朱瑞巖

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

山西潞安古城煤礦成立于2018年，屬于新建設(shè)的礦井，井田面積157 km2，礦井年生產(chǎn)能力8.00 Mt，主要開采3號煤層。3號煤層位于山西組下部，上距K8巖層平均40 m，K8巖層主要組成部分為泥巖、砂質(zhì)泥巖,3號煤與K8巖層之間由粉砂巖、細(xì)粒砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖相隔。煤層埋深550 m左右，煤層平均厚度6.3 m，屬于近水平煤層，煤體相對破碎，底板由泥巖、砂紙泥巖組成，屬于軟弱、不穩(wěn)定巖層。S1306工作面運(yùn)輸順槽距離上區(qū)段采空區(qū)間的煤柱寬度是20 m。

S1306工作面運(yùn)輸順槽在支護(hù)過程中采用了“錨網(wǎng)索+鋼帶+菱形網(wǎng)”支護(hù)技術(shù)，對底板無支護(hù)，巷道初始支護(hù)方式，如圖1所示。

圖1 巷道初始支護(hù)

掘進(jìn)S1306工作面運(yùn)輸順槽時頂板中部出現(xiàn)裂縫破斷和開裂，導(dǎo)致W鋼帶斷裂，出現(xiàn)明顯網(wǎng)兜，底板鼓起高度達(dá)700～800 mm，開裂現(xiàn)象明顯，硬化底板完全破壞，礦方不得不進(jìn)行起底作業(yè)。S1306工作面回采期間，巷道礦壓顯現(xiàn)更加劇烈，巷道底鼓問題尤為突出，呈現(xiàn)大范圍嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象，底板鼓起最大高度近1.1 m，礦方多次進(jìn)行臥底作業(yè)以保證巷道正常使用。

地下采動過程中巷道底鼓現(xiàn)象普遍存在，隨著技術(shù)的發(fā)展，采煤技術(shù)越來越先進(jìn)，但底鼓所造成的支護(hù)成本高、煤炭損失多、采掘接替時間長的問題也越突出。針對古城煤礦S1306工作面運(yùn)輸順槽這種巷道嚴(yán)重底鼓影響工作面安全生產(chǎn)的突出問題，研究巷道底鼓形成機(jī)理并加以防治是十分必要的。

2 巷道底鼓機(jī)理

研究表明，S1306巷道底鼓不但與底板巖性有關(guān)，而且與圍巖應(yīng)力變化有關(guān)，尤其是底板應(yīng)力的重新分布[1-2]。

現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)巷道變形破壞沿走向方向和傾向方向呈現(xiàn)出顯著非同步破壞特征：沿走向方向，靠煤柱側(cè)頂板下沉量和底鼓量遠(yuǎn)大于靠實體煤側(cè)，甚至出現(xiàn)煤柱側(cè)頂板漏冒、嵌入、臺階下沉現(xiàn)象；沿傾向方向，底板沿煤柱側(cè)向?qū)嶓w煤側(cè)發(fā)生明顯水平擠壓運(yùn)動，致使巷道中部和實體煤一側(cè)出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

從煤柱寬度角度來看，巷道的底鼓嚴(yán)重程度與煤柱留設(shè)寬度也有關(guān)，留設(shè)寬煤柱，使得側(cè)向支承壓力集中于巷道頂板，待巷道掘進(jìn)和相鄰工作面再開采時出現(xiàn)嚴(yán)重變形。

由綜放沿空掘巷上覆巖層活動規(guī)律[3-4]可知，由于上區(qū)段采空區(qū)一側(cè)關(guān)鍵塊下沉，并且在實體煤側(cè)內(nèi)發(fā)生斷裂，形成側(cè)向砌體梁結(jié)構(gòu)[5]，側(cè)向集中應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移，且原來作用在煤柱上的壓力轉(zhuǎn)移到S1306巷道，通過幫部傳遞到底板，由于底板巖性較弱，受嚴(yán)重擠壓變形造成底鼓。

3 底鼓機(jī)理數(shù)值模擬研究

根據(jù)前述現(xiàn)場觀測和研究，可以得出底板變形嚴(yán)重的根本原因在于上區(qū)段采空區(qū)二次擾動影響，然而煤柱寬度的多少對擾動影響程度起決定性作用。采用基于數(shù)值模擬的方法，研究S1306工作面運(yùn)輸順槽巷道底鼓機(jī)理，以期為古城煤礦其他工作面煤柱的留設(shè)提供參考。

結(jié)合工作面地質(zhì)情況，建立三維數(shù)值模擬模型，使傾向為X軸方向，工作面推進(jìn)方向為Y軸方向，Z軸垂直頂?shù)装逑蛏?。由超前支承壓力和?cè)向支承壓力波及范圍，設(shè)定如下模型邊界：沿X方向取100 m，左側(cè)邊界距采空區(qū)邊緣60 m；沿Y方向取50 m；沿Z方向上取70 m，計算模型尺寸為100 m×50 m×70 m。煤巖體采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。采空側(cè)巷道底板塑性區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果，如圖2所示。

圖2 采空側(cè)巷道底板塑性區(qū)數(shù)值模擬

底板塑性區(qū)破壞深度與底鼓量是成正比的，所以通過研究采空側(cè)巷道底板的破壞深度可以反映底板鼓起量。由上圖分析得出：煤柱寬度分別為5 m、8 m、12 m、20 m時底板破壞深度依次為4 m、4 m、5 m、4 m。但是煤柱寬度為5 m的時候巷道圍巖全部發(fā)生塑性破壞，不利于巷道圍巖的控制。在同樣底板破壞深度情況下，煤柱寬度20 m時煤柱承載能力提高，但是煤柱損失太大。

結(jié)合上述分析，在S1306區(qū)段巷道原有支護(hù)基礎(chǔ)上需要加強(qiáng)對兩幫和底板的支護(hù)。并且可以得出合理的煤柱寬度為8 m，此時8 m煤柱將開始進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)，煤柱仍具有一定承載能力，提高了煤炭采出率，經(jīng)濟(jì)效益可觀。雖然目前現(xiàn)場巷道煤柱寬度無法改變，但是對其他工作面的開采具有參考價值。

4 返修處巷道圍巖控制

S1306工作面運(yùn)輸順槽返修巷道采用聯(lián)合支護(hù)方案，即在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上對底板采用“高強(qiáng)錨索+注漿+底板硬化”支護(hù)，幫部采用高強(qiáng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，且煤柱幫側(cè)距底板2 100 mm處打一根錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。支護(hù)參數(shù)為：底板錨索選用φ21.8 mm×5 600 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排2根錨索，支護(hù)位置在底板底角處，只在底鼓嚴(yán)重的地方進(jìn)行支護(hù)，主要是為了與底板深處的穩(wěn)定巖體錨固在一起，維護(hù)巷道的穩(wěn)定。實體煤幫選用φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋錨桿，上部錨桿距頂板400 mm，底部錨桿距底板600 mm，每排布置4根錨桿，頂板處錨桿向上傾斜15°，底板處錨桿向下傾斜15°，其余垂直兩幫布置。煤柱幫錨桿支護(hù)形式和參數(shù)同實體煤幫，錨索選用φ21.8 mm×5 000 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鉆孔深度為5 300 mm。煤柱幫錨索的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，盡可能使錨索錨固端位于彈性區(qū)穩(wěn)定煤體內(nèi)，加固支護(hù)系統(tǒng)所需要的強(qiáng)度和剛度，抑制錨固區(qū)內(nèi)圍巖承載力的降低，在錨固區(qū)內(nèi)形成強(qiáng)度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，有效控制圍巖的后續(xù)變形。

底板支護(hù)過程中，由于巷道底板鉆孔施工普遍存在難以成孔，孔裂隙塌落巖塊堵塞鉆孔[6]的現(xiàn)象，可以根據(jù)鉆孔周圍裂隙發(fā)育情況進(jìn)行預(yù)注漿加固圍巖，然后用專用鉆桿進(jìn)行鉆孔。當(dāng)專用鉆桿桿體進(jìn)入孔中，繼續(xù)用普通鉆桿穿過專用鉆桿進(jìn)行鉆孔，在清洗鉆孔時專用鉆桿保持留在鉆孔中，既可以防止孔裂隙巖塊塌落，而且便于擠出漿液提高清洗效率，其余按照頂板錨桿（索）安裝步驟施工，最后硬化底板。

支護(hù)方案，如圖3所示。

圖3 返修巷道支護(hù)方案

5 應(yīng)用效果

為了保證巷道的正常使用和工作面的安全生產(chǎn)，在底板變形嚴(yán)重的地方進(jìn)行返修。在S1306運(yùn)輸順槽采用上述聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行工程實踐后，設(shè)立了圍巖表面位移監(jiān)測站，通過巷道表面位移監(jiān)測得到S1306巷道底鼓量最大為84.2 mm，頂板下沉量最大為45.1 mm，兩幫移近量最大為43.3 mm。從位移曲線變化趨勢可以看到，在巷道采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后前80 d巷道表面活動明顯，80 d之后緩慢趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場觀測結(jié)果證明采用上述聯(lián)合支護(hù)方法能較好地控制巷道底鼓。巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果，如圖4所示。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測曲線

6 結(jié)語

采動巷道底鼓不僅受底板巖性的影響，主要是由于底板巖層應(yīng)力的重新分布，使巷道受力重心偏移，幫部應(yīng)力不能傳遞到圍巖深部，反而轉(zhuǎn)移到底板，造成底鼓。根據(jù)古城煤礦S1306巷道底鼓形成機(jī)理，通過分析研究表明，底板變形與兩側(cè)幫部載荷、留設(shè)煤柱寬度等有關(guān)，治理巷道底鼓應(yīng)該綜合從這幾方面考慮。因此提出了聯(lián)合支護(hù)方案，通過現(xiàn)場實踐驗證了返修段巷道聯(lián)合支護(hù)方案的合理性。