布尔台矿 3-1煤回采巷道底鼓机理分析与防治对策

吴玉文,宋选民,欧阳辉

（1.神华新街能源有限责任公司,内蒙古鄂尔多斯 017000;2.太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原 030024; 3.神东煤炭集团布尔台矿,内蒙古鄂尔多斯 017000）

布尔台矿 3-1煤回采巷道底鼓机理分析与防治对策

吴玉文1,宋选民2,欧阳辉3

（1.神华新街能源有限责任公司,内蒙古鄂尔多斯 017000;2.太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原 030024; 3.神东煤炭集团布尔台矿,内蒙古鄂尔多斯 017000）

基于布尔台矿 3-1煤层地质赋存条件、开采巷道布置、工作面开采接续顺序以及巷道矿压显现实测规律,采用矿山压力与岩层控制的基础理论,探讨了回采巷道底鼓严重的力学机理,详细分析了巷道底鼓的影响因素,比较了各种影响因素的相对重要性,认为 3-1煤层的顶底板岩层性质、开采深度、巷道布置以及工作面的开采接续顺序是造成巷道底鼓严重的最重要影响因素。在此基础上,提出合理选择 3-1煤层相邻工作面的开采滞后错距参数,以及调整工作面接替顺序将是避免和防治回采巷道底鼓的重要途径。

回采巷道;底鼓机理;防治对策

随着神东集团建设规模与区域的扩大,陆续在鄂尔多斯附近新建布尔台、寸草塔和柳塔等矿井,此处开采深度大幅增加,顶底板岩性明显松软及开采布局与接替顺序等,亦与大柳塔附近矿井有质的不同,因而回采巷道矿压显现强烈、围岩变形严重,大大影响工作面快速推进和高产高效,制约着矿井建设的健康发展。关于巷道变形破坏尤其是底鼓的研究,已有大量的研究成果[1-3],但以往涉及开采布局的影响研究较少。为此,应探索布尔台矿3-1煤层条件下回采巷道发生严重底鼓的力学机理,分析其显著影响因素,制定可行的、科学有效的防治对策,以促进采场巷道围岩控制与支护技术的进步。

1 布尔台矿 3-1煤层地质开采技术条件

布尔台矿是神华集团新建设的年产 20Mt大型现代化矿井,主采 3-1煤层和 5-1煤层。新投产盘区为 3-1煤层的十一盘区,正在开采 23101和23102工作面。3-1煤层开采厚度平均 3m,埋藏深度平均 240.4m,最大 343.5m,直接顶板为砂质泥岩,厚 27.36m;底板为粉砂岩,厚度 4.1m,均为泥质胶结;基本顶为细砂岩,厚度 32.56m。23101和 23102工作面长度 300m,23101（1）面推采长度 2760m,21301（2）面推采长度 2065m,23102面推采长度 4657m。运输巷高宽为 3m×5.4m,回风巷高宽 3m×5.2m,采用锚杆,锚索联合支护;锚索联合支护,锚杆 φ16×1.8m,间排距 1.1m,锚索 φ17.25mm×6500mm,间排距 2.2m×2m。护巷煤柱 20m。工作面巷道布置如图 1。

2 23102回采巷道围岩变形的特征分析

布尔台矿在投产 23101工作面时,为早出煤将原来计划布置的 23101工作面,分为 2个工作面,即 23101（1）和 23101（2）工作面。先采 23101 （1）工作面,在采空区后方维护巷道,等前工作面快停采时,后面的 23101（2）工作面开始回采。

图1 工作面巷道布置

23101（1）工作面开采过程中,推进距切眼230～300m时,其后方 60m范围内运输巷道开始发生底鼓,变形量 400mm左右,此为 3-1煤层23101（1）工作面开采的第 1次巷道底鼓,随后工作面后方运输巷道底鼓基本持续到 23101（1）工作面回采结束。

23101（2）工作面,在 2009年 2月 8日推进距切眼 230m后,运输巷道发生第 2次底鼓,超前工作面 100m产生最大底鼓,巷道并未冒顶,且运巷底鼓存在周期性,即每推进 100m发生 1次大范围底鼓。

23102工作面开采过程中,距 23101（2）面630m时,回风巷道发生底鼓。2009年 2月 18日,相距 690m时,23102综采面机尾 4架范围沿工作面方向发生冒顶,长度 10m,宽度 6m,高度 9m,支架翘起,顶梁下沉,支架后方采空区矸石大量涌入;23102综采面机尾、23102回风巷超前工作面30m范围内顶板破碎严重,底鼓量达到 300～500mm,顶板整体下沉也很严重。

2009年 3月 22～25日,23102工作面回风巷道底鼓严重,顶板未冒,推进受阻;2009年 4月 7～10日,23101（2）与 23102相距 810m时,回风巷道发生冒顶。在 23102面回采时,21303面回风巷也发生底鼓,但不严重。

总结以上情况,布尔台矿 3-1煤层回采巷道围岩变形具有如下特征:

（1）回采巷道围岩变形以底鼓为主,片帮比较轻微。

（2）底鼓主要发生在靠近开采侧的回采巷道,如 23101工作面开采时为 101运输巷道;23102工作面开采时为 102回风巷道。

（3）巷道底鼓范围,工作面前、后方各 60～100m的采动影响区,与采动影响密切相关[1,5]。

（4）巷道底鼓在时空上存在周期性,与采场顶板断裂运动规律即矿压显现规律等因素有关[5]。

（5）在工作面推进 230m后,巷道发生底鼓。

3 23102回采巷道底鼓影响因素分析

布尔台矿 3-1煤层 11盘区 23101和 23102工作面开采过程中,回采巷道围岩控制与支护难题的出现,主要是由特定的顶底板岩性、开采深度及开采技术条件的综合影响所致,为此将着重讨论其影响因素及重要性,以便寻求巷道底鼓的防治对策。

3.1 地质构造的影响

据调研,布尔台矿处于鄂尔多斯煤田一条主要的地质构造带上,井下断层和褶区构造发育,与神东主矿区的煤层赋存条件截然不同,3-1煤层顶底板及煤层受地质构造的影响,裂隙发育、结构破碎、岩性偏软,开采影响过程中巷道变形破坏明显[4],特别是底鼓严重。

3.2 3-1煤层顶底板岩性与开采深度的影响

布尔台矿 3-1煤层,巷道直接顶板为砂质泥岩,厚 27.36m;底板为粉砂岩,厚度 4.1m,均为泥质胶结。由矿压理论,在采深 343.5m条件,其垂直原岩应力为 8.42MPa,在掘巷后矩形巷道最大应力集中系数可达 5[1,5],则回采巷道的集中应力达到42.1MPa。

依据 3-1煤顶底板岩石力学试验结果,顶板直接顶砂质泥岩强度平均 39.66MPa,底板粉砂岩强度平均 13.48MPa,在 42.1MPa集中应力的作用下,发生巷道围岩变形破坏是必然的。因此,开巷后的底板已经处于临界破坏状态,受工作面采动影响时,则表现为严重的巷道底鼓现象,使厚度 150～200mm的混凝土底板发生“人”字形的鼓起断裂。

3.3 工作面开采顺序的采动影响

在布尔台矿 3-1煤层,基于早出煤、快达产以及采掘接续紧张的综合考虑,为了年产 20Mt的矿井目标,首先将 2个工作面布置在开拓准备好的一盘区,即 23101与 23102工作面,而且 23101工作面分为 2段,即 23101（1）和 23101（2）工作面。如此,先采 23101（1）工作面,将近回采结束时,开采 23101（2）工作面,待 23101（2）工作面推进一定距离后,又布置安装 23102工作面,滞后回采,在一个盘区的两个相邻工作面附近形成复杂的时空影响关系。此时,23101面运巷将要受掘巷影响、23101（1）采动影响,以及 23101（2）与 23101（1）复合影响,巷道矿压显现剧烈,底鼓严重将是难以避免的。

对于 23102回风巷道,除掘巷影响外,还受23101工作面一次采动影响和 23102面的二次采动影响,显然巷道底鼓的程度要比 23101运巷严重的多,此为该巷底鼓 400～600mm,冒顶片帮,影响工作面正常推进的又一个原因。

3.4 巷道煤柱宽度的影响

布尔台矿 3-1煤层一盘区 23101与 23102面,巷道煤柱设计为 20m,依据矿压观测资料分析结果,工作面煤壁前方的巷道显著影响范围恰为 20m左右,故 20m护巷煤柱设计使 23102回风巷正处于两巷受采动影响的剧烈显现范围,顶板的强大支承压力通过煤柱传递到巷道底板,使其底鼓变形和破坏,影响了底板的稳定。

3.5 同采工作面前、后支承压力叠加的影响

矿井产量目标要求,在 3-1煤层同时布置23101和 23102两个工作面,开采初期未很好掌握工作面前、后方采动影响距离范围,工作面的同采滞后间距一直处于摸索阶段,使滞后错距小于前工作面的后采动影响范围与后工作面的前采动影响范围之和,前面采场顶板岩层移动尚处于活动期间并未稳定,后面工作面即随后回采,前、后采动支承压力叠加,造成松软底板的严重鼓起,也是一个重要原因[5]。

综合上述分析,布尔台矿 3-1煤层影响回采巷道底鼓的最关键因素是工作面开采巷道布局、回采接替顺序以及同采滞后间距参数,能解决这些问题,将会大幅度减轻或避免巷道底鼓危害。

4 3-1煤回采巷道底鼓变形量的理论预测

在布尔台矿 3-1煤层条件下,巷道底鼓最严重的位置是工作面的两个出口,故在沿工作面方向的出口位置取一垂直剖面,将工作面与巷道联合考虑成一个扁平巷道,可建立弹性岩石介质的巷道底鼓变形预测力学模型 （如图 2）[3],有

式中,v为底板岩石泊松比;σy为巷道位置顶板垂直应力,MPa;G为底板岩石的剪切模量,MPa;L为扁平巷道的跨度,m;x为底板距原点位置,m。

单工作面 （23101）开采时,将L=310.8m,v =0.30,由 E=1281MPa得 G=E/[2（1+v）]= 492.31MPa,σy=8.42MPa,x=152.7m带入 （1）式,可预测 23101运输巷道的底鼓变形量为0.345m,即单面采动时 23101回风巷底鼓量可达345mm,与实测结果基本一致。

图2 巷道底鼓的力学预测模型

当 23102工作面开采时,23102回风巷道受二次采动影响,因工作面布置参数完全一致,可将 2个工作面的影响简单叠加,故可预测 23102回风巷受二次采动影响的底鼓变形量为 690mm。此与23102回风巷的实测底鼓量基本一致。

5 3-1煤层回采巷道底鼓防治对策

从布尔台矿 3-1煤层回采巷道的底鼓破坏原因方面着手,可以采取如下的防治对策:

（1）调整工作面开采顺序或布局,布置多盘区单工作面开采或盘区内工作面跳采的模式,避免多面同采的采动影响叠加,从根本上解决巷道底鼓。

对 3-1煤层一盘区巷道底鼓影响最严重的还是采动影响因素,初次采动影响是不可避免的,重要的是如何避免二次采动对巷道底鼓的叠加影响,才是解决问题的实质所在[1,5]。为此,通过布置多盘区单工作面开采模式,即按矿井产量要求布置 2～3个盘区,各盘区内布置 1个工作面,实施盘区间工作面轮采,待盘区内工作面回采结束岩层移动稳定后,再进行盘区内下一个工作面的开采,即可消除 2个相邻工作面开采对巷道变形的叠加影响;或在盘区内实行工作面跳采,即先采 23101,23103, 23105工作面,再采 23102,23104,23106工作面,亦可避免回采巷道围岩变形的采动影响叠加。

（2）3-1煤层工作面实行 3巷布置,设置措施巷,合理留设煤柱,允许中间措施巷变形破坏,充分释放采动支承压力的影响,减轻下工作面巷道底鼓,同时解决工作面瓦斯问题。

在矿井开拓准备与采掘接替实在不允许、只能开发单盘区的情况下,可考虑工作面的 3巷布置,总共 6条巷,其中 2个相邻工作面中间的巷道设为措施巷,该巷道除通风外,不用行车行人,允许其产生变形而释放采动压力[1,5],以保护下工作面开采的留用回风巷。措施巷还能用做瓦斯尾巷,充分稀释 3-1煤层工作面的涌出瓦斯,预防瓦斯灾害。

（3）将原来 300m的工作面长度缩短为 240m,减轻采动对巷道维护的影响,实现安全高效开采。

神华集团神东矿区采场矿压显现规律的实测研究表明,工作面长度对采场矿压显现强度以及巷道围岩稳定性有重要影响[6,7],工作面越长,巷道围岩破坏越显著。为此,结合布尔台矿 3-1煤层顶板为泥质胶结的厚层砂质泥岩与底板为泥质粉砂岩的条件,采取缩短工作面长度为 240m的措施,也可改善巷道底鼓破坏的困难状况。

（4）在工作面和巷道布置参数均合理的情况下,巷道底板采用钢筋混凝土反拱支护,减轻底鼓。

针对布尔台矿 3-1煤层回采巷道的底鼓影响因素分析,其最主要的影响是地质和开采布局因素,地质影响无法避免,开采布局可以调整。因此,在开采布局合理科学的前提下,可以对回采巷道的底板实施支护以及防鼓措施,目前可行的支护有:底板锚杆锚索联合支护、设置底板钢筋混凝土反拱支护和开设底板泄压槽等。

试验表明,锚杆 （索）支护仅在托盘附近底鼓减小,其他地方仍然严重,底板仍发生类似无底板支护情况下沿支护排的切断破坏;开设底板泄压槽防治底鼓效果应该比较好,但国内外无巷道底板开槽机械,人工开槽工人劳动强度大;惟一可行的措施是钢筋混凝土反拱支护,但施工难度大,与底板锚杆 （索）支护一样,需要垫平巷道解决车辆运输的问题。此外,这些措施的共同缺陷是巷道施工进度慢,影响工作面的正常接续。

6 结论

通过布尔台矿 3-1煤层回采巷道底鼓问题的研究,得出如下简要结论:

（1）布尔台矿 3-1煤回采巷道变形破坏以底鼓为主要特征;靠近开采侧底鼓严重;受重复采动影响巷道底鼓剧烈。

（2）巷道底鼓破坏的内在原因,有巷道围岩性质、采深、工作面巷道布置及开采顺序等方面的影响,最重要影响因素为工作面巷道开采布局与同采工作面的采动支承压力叠加。

（3）单工作面开采巷道底鼓预测为 345mm,双侧采动影响巷道底鼓预测为 690mm,与实测值较为吻合。

（4）布尔台矿 3-1煤巷道底鼓的技术防治对策有:多盘区单面轮采模式或盘区内工作面跳采模式;布置措施巷的 3巷布置方式;工作面长度缩短至 240m;巷道底板进行钢筋混凝土反拱支护。

（5）开采布局的科学规划设计是巷道支护优化的重要前提。对于布尔台矿 3-1煤回采巷道控制难题,改革工作面与巷道的总体布局,探索合理的采掘接替模式以及同采工作面滞后错距参数,才是解决问题的根本所在。

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Floor Heave Mechanism and Preven tion Measurement of Mining Roadwayin 3-1Coal Seam of Buer tai Colliery

WU Yu-w en1,SONG Xuan-min2,OUYANG Hui3
（1.Shenhua Xin jie Energy Co.,L td,Erdos017000,China; 2.Mining Technique Research Institute,Taiyuan University of Science&Technology,Taiyuan 030024,China; 3.Buertai Colliery,Shendong CoalGroup,Erdos017000,China）

Thispaper app lied basic theory of underground pressure and strata control to discussingm echanicsm echanism of serious floor heave inmining roadway,influence facto rs and relative importance of every factor according to geo logical cond ition of 3-1 Coal Seam,mining roadway layout,mining sequence and observed underground pressure ru le in roadway.Itbelieved that litho logical characterof roof and floor,mining dep th,roadway layoutandmining sequencewere themost important influence factorsof floor heave.On the basisof this,thispaperput forward that rationally selecting distance separation of ad jacentmining face in 3-1 Coal Seam and changingmining sequencewould be impo rtantapp roach of avoiding and preventing floor heave of mining roadway.

mining roadway;floo r heavem echanism;p revention counterm easure

TD 327.3

A

1006-6225（2010）05-0092-04

2010-08-16

国家科技支撑计划项目 （2007BAK0902）;山西省科技攻关项目 （200631118-02）;山西省自然科学基金 （200601047）

吴玉文 （1958-）,男,内蒙古乌蒙人,高级工程师,神华新街能源有限责任公司副总工程师。

[责任编辑:邹正立]