賀西礦軟巖巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)研究

曹三平

（呂梁市應(yīng)急管理局，山西 呂梁 033000）

0 引言

隨著，煤炭資源開采逐步向著深部礦井進(jìn)行轉(zhuǎn)移。開采的深度接近甚至超過千米，隨著開采深度不斷深入，使得礦井巷道的圍巖應(yīng)力狀態(tài)變得十分復(fù)雜，受到工程擾動及開采深度的影響，礦山的壓力顯現(xiàn)情況更加明顯，此時巷道巖體出現(xiàn)明顯的軟巖特性，圍巖蠕變現(xiàn)象加強(qiáng)，使得巷道的支護(hù)變得十分困難。不僅造成巷道支護(hù)及維護(hù)的成本大幅度增加，同時耗費(fèi)大量人力物力，但支護(hù)效果有時并不能達(dá)到預(yù)期效果，巷道支護(hù)失效失穩(wěn)現(xiàn)象屢見不鮮[1-2]。底鼓問題是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的重要難題，對巷道進(jìn)行支護(hù)控制研究十分重要[3]。以賀西礦3316（以下簡稱3316）綜采工作面為工程背景，由于其處于高應(yīng)力位置，巷道圍巖變形明顯，同時底鼓劇烈，所以本文以綜合數(shù)值模擬、工程實(shí)踐等方法對深部高應(yīng)力軟巖巷道底鼓支護(hù)進(jìn)行研究，為礦井安全高效開采作出一定參考。

1 礦井概況

賀西煤礦位于河?xùn)|煤田中部，柳林縣城東南12 km,井田面積18.9 km2，礦井核定生產(chǎn)能力300 萬t/a，目前開采山西組3 號、4 號煤層，3316 綜采工作面主要開采三采區(qū)3 號煤層，綜采工作面運(yùn)輸順槽長度935 m，運(yùn)輸順槽口至回風(fēng)大巷南側(cè)長度為45 m，停采線為40 m，可回采長度850 m，工作面傾向長度145 m，埋藏深度231.4 m，2 號煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層厚度2.80～3.38 m，平均為3 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2 層夾矸。頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，底板多為泥巖，局部為粉砂巖，煤層傾角3°～8°，平均為5°。

3316 綜采工作面巷道斷面為半圓拱，斷面凈高為4 850 mm，凈寬6 000 mm，斷面凈面積為25.24 m2，原支護(hù)采用“錨網(wǎng)索噴+錨索+壁后注漿”聯(lián)合支護(hù)方式。錨桿采用KMG22-600 型尺寸Φ22 mm×3 000 mm的高強(qiáng)樹脂錨桿，間排距700 mm×700 mm，每支錨桿配MSCK2850、MSK2850 型樹脂藥卷各一卷，每排19根。錨桿托盤采用尺寸為Φ150 mm×10 mm 的碟形托盤，金屬網(wǎng)采用鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為80 mm×80 mm。錨索采用尺寸為Φ21.6 mm×8 000 mm 的絲鋼鉸線，間排距為1 400 mm×1 400 mm，每支錨索分別配備MSCK2850、MSK2850 型樹脂藥卷一卷，每排9 根，錨索托盤采用Φ300 mm×14 mm 碟形托盤。同時采用全斷面注漿，設(shè)置深孔和淺孔注漿，注漿孔的間排距1 500 mm×1 500 mm，每排10 根，設(shè)置淺孔1.5 m，深孔長度2.5 m。

在原有支護(hù)方案下通過對巷道底鼓的動態(tài)監(jiān)測分析可以看出，巷道底鼓變形較為嚴(yán)重，支護(hù)體系嚴(yán)重失穩(wěn)，在原有補(bǔ)強(qiáng)方案中，主要針對頂板及兩幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，對底板的治理主要為打設(shè)幫、底腳錨桿，治理效果不明顯。因此對底板進(jìn)行有效的治理，避免巷道反復(fù)出現(xiàn)劇烈底鼓對于巷道穩(wěn)定十分必要。

2 巷道底板控制研究

針對巷道底鼓問題提出底板卸壓方案，底板卸壓法是一種常見的降低集中程度的方法，本質(zhì)是改變巷道底板巖層結(jié)構(gòu)，從而打破巷道內(nèi)部巖體整體連續(xù)狀態(tài)，將原有應(yīng)力形式進(jìn)行改變，轉(zhuǎn)移應(yīng)力峰值，形成底板卸壓帶，使得底板處于低應(yīng)力范圍，達(dá)到控制底鼓的目的。目前底板卸壓主要方法有切槽卸壓和爆破卸壓兩種，對兩種方案進(jìn)行對比擇優(yōu)，方案一為在巷道底板中心布置卸壓槽，切槽寬度為500 mm，切槽深度設(shè)定為1 500 mm；方案二在巷道底板進(jìn)行爆破鉆孔布置，鉆孔深度為13 m，鉆孔直徑為75 mm，間排距為5.6 m×6 m，裝藥長度和直徑分別為1.2 m 和35 mm，裝藥量為1.2 kg。對兩種方案進(jìn)行必選，選定FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究，根據(jù)巷道實(shí)際地質(zhì)條件，進(jìn)行模型的建立，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分遵循巷道邊緣細(xì)，模型邊界粗的原則，對模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，完成上述操作后，對模型進(jìn)行計(jì)算，兩種方案下巷道垂直位移如圖1 所示。

圖1 巷道垂直位移云圖

如圖1、圖2 所示可以看出，采用切槽和爆破卸壓兩種方式均能夠有效減少巷道的底鼓問題，對比兩種卸壓方案下巷道底板中心位移量，發(fā)現(xiàn)爆破卸壓后底鼓量最大值為0.28 m，而切槽卸壓的底鼓量最大值為0.56 m，爆破卸壓比切槽卸壓最大底鼓量降低了100%。同時切槽后，此時底板由于應(yīng)力作用向著切槽位置不斷擠壓，極有可能導(dǎo)致切槽位置不均質(zhì)巖性巖層出現(xiàn)不均勻變形量，從而導(dǎo)致切槽閉合后底板出現(xiàn)高度不一致現(xiàn)象，嚴(yán)重時會影響兩幫圍巖穩(wěn)定。所以綜合考慮后選定爆破方式對底板進(jìn)行卸壓。

圖2 底板注漿及錨索布置示意圖（單位：mm）

圖2 垂直位移量

經(jīng)過分析后，決定在巷道600～650 m 位置采用底板注漿+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案，在巷道650～700 m 位置采用底板爆破卸壓方案。

1）方案一。對底板進(jìn)行注漿+錨網(wǎng)索支護(hù)。在巷道的底板布設(shè)注漿孔注漿，并通過錨索孔安裝底板錨索，在通過注漿提高底板抗變形能力的基礎(chǔ)上，聯(lián)結(jié)底板破碎巖層，避免塌孔。同時錨索能夠加固底板，從而提高巷道底板穩(wěn)定性。具體施工順序如下：噴止?jié){層→注漿（淺孔）→打設(shè)錨索→安裝錨網(wǎng)索→注漿(深孔)→進(jìn)行回填。

2）方案二。底板爆破切底。在巷道幫腳打設(shè)爆破孔，通過三級乳化炸藥進(jìn)行深孔爆破。具體施工順序如下：打眼→裝藥→爆破。

通過對施工效果進(jìn)行分析，確定施工方案的可行性。

對底板澆筑錨索布置進(jìn)行施工，由于軟巖巷道底鼓較為嚴(yán)重，巖層存在破碎情況，所以為了防止淺孔注漿時漿液漏漿，在施工前，噴射砼地，對底板進(jìn)行封閉。進(jìn)行淺孔注漿，保證巖層完整性，避免打設(shè)深孔錨索時出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。選用淺孔注漿的主要注漿材料為425 號普通硅酸鹽水泥混合高效凝固劑。注漿孔間距設(shè)定為2 000 mm×2 000 mm，注漿孔深度為3 000 mm。同時在底板施工Φ75 mm 的大孔徑鉆孔，沿著底板進(jìn)行垂直布設(shè)。錨索長度為8 m，間排距1 200 mm×1 200 mm，錨索預(yù)緊力為100 kN。底板注漿及錨索布置示意圖如2 所示。爆破卸壓在底板布置底板炮孔，炮孔長度約為13 m。采用三級乳化炸藥，采用毫秒延期電雷管，藥卷規(guī)格為Φ35 mm×200 mm，每孔6 卷，間排距設(shè)定為5.6 m×6 m，巷道試驗(yàn)爆破長度50 m，爆破孔共施工8 排，每排2 孔。

對巷道試驗(yàn)段的底板巖層活動規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測，在巷道內(nèi)部布置7 個監(jiān)測巷道，分別監(jiān)測未處理段底板、注漿錨索加固段底板及爆破試驗(yàn)段底板，分別在巷道底板處間隔一定距離設(shè)置位移監(jiān)測站。在巷道600～700 m 處的試驗(yàn)巷道監(jiān)測施工完成后，對巷道試驗(yàn)段進(jìn)行為期兩個多月的監(jiān)測，巷道底板垂直位移變形曲線如圖3 所示。

圖3 巷道底板垂直位移變形曲線

從圖3 可以看出，隨著監(jiān)測天數(shù)的不斷增加，巷道底板垂直位移變化曲線均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，但在未進(jìn)行處理段的監(jiān)測點(diǎn)巷道底板垂直位移量增加的趨勢明顯大于爆破卸壓及切槽卸壓段，爆破卸壓與切槽卸壓段的底板變形量均處于可控狀態(tài)，巷道底板垂直變形量最大值在42 mm 左右，所以兩種方案均能使巷道底鼓量得到有效控制，兩種方案均可行。

3 結(jié)論

1）對原有支護(hù)方案下巷道底板變形量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)原有支護(hù)方案下巷道底鼓變形較為嚴(yán)重，支護(hù)體系嚴(yán)重失穩(wěn)。

2）對切槽卸壓和爆破卸壓效果進(jìn)行分析，通過模擬得出爆破卸壓較切槽卸壓的底鼓量控制效果更好，所以確定爆破卸壓方案。

3）在巷道600～650 m 位置采用底板注漿+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案，在巷道650～700 m 位置采用底板爆破卸壓方案，經(jīng)過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)兩種方案均能滿足巷道底板控制要求。