深井大断面软岩巷道底鼓破坏特征及治理技术研究

2019-05-05郝万东

煤炭工程 2019年4期

刘剑，郝万东

(1.鄂尔多斯市能源局，内蒙古鄂尔多斯 017000； 2.中国煤炭科工集团太原研究院，山西太原 030006)

随着我国煤炭资源开采逐渐向深部发展，巷道围岩控制变得更为困难，特别是当巷道断面大、煤层较软时，巷道变形破坏严重，支护困难，回采巷道围岩的控制已成为矿方关注的主要问题[1-3]。由于埋藏深，断面大，同时受已采空区应力的影响，巷道围岩破坏机理复杂，给支护设计与施工带来困难，对于深井软岩巷道而言，底鼓破坏成为巷道最主要的破坏形式，对工作面的运输、通风等造成了较大影响[4-6]。在实际支护过程中，由于对巷道围岩破坏机制不明确，主要是通过以往经验或者参考相邻矿区，造成巷道围岩变形量大，甚至支护失效，给工作面安全生产造成严重影响。为解决深井大断面软岩巷道的底鼓问题，以察哈素煤矿11302工作面回风巷为工程背景，对巷道底鼓问题进行了系统的分析，给出了底鼓治理技术，并通过工程实践进行了验证，巷道底鼓控制效果理想，具有良好的技术经济效益。

1 工程概况

察哈素煤矿11302工作面主要回采3-1煤层，煤层埋深631～682m，平均埋深650m，煤层厚度为15.0～26.5m，平均厚度24m。煤层结构简单，视密度平均1.36t/m3，硬度系数f=1.5，含两层夹矸，且位于煤层的中上部，夹矸厚度一般小于0.3m，岩性均以泥岩或炭质泥岩为主。工作面可采长度为1893.0m，倾向长度为200.0m。工作面设计预采顶分层，采煤机割煤高度为3.5m，放顶煤开采总厚度预计在10～13.5m范围，全部垮落法管理顶板，工作面顶底板特征见表1。

表1 煤层顶底板特征表

11302工作面回风巷设计为矩形断面，巷道宽5.2m，高3.6m，沿煤层上分层底部沿空掘进，为全断面煤岩巷道，巷道东部为11301工作面采空区区段煤柱，煤柱宽度为6m，采用锚杆(索)加金属网及钢带联合支护。在11302工作面回采期间巷道变形破坏严重，来压期间底板最大变形量为897mm；两帮最大变形量为763mm，对巷道运输造成了严重的影响。

2 底鼓破坏特征及影响因素分析

2.1 底鼓破坏特征分析

11302回风巷在工作面采动期间出现了巷道底鼓、两帮移近现象，导致巷道断面变形，其围岩受力状态发生改变进一步促使巷道的稳定性的下降。回采期间对工作面巷道底板进行了钻孔窥视，在工作面前方70m处底板中部布置3组钻孔，钻孔间距10m，钻孔深度为3m，当工作面距钻孔30m时开始观测，并记录数据，通过统计、分析所得的巷道底板岩层位移曲线如图1所示。分析可知：

图1 巷道底板岩层位移曲线

1)巷道底部存在零位移点(N0)，零位移点上部为上升区域，下部为下降区域，零位移点距巷道底板表面距离约为1.32m，巷道底部上升区域即为巷道底鼓区，最大上升量为876mm，岩层最大下沉量为183mm。

2)随着深度的增加，上升岩层区域位移量逐渐减小，下沉煤层区域位移量先逐渐增大再逐渐减小，最后趋于相对稳定。

3)巷道底部存在零应变点(N)，如图1中N点所示，底部上升区域为拉应变，底鼓区域受较大拉应力，下沉区域为压应变，零应变点距巷道底板表面距离约为1.68m。

4)巷道底部零位移点及零应变点可将巷道底板表面向下分为拉应变上升区、拉应变下降区及压应变下降区。

2.2 巷道底鼓影响因素分析

1)围岩强度。11302回风巷为全煤巷道，煤层较软，在回采过程很容易受采动影响而发生拉伸及剪切破坏，导致巷道围岩受力状态恶化，承载能力降低，随着时间的推移及采动的持续影响，煤岩体破坏程度及破坏范围进一步增大，导致巷道底板逐步发生破坏。

2)围岩应力。11302工作面回风巷埋藏深，巷道围岩不仅承载着较大的垂直应力，而且受侧向水平应力的影响，其对巷道造成的破坏主要集中在顶板及底板；由于巷道底板无支护，底部岩层对水平应力的作用表现更为敏感，持续发生拉伸、剪切破坏而向巷道底板表面上部移动，从而发生了严重的底鼓破坏。此外，由于区段煤柱尺寸较小，受上工作面影响后发生了严重的塑性破坏，基本不具备承载能力，无法承载采空区侧向应力，导致巷道煤柱帮及底板发生变形破坏。

3)支护形式。11302工作面回风巷顶板及帮部采用锚杆(索)加金属网钢带联合支护，采用Φ18mm×2200mm型无纵筋全螺纹钢树脂锚杆，垂直于顶板及帮部布置，底板无锚杆支护。一方面，由于锚杆相对较短，且不能对巷道帮部底角及底板形成有效的支护，在受工作面采动及采空区侧向应力的影响下，锚杆支护力逐步降低，由原来的三向应力状态逐步变为二向应力状态，支护效果持续变差；另一方面，由于底板支护且相对较软，形成了强度较低的自由面，在较高水平应力影响下极易发生破坏而向巷道内部空间运移让压，从而出现严重的底鼓现象。

3 巷道底鼓治理技术

3.1 区段煤柱合理留设

区段煤柱合理尺寸的确定对巷道围岩稳定性具有重要影响，当煤柱尺寸过小时巷道变形破坏严重，巷道围岩控制困难；当煤柱尺寸过大时，巷道围岩可得到有效控制，但又会造成煤炭资源的大量损失，因此在实际生产过程中应该在有效控制巷道围岩的基础上尽可能降低煤炭资源的损失[7，8]。基于煤层厚度大且煤质好，且11302工作面原有的区段煤柱为窄煤柱，因此本文确定11302回风巷采用窄煤柱护巷。

通过数值模拟分析所得不同宽度煤柱条件下巷道底鼓量统计见表2，分析表2可知：

表2 不同宽度煤柱下巷道底鼓量统计表

随着煤柱宽度的增大，巷道底鼓量呈先减小后增大然后又减小的趋势：当煤柱宽度为4m以内时，巷道最大底鼓量在900mm以上，随着煤柱尺寸的增大，巷道底鼓量有所降低，当煤柱宽度变为10m时，巷道底鼓量为326mm，当宽度变为12m时巷道底鼓量增加至412mm，而后又有小幅度增加，当煤柱宽度大于18m时，巷道底鼓量又逐渐降低。

进一步分析可知，上一工作面回采结束后，在采空区侧向一定范围内应力会发生重新分布：当煤柱宽度较小时，采空区侧向高应力主要集中在巷道另一侧的实体煤壁，巷道煤柱帮承载着较小的应力，由于受上一工作面采动影响，煤柱发生了严重的塑性破坏，主要表现在巷道底板及煤柱帮部变形破坏；随着煤柱宽度的增大，结构稳定性有所增强，破坏程度有所降低；当煤柱由10m变为12m时，巷道底鼓量由减小向增大突变，分析可知当煤柱宽度变为12m时采空区侧向高应力由实体煤向煤柱侧转移，巷帮煤柱承载着较高的集中应力，煤柱结构稳定性受高应力影响而有所减弱，巷道围岩稳定性也受到一定影响，因此会出现煤柱宽度增大巷道底鼓量增大的现象。

由上述分析可知，使用窄煤柱护巷时，当煤柱宽度为10m时，受采动影响后巷道底鼓量相对最小，结合11302工作面实际开采情况，为有效降低巷道底鼓量，将区段煤柱由原来6m变为10m。

3.2 巷道支护参数优化

巷道支护参数的合理确定对巷道的有效控制具有重要作用，研究表明，软岩巷道锚杆及锚索参数设计合理可有效提高采动影响后巷道岩层的峰后强度和残余强度，是控制巷道围岩变形最有效的方法[9，10]。11302工作面回风巷现使用的锚杆机锚索较短，有效支护长度小，且对巷道底板不做处理，底板处于无支护的自由状态，基于此，本文通过系统分析的方法综合考虑一采区工作面巷道岩性、巷道应力、地质构造、锚固体性能等因素确定巷道锚杆支护参数，如图2所示。

图2 巷道支护参数(mm)

通过分析，将原有的Φ18mm×2200mm型无纵筋全螺纹钢树脂锚杆变为Φ22mm×2800mm型水力膨胀锚杆；将原有的规格为Φ18mm×2400mm型顶部锚杆变为Φ22mm×3100mm型水力膨胀锚杆；采用全长锚固的方式，将锚固范围内围岩变为三向应力状态，有效限制围岩弱面的发展，增强巷道围岩整体承载能力；将原有的Φ18mm×6300mm型锚索规格变为Φ22mm×7500mm型钢绞线锚索；在巷道顶板边缘布置锚杆与竖直方向呈30°夹角；巷道帮部顶端锚杆与水平方向呈30°夹角，底端布置的锚杆与水平方向呈45°夹角，限制巷道帮部顶角及底脚处软弱煤岩体的破坏和发展，加固了巷道帮部及底脚围岩的稳定性，从而减小巷道的底鼓。

3.3 局部注浆加固底板

在实际生产过正中，遇到巷道底板局部区域底鼓严重时，可对巷道底板起底后进行局部注浆硬化底板，采用普通硅酸盐水泥与添加剂配制而成，水灰比控制在2∶1，注浆压力为4～8MPa，浆体应充分进入底板裂隙层，浆体凝固后与底板煤岩层组成稳定的结构体，从而限制巷道底鼓。

4 工程实践

11302工作面回采期间对回风巷进行了起底处理，采用新型锚杆进行补强支护，并在来压期间对底板进行了局部注浆处理，在采动期间巷道底鼓得到了一定控制，巷道最大底鼓量减小为453mm；11302工作面回采结束后，对巷道进行了重新布置，将区段煤柱由原来的6m增加到10m，根据新设计的锚杆支护参数，使用新型水力膨胀锚杆、强力加长钢绞线锚索配合钢带和金属网进行联合支护。目前，11303工作面已回采约600m，回采期间巷道最大底鼓量为265mm，与原有的生产条件相比，巷道底鼓量得到了良好的控制，保障了工作面安全生产及设备运输，具有良好的技术经济效益。