使用了新的防治底鼓措施之后，不僅巷道內(nèi)部的變形量不斷加大，等到過了16d，期頂板的下沉量和底板的變形量都能夠有效地穩(wěn)定下來。在對巷道采用了常規(guī)的加固措施之后，巷道內(nèi)部變形的量逐步降低，平均底鼓的量將會被確定為260mm。

5.結(jié)束語

在實際運用大直徑卸壓和巷道支護技術(shù)時，確實需要綜合考慮多種監(jiān)測方法和發(fā)揮的實際作用，并注意運用巷道表面的位移方法來防止巷道底部出現(xiàn)底鼓的現(xiàn)象，這樣才能夠發(fā)揮更好的作用。實際表明，多樣化的巷道加密技術(shù)確實可以在控制巷道底鼓的基礎(chǔ)上讓生產(chǎn)的過程變得更加安全。常規(guī)底鼓防止方案智慧對鄰近的巷道產(chǎn)生直接的影響。因此，需要先結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造的影響再選擇合適的巷道加強支護方案。而本文提出了預(yù)防底鼓的方案也可以在減少巷道變形的基礎(chǔ)上更多地減少維護量，這樣不僅能夠讓煤礦巷道生產(chǎn)變得更加安全，更能夠有效地提升礦井的經(jīng)濟效益。