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    深部软岩大断面巷道底鼓防治技术应用

    时间：2023-07-01 17:55:06来源：百花范文网本文已影响人

    杨茂青

    （山西潞安环能上庄煤业有限公司，山西 长治 046200）

    随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，矿井逐渐向深部开采，巷道围岩控制更为困难，特别是巷道断面大、围岩松软时，围岩变形大、控制难度也大，成为制约巷道高效掘进以及安全使用的重要因素［1-3］。深部大断面软岩巷道受断面大、埋深大、采掘动压等多因素影响，围岩变形破坏机理复杂，给巷道围岩支护设计以及掘进施工带来明显制约［4-5］。底鼓是巷道围岩变形破坏主要类型之一，底鼓会给巷道运输、行人、通风等带来显著影响［6-7］。为有效治理深部软岩大断面巷道底鼓现象，以上庄矿11503工作面回风顺槽底鼓治理为工程背景，对底鼓产生原因进行分析，并提出以改善围岩受力（优化煤柱宽度）、强化顶板、巷帮支护为核心的底鼓治理技术，必要时辅助采用底板注浆技术对底鼓进行治理，现场取得较好应用效果。

    上庒1503工作面开采15#煤层，厚度8.9 m，煤层埋深均值650 m，采用综放开采工艺，全部垮落法管理顶板。15#煤层结构简单，煤层硬度0.5～1.6，中部靠上位置夹2～5层炭质泥岩、泥岩。11503工作面设计面长200 m、推进长度1 983 m，采煤机割煤高度为3.5 m，放煤高度控制在5.4 m左右。15#煤层顶底板岩性以炭质泥岩、铝质泥岩等为主，具体岩性参数如表1所示。

    表1 煤层顶底板岩性参数

    11503回风巷沿着15#煤层底板掘进，巷道为矩形断面，采用综掘方式、锚网索联合支护方式控制围岩，巷道设计掘进长度为2 033 m。11503回风巷与邻近的11501采空区之间留设有6 m护巷小煤柱，巷道在掘进至150 m位置时出现严重底鼓问题，最大底鼓量达895 mm，底鼓制约了巷道掘进及后续使用。

    2.1 底鼓特征

    11503回风巷在掘进至150 m范围时出现严重底鼓问题并伴随巷道收敛，回风巷围岩变形严重。在巷道掘进迎头向底板布置窥视钻孔对底鼓变形进行监测，得到的巷道底板岩层变形曲线如图1所示。

    图1 巷道底板岩层变形曲线

    从监测结果看出：①11503回风巷底板上存在有零位移点（N0点），该点位于巷道底板下方约1.38 m处，在N0点以上区域岩层受拉并表现出上移趋势、N0点以下区域岩层受压并表现出下移趋势；
    巷道底板岩层具备的上升趋势最终表现为底板底鼓。②随着深度增加上升区岩体位移呈现降低趋势，下降区位移呈先增加后降低趋势，最后逐渐趋于稳定。

    2.2 影响因素分析

    巷道底鼓主要受围岩岩性、围岩应力、围岩强度以及支护方式等因素影响。

    （1）围岩强度。11503回风巷沿着15#煤层底板掘进，巷道顶板及巷帮均为煤体，底板为承载能力以及稳定性等相对较差的炭质泥岩、铝质泥岩。底板岩层在掘进以及邻近采空区引起的应力作用下极易出现剪切破坏，进而出现底板底鼓。

    （2）围岩应力。11503回风巷埋深650 m，巷道围岩承受较大的垂向以及侧向应力，由于巷道底板未采取任何支护措施且底板强度较低，底板在较低水平应力作用下即会出现剪切破坏，导致底鼓发生；
    同时回风巷与邻近的11501采空区间仅留设6 m宽护巷煤柱，由于煤柱宽度小、承载能力差，会进一步增加煤柱帮及底板变形量。

    （3）11503回风巷原采用锚网索支护方式，采用锚杆规格为ϕ18 mm×2 200 mm，均垂直巷帮、顶板布置，底板未支护。由于支护采用的锚杆长度较短，对顶板及巷帮支护强度较小且无法实现对巷道靠近底板帮角位置进行有效支护，整体支护效果较差；
    底板未支护且强度较低，在水平应力作用下容易破断并向巷道内运移，出现底鼓。

    通过上述分析得出，11503回风巷底鼓的主要原因是底板强度低（承载能力及稳定性差）、原有支护参数不合理以及小煤柱无法起到必要的支撑作用。增强底板稳定性最为常见的措施为施工底板锚杆、锚索、注浆等方式，但是均存在施工难度大、工作量大等问题［8-10］。由于采面回风巷主要作用是回风，保证巷道断面满足通风要求，少量底鼓不会给巷道使用以及后续生产带来影响，为此该巷道底鼓防治措施主要从改善围岩受力、强化顶板及巷帮支护等方面出发，具体措施包括留设合理区段煤柱、巷道支护参数优化。

    3.1 留设合理区段煤柱

    采取措施前，11503回风巷掘进进尺仅为150 m，调整区段煤柱宽度不会给后续11503综采工作面生产带来影响。但由于15#煤层厚度大，区段煤柱留设过大会导致资源浪费。因此区段煤柱宽度通过数值模拟方式以及工程类比方式确定。采用数值模拟后，得到巷道底鼓量随区段煤柱宽度变化曲线如图2所示。

    图2 巷道底鼓量随区段煤柱宽度变化曲线

    从图2看出：①随着区段煤柱宽度增加，回风巷底鼓量呈先减少后增加趋势，其中区段煤柱宽度在4 m以内时，巷道底鼓量均在975 mm以上。②当区段煤柱宽度增加至10 m时，巷道底鼓量降低至325 m；
    当区段煤柱宽度增加至12 m时巷道底板底鼓量则又增加至412 mm，随着区段煤柱宽度增加巷道底鼓量呈现小幅增加趋势。③当区段煤柱宽度为20 m时，巷道底板底鼓量为320 m。综上所述，将煤柱宽度控制在10 m左右时，巷道底鼓量较小且煤柱宽度较为经济。

    矿井北翼3采区31507回风巷生产条件与11503回风巷条件类似，31507回风巷留设区段煤柱宽度为10 m，巷道底鼓量较小，类比可知，将11503回风巷区段煤柱宽度由6 m增加至10 m是可行的，通过适当增加煤柱宽度可缓解巷道底鼓问题。

    3.2 巷道支护参数优化

    对11503回风巷原有巷道支护参数进行优化，具体优化技术方案为：巷帮支护由ϕ18 mm×2 200 mm螺纹钢锚杆优化为ϕ22 mm×2 800 mm水力膨胀式锚杆；
    顶板用ϕ22 mm×3 100 mm水力膨胀式锚杆支护；
    巷帮及顶板锚杆均全长锚固，提高锚杆支护效果。将原有的ϕ18 mm×6 200 mm钢绞线锚索优化为ϕ22 mm×7 500 mm钢绞线锚索。顶板两侧锚杆以30°外插角布置，巷帮顶部锚杆及下部锚杆分别采用30°、45°外插角布置，通过强化巷帮肩角以及底角处岩体支护强度，降低围岩变形量。优化后的巷道支护断面如图3所示。

    图3 优化后巷道支

    图4 底鼓量监测曲线

    3.3 底板注浆

    由于底板注浆工程量大、耗时长，因此在底板条件较好时不采用，仅局部地段巷道底板变形严重时，在底板起底后采用注浆方式对底板进行加固。注浆采用普通水泥浆，注浆深度控制在3 m以内，注浆压力4～8 MPa，注浆浆液水灰比为2:1。注浆浆液在注浆压力作用下沿着裂隙扩展，胶结后可明显提高底板强度及承载能力，从而显著减少巷道底鼓量。

    3.4 应用效果

    11503回风巷采取底鼓治理措施后，间隔100 m布置2个测站，对底鼓变形量进行监测。具体监测结果如图4所示。从监测结果看出，随着时间增加，巷道底鼓量逐渐平稳，最终到20d后底鼓量最大为188 mm，底鼓量不会影响回采巷正常使用。

    1）11503回风巷底鼓量影响因素主要包括围岩应力、围岩岩性、支护参数等，具体而言回风巷留设的区段煤柱过小、巷道底板炭质泥岩及铝质泥岩承载能力过低、巷道原有支护参数不合理是导致回风巷底鼓的主要原因。

    2）依据回风巷现场实际条件综合采用数值模拟、工程类比法确定将11503回风巷区段煤柱留设宽度由6 m增加至10 m，通过提高煤柱支护及稳定性，以便降低煤柱帮以及底板变形量；
    对巷道支护采用的锚杆、锚索支护参数进行优化，通过提高顶板、巷帮支护强度并强化巷帮帮肩、底角位置岩体支护，降低围岩变形量。在巷道底鼓严重区域，采用注浆方式增强底板岩体强度，降低底鼓量。

    3）现场应用实践表明，11503回风巷采用底鼓防治措施后，底鼓变形严重问题得以有效解决，现场应用取得较好效果。

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