泥巖頂?shù)装寤夭上锏赖坠臋C(jī)理及控制技術(shù)

羅曉龍

（西山煤電官地礦，山西 太原 030022）

在工作面回采過(guò)程中，兩巷的穩(wěn)定是保證正常生產(chǎn)的關(guān)鍵，但成巷后，由于應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致圍巖的受力情況發(fā)生變化，在超前支承壓力或構(gòu)造應(yīng)力等的影響下，巷道頂?shù)装濉蓭途鶗?huì)向巷道內(nèi)移動(dòng)，形成頂板下沉、兩幫移近和底鼓等。一般來(lái)說(shuō)，小于200 mm 的底鼓不需采取專(zhuān)門(mén)的應(yīng)對(duì)措施，但對(duì)于軟巖頂?shù)装逑锏溃话愕坠牧看笥?00 mm，需要反復(fù)臥底維修，增加了工程量。

根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)，在某些軟巖頂?shù)装迕旱V，由于巷道底鼓反復(fù)維修增加的工程量甚至超過(guò)了新掘巷道的長(zhǎng)度，嚴(yán)重限制了綜采高產(chǎn)高效能力的發(fā)揮[1-5]。

1 概況

山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地礦33423 工作面位于北四采區(qū)，所采煤層為3號(hào)煤，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角2°～11°，平均6°。煤層厚度3.0～3.7 m，平均3.3 m，蓋山厚度200～430 m，平均厚度325 m。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 33423 工作面頂?shù)装鍘r性

由柱狀圖可以看出，煤層頂?shù)装鍘r性較差，存在一層0.40 m 的炭質(zhì)泥巖偽頂，順槽掘進(jìn)過(guò)程中隨掘隨冒。直接頂和直接底均為泥巖，強(qiáng)度較低，對(duì)巷道影響較大。33423 工作面范圍整體為單斜構(gòu)造，工作面范圍內(nèi)預(yù)計(jì)有大小斷層十余條，其中最大落差為4.5 m。

33423 工作面傾斜長(zhǎng)度為186 m，走向長(zhǎng)度為1034 m，采用綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁開(kāi)采，全部垮落法處理頂板。

工作面兩巷均為矩形斷面，運(yùn)輸巷的規(guī)格為4.4 m×3.5 m（寬×高），錨網(wǎng)索支護(hù)，支護(hù)方案如圖2。

圖2 33423 運(yùn)輸巷支護(hù)設(shè)計(jì)

2 底鼓特性及影響因素

2.1 底鼓特征

33423 工作面由于頂?shù)装寰鶠檐浫醯哪鄮r，與其他巷道相比，礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。

（1）底鼓量大

與常規(guī)的回采巷道礦壓顯現(xiàn)不同，33423 工作面兩巷的頂?shù)装逡平恐杏?0%以上是底鼓量，并且底鼓具有反復(fù)性和區(qū)域性，底鼓量大的區(qū)域常規(guī)臥底后，如果不采取措施仍會(huì)發(fā)生鼓出現(xiàn)象。

（2）底鼓變形具有流變特性

巷道掘進(jìn)后，底鼓的變形可分為三個(gè)階段：成巷初期底鼓量急劇增大，一般在7 d 左右增速達(dá)到最大值；隨后底鼓變形速率減小，一般維持在一個(gè)月左右；第三個(gè)階段為常規(guī)底鼓，該階段持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，底板以較小的速度流變突起。

（3）底鼓類(lèi)型為擠壓流動(dòng)型

由于33423 工作面的頂?shù)装寰鶠檐浫醯哪鄮r，整個(gè)巷道處于松軟破碎巖體中，兩幫松動(dòng)圈的范圍比較大，遠(yuǎn)處的地應(yīng)力對(duì)巷道底板造成積壓，促使底板向巷道內(nèi)移動(dòng)。

（4）構(gòu)造對(duì)底鼓的影響大

33423工作面兩巷掘進(jìn)過(guò)程中揭露有多條斷層，在斷層附近均出現(xiàn)了不同程度的底鼓，其中落差最大的F8 斷層附近底鼓量達(dá)到0.8 m，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次臥底仍難以滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

2.2 影響因素

（1）巷道圍巖的巖性

回采巷道的頂?shù)装鍘r性尤其是底板的巖性是決定巷道底鼓的關(guān)鍵因素。對(duì)于巖性較差、強(qiáng)度較低的泥巖或破碎巖層來(lái)說(shuō)，其力學(xué)性質(zhì)差，巷道掘進(jìn)后，由于開(kāi)挖卸荷和碎脹力的作用，底板巖層中的節(jié)理裂隙會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)一步降低了其承載能力，受回采應(yīng)力或遇到斷層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，低強(qiáng)度的底板極易向巷道內(nèi)突出，形成底鼓。

（2）支護(hù)強(qiáng)度的作用

由于巷道的掘進(jìn)，長(zhǎng)期處于穩(wěn)定原巖應(yīng)力狀態(tài)的巖體從三向受力變?yōu)閮上蚴芰Γ⑶以黾恿艘粋€(gè)自由面。與此同時(shí)，應(yīng)力重新分布，向巷道周邊轉(zhuǎn)移，引起局部應(yīng)力集中，加速巖體的破壞。同時(shí)，由于自由面的存在，巷道頂?shù)装搴蛢蓭途邢蛳锏纼?nèi)鼓出的趨勢(shì)。但由于巷道兩幫及頂板均有支護(hù)，底板一般無(wú)支護(hù)，巷道的應(yīng)力從巷道底板向巷內(nèi)釋放，使得底板鼓出。

（3）構(gòu)造應(yīng)力的影響

工作面兩巷掘進(jìn)中揭露有多條斷層，而斷層都是經(jīng)歷強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而形成的，儲(chǔ)存有較高的構(gòu)造應(yīng)力。在斷層附近，受高構(gòu)造應(yīng)力和水平應(yīng)力的影響，軟弱底板的巷道極易受擠壓作用而向巷內(nèi)膨脹。

（4）底板的流變效應(yīng)明顯

工作面從順槽巷道開(kāi)始掘進(jìn)到安裝完畢，經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)，觀測(cè)表明，底鼓并不是巷道掘進(jìn)后立即顯現(xiàn)的，而是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，具有明顯的流變特性。

3 底鼓機(jī)理及控制

3.1 底鼓機(jī)理

將巷道底板承受的兩幫的壓力簡(jiǎn)化為均布載荷q，則巷道底板的受力如圖3。

圖3 巷道底板受力簡(jiǎn)圖

巷道開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，在巷道兩幫形成寬度為x0的極限平衡區(qū)。由于巷道底板為泥巖，強(qiáng)度較低，承載能力差，當(dāng)所受的垂直應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí)，底板極限平衡區(qū)范圍內(nèi)的巖層（圖中Ⅰ區(qū)域）持續(xù)破壞，形成破碎區(qū)。破碎的巖體在水平應(yīng)力作用下膨脹，擠壓過(guò)渡區(qū)（圖中Ⅱ區(qū)域）的巖體，同時(shí)將力傳向被動(dòng)擠壓區(qū)（圖中Ⅲ區(qū)域）。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)或力的增大，底板破碎區(qū)內(nèi)的巖層形成一個(gè)連續(xù)的滑移面，沿著滑移面Ⅱ、Ⅲ區(qū)域內(nèi)的巖層被擠入巷道內(nèi)，造成底鼓。

通過(guò)對(duì)底板受力的分析，可為巷道底鼓治理提供理論指導(dǎo)。通過(guò)減少頂板壓力或者提高兩幫承載力，減少Ⅰ區(qū)域底板的受力，在Ⅱ區(qū)域補(bǔ)打錨桿，提高其承載能力，就能減少其對(duì)Ⅲ區(qū)域施加的壓力。

3.2 現(xiàn)有支護(hù)對(duì)策

對(duì)巷道底鼓的治理主要有兩種不同的方式，在現(xiàn)場(chǎng)使用中一般兩種方式同時(shí)使用。

（1）提高底板的強(qiáng)度

該方法充分利用底板圍巖的自承能力，通過(guò)注漿等措施填充巖體的縫隙，提高巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等，使受應(yīng)力影響破碎的巖石重新膠結(jié)成一個(gè)整體，提高其抵抗變形破壞的能力。

（2）對(duì)底板支護(hù)

絕大多數(shù)的回采巷道底板一般都是裸巷，沒(méi)有任何的支護(hù)，如果底鼓嚴(yán)重，可以利用底角錨桿、反底拱等措施改變底板的應(yīng)力狀態(tài)，抑制底板的變形，保持底板的穩(wěn)定。

3.3 33423 巷道底鼓控制方案

巷道的頂板、底板和兩幫是一個(gè)整體，三者共同維持巷道的穩(wěn)定，因此底板的治理必須整體考慮。綜合以上兩種支護(hù)對(duì)策，確定采用一體化全斷面的支護(hù)方案，在加強(qiáng)頂板和兩幫支護(hù)的同時(shí)對(duì)底板進(jìn)行加固治理。

（1）加強(qiáng)兩幫和頂板的支護(hù)

將錨桿排距由2 m/排加密為1.5 m/排，同時(shí)將錨桿索同排間隔布置改為兩排布置，每排布置錨索三根，排距為1.5 m，同時(shí)將錨索長(zhǎng)度由5.2 m 加長(zhǎng)為8.2 m。優(yōu)化后的頂板支護(hù)方案如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后的頂板支護(hù)方案

（2）補(bǔ)打底板錨桿

在巷道底板距兩幫0.5 m 處補(bǔ)打直徑43 mm、長(zhǎng)1600 mm 的管縫式錨桿，在錨桿孔中插入直徑22 mm 的鋼筋，采用高壓注漿泵往孔內(nèi)注水泥漿。

（3）反底拱

在地質(zhì)構(gòu)造附近巷道優(yōu)化后的頂板支護(hù)方案比較嚴(yán)重或臥底后反復(fù)出現(xiàn)底鼓的區(qū)域，采用反底拱的方案。在底板施工下挖0.5 m 施工反底拱，然后對(duì)巷道底板進(jìn)行注漿，將反底拱施工過(guò)程中的裂隙充填封閉，抵抗水平應(yīng)力對(duì)底板的破壞。

4 應(yīng)用效果

對(duì)巷道采用如上的底鼓治理方案后，在工作面前方建立測(cè)站，對(duì)巷道表面位移進(jìn)行觀測(cè)，其中三號(hào)測(cè)點(diǎn)位于工作面前方80 m，其變形規(guī)律如圖5。

圖5 底鼓治理后的巷道頂?shù)装逦灰?/p>

由圖可以看出，治理后的巷道仍然有底鼓發(fā)生，但底鼓量小，最大值僅為0.1 m。當(dāng)該測(cè)點(diǎn)進(jìn)入工作面超前支承壓力的范圍后，底鼓出現(xiàn)了反彈，底鼓量變大，最大底鼓量達(dá)到了0.4 m，但未影響生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）33423 工作面順槽底鼓的主要原因是在高水平構(gòu)造應(yīng)力的作用下，底板的軟弱泥巖由于未采取任何支護(hù)措施而產(chǎn)生的明顯流變所致。

（2）巷道的頂板、底板和兩幫是一個(gè)整體，對(duì)底板的穩(wěn)定性控制必須考慮頂板和兩幫的作用，采用一體化全斷面的支護(hù)設(shè)計(jì)方法。

（3）通過(guò)采取加強(qiáng)支護(hù)、補(bǔ)打底角錨桿，局部區(qū)域淺部注漿等措施，33423 工作面回采巷道底鼓得到有效治理，保證了工作面的正常生產(chǎn)。