大埋深高地应力矿压治理的技术实践

赵 帅

（山西晋煤集团胡底煤业有限公司，山西 晋城 048214）

1 工程概况

胡底煤业井田位于山西省沁水煤田西北部，为突出矿井，矿井采用主斜副立综合开拓方式，开拓巷道采用三进两回布置，埋深在450～730 m之间，随着开拓深度的增大，尤其通过石门上向斜地质构造带后，巷道围岩受到自重应力和高构造应力的双重影响，巷道围岩出现大变形失稳破坏。巷道支护成型后最长时间不到半年，最短不到一个月时间，大巷石门均有不同程度的变形。巷道两帮最大移近量达到1500 mm，顶底板变形量最大达到2500 mm，主要表现为巷道帮部和拱顶喷层大面积开裂，部分开裂严重处，喷层已经脱落，裸露出钢筋网片和围岩体，底板出现不同程度的底鼓现象，底板变形严重处底鼓量达到2200 mm。从现场观测来看，底板变形仍未稳定，严重威胁了现场设备和工人的安全。

由于矿压显现强烈，公司组织对失修区域采取支挖离层、处理地鼓后，采用了全锚索支护，并进行了注浆。并在巷修区域设置了位移测点进行变形观测，3个月内未发生有害变形。在2017年随着时间的推移及首采面回采临近停采线，与1301工作面对应的大巷石门巷道段均出现不同程度的变形（大巷与采面保护煤柱为100 m）。其中辅助运输石门和主运输石门、辅助进风石门变形尤其严重，主要表现为两帮回缩、混凝土喷层开裂，局部变形严重处浆皮脱落，底鼓严重。通过现场矿压监测，巷道围岩变形仍未稳定。

图3 主运输巷穿层巷道地质剖面

图4 辅助运输巷穿层巷道地质剖面

2 变形破坏原因分析

2.1 地应力评估

依据“晋城矿区地应力测量结果”，晋城矿区以晋—获褶断带为界，东区（凤凰山矿、古书院矿、王台铺矿等老区）最大水平应力方向主要为N19.4°～N56°，西区（成庄矿、寺河矿等）最大水平主应力方向主要为N30.2°E～N82.4°W。胡底煤业较接近成庄矿和寺河矿西区，五条石门的锚杆断裂区域多为巷道的北拱部，应该与最大垂直主应力和最大水平主应力的共同作用有一定关系。通过地应力测试结论，最大水平主应力σH=18.34 MPa，最小水平主应力σh=9.41 MPa，垂直应力σV=16.47 MPa。 从测试结果判断，区域最大水平主应力方向为北偏东65°左右。

2.2 地质特征分析

（1）大巷石门失修严重区域掘进过程中，通过石门上向斜构造，石门上向斜贯穿井田中部，轴向近南北，轴长1580 m，两翼地层倾角不对称。东翼倾角比较平缓，一般9°左右，西翼倾角较大，为21°左右。巷道失修的主要区域在向斜的西翼及轴部，矿压显现较为明显，地质构造带对巷道的支护影响较大。

（2）结合大巷石门地质剖面图和现场分区域段取芯结果可知，巷道为穿层巷道，围岩软弱不均、岩性不一，各层间节理、裂隙原生存在，岩层间摩擦系数低，特别是辅运、主运石门砂质泥岩中含有1#煤层，而且1#煤层上下层伴生为更软弱的碳质泥岩，巷道受到高应力的垂直和水平剪切作用时，各岩层发生相对错动，加剧了巷道的变形破坏。同时巷道围岩以泥岩为主，强度低，易风化，风化后呈现碎块状，裂隙较多，围岩结构遭到进一步破坏，承载能力丧失。对此特选取了主运和辅运石门巷帮岩体，经天地公司应用X射线衍射仪进行了测试成分分析得出，矿井辅运和主运石门围岩中的泥岩具有强度低、易风化，遇水软化并具有一定的膨胀性，由于受1303工作面的回采动压影响，围岩二次应力的调整引起的岩体的变形及破坏，致使岩体裂隙张开，潮湿的空气进入围岩内部，导致围岩强度进一步弱化，对于这类泥岩巷道，如不及时对围岩加固或支护强度不够，巷道围岩顶板易于失稳。

2.3 采动影响

如图4所示工作面回采引起超前支承压力集中系数峰值一般为原岩应力的3倍左右，由于矿井原岩应力值相对较高，导致工作面停采线前方的巷道要承受更为剧烈的回采动压影响。巷道表现为围岩破坏范围大、位移显著，原生结构面发生了显著离层、滑动、张开，大量新的破裂产生与扩展，导致围岩扩容变形严重，体积显著增加；巷道围岩受采动引起的高应力作用，围岩结构遭到严重破坏，扩容膨胀、破碎挤出，降低了锚杆的锚固作用，使得锚杆、索主动承载能力降低，甚至失效，产生较大的变形。

3 巷修

3.1 高标准巷修

（1）按照“高标准巷修”工程质量理念，挑顶扩帮处理至围岩稳定，保证巷道高度和宽度，确保巷道成形。对挑顶、扩帮处理后的巷道，进行锚索补强支护，间排距1m×1 m，建立顶板管理班评估制度，每班填写《全锚支护巷道小班工程质量与顶板动态评估表》，确保锚杆、锚索的角度、间排距、预紧力100%达标，网片紧贴岩面，为喷浆作业打好坚实基础。

（2）要狠抓顶板管理，排查顶板隐患，对巷修地点顶板离层每班作业前进行全部找掉，发现问题必须处理后再进行施工。每天对主运巷道围岩表面位移进行观测记录，每周进行汇总系统分析，绘制图表并得出相应的结论，总结巷道变形的规律，为矿压治理奠定基础。

图5 工作面回采停采线前方巷道顶板应力整体分布情况

（3）巷修时，对巷帮显露的煤线进行采集数据，并绘制图表，系统的记录分析，为下一步注浆作业做好准备。建立现场生产反馈表，根据已有的地质资料对挑顶、扩帮后新裸露的围岩岩性、敲帮问顶情况、顶板锚杆（索）钻孔（打眼）的各种情况进行反馈汇总，对顶板岩性及稳定性进行分析判断。

（4）在失修区域每隔15～20 m建立围岩表面位移“十”字位移测点，坚持每天监测，并对数据进行周分析、月分析，掌握巷道变形显现的规律。

图6 主运“十”字位移测点数据分析

通过数据分析，变形主要原因有：变形随着1301首采面的撤架，巷道底板及顶板变形变缓，由开始一周底鼓变形60mm降低至10 mm，主运石门主要变形原因为1301首采面的采动影响，主要集中在4#横川至1301胶带顺槽口区段，变形多为底鼓及右帮变形。通过现场观察及数据分析，巷道右帮变形量较大，多处出现锚索折断，巷道右帮出现帮鼓现象，后经做位移测点及锚索位移量监测，发现局部巷道锚索外露减少的现象，辅进石门及盘区水泵房也存在此现象。所以结合现场分析巷道变形在主运石门南帮及辅进石门北帮，受软层岩石及应力分布变形导致锚索折断及外露减少，应加强对此段支护及注浆。

3.2 巷修经验

（1）巷修工作需人员进入皮带侧作业，制度专门的安全技术措施，安装皮带行走过桥，同时将作业地点距过桥中间用钢筋网片作防护网，防止了皮带矸石掉落伤人及人员触及皮带事故的发生。

（2）巷修工作需加强对巷道电缆、监测线路、管路、巷道标示牌及照明灯保护，保护电缆监测线时用旧皮带包裹然后将其下放在搭设的平台下，下放时保证电缆不受力，用上面覆盖的厚木板进行保护。管路保护用旧风筒包裹，然后上面用铁丝绑厚木板进行保护，防止掉落矸石砸伤，杜绝了监测中断、瓦斯误报警等事故。

（3）面对我矿大埋深高应力的现状，巷修工作必须认真对待，在巷修时，根据现场实际情况，逐步分析总结。通过不断理论和实际的结合，提高全员对巷修工作的认知和重视。

（4）在本次集中处理失修巷道时对特殊区域做好标记，建议注浆孔的布置要根据现场实际情况进行布置，不能一概而论，尤其软岩区域要布置密集，同时在注浆材料上的选用要结合本矿岩性而定。

4 矿压治理

4.1 已掘巷道的矿压治理

针对矿井的不同巷道不同区段，通过对各个区段的使用功能、岩石力学、地层分析、施工质量、支护设计等分别进行分析与研究，制定每一区段的巷修措施、加固方案、监测方法和补强措施，更深度层次认识到矿压治理的一下新思想和新观念，改善了原来的矿压治理理念，加强了对矿压管理的认识，更有充足的准备去应对大埋深高地应力条件下的矿压治理。

4.2 新掘巷道的矿压治理

（1）新掘巷道层位确定为主运、集中、辅回巷道顶板沿3#煤层顶板掘进，辅运、辅进巷道以K6灰岩为顶板掘进。沿3#煤层顶板掘进，为煤巷，直接顶为深灰色泥岩、粉砂质泥岩为主，老顶为石英杂砂岩，层位稳定，巷帮则为煤帮，易于掘进和管理维护；以K6灰岩为顶板沿5#煤层掘进，为岩巷，巷道顶板为深灰色石灰岩，强度高，便于顶板管理。巷道层位研究优化后较之前巷道更加稳定，顶板更易于控制。加强对新确定层位巷道深部岩层的支护强度，加大锚杆索支护护表面积，加深顶板位移监测深浅孔深度和观测次数，及时掌握地质性能情况进行分析解决，控制巷道围岩变形，满足矿井巷道支护要求。

（2）巷道每相隔6m顶部增加2根10.3m的锚索，作为深部离层的信号，防止出现大面积冒顶；在交叉口等巷道断面增大的区域，补打10.3 m的锚索，增加支护强度。新掘巷道加强顶板离层仪的观测和安装标准，安设位置选择在2根10.3m锚索中间；深部基点布置在巷道上方稳定岩层中（约10 m左右位置），浅部基点布置在锚杆端部位置（约2.5 m左右）。

5 结语

巷修工作须高度重视，需要认真分析原因，避免今后新掘巷道出现失修情况；掌握矿压应力分布规律，合理布置采掘衔接工作，使得运输系统可靠、巷修工程减少、采掘衔接更加合理等优点；满足机械化矿井生产需要，还能为企业创造好的经济效益，对快速建井、快速投产具有现实意义；为建设成高瓦斯高突出高应力条件下高产高效的现代化样板矿井奠定基础。