鑫基煤业采动影响下皮带大巷底鼓控制技术研究

谢世豪

（山西煤炭运销集团沁水鑫基煤业有限公司，山西 晋城 048000）

1 工程概况

山西煤炭运销集团沁水鑫基煤业井田位于沁水盆地南缘，太行山南段西侧，矿井生产规模120万t/a，目前正在进行2#煤层的采掘作业。2#煤层稳定，煤层厚度为3m。2#煤层直接顶板多为砂质泥岩、泥岩或粉砂岩，一般厚约2.50m，直接顶下常有约0.5m的灰色泥岩或炭质泥岩伪顶，基本顶为砂质泥岩或中细砂岩，厚约3.00m；底板岩性多为泥岩、砂质泥岩或粉砂岩，一般厚2.82m。2#煤层的2101首采工作面与三条大巷相邻，工作面与皮带大巷间煤柱宽度为30m，如图1所示。2101工作面采用综采一次采全高的采煤方法，全部垮落法管理顶板。2101工作面回采初期，对应位置临近的皮带大巷围岩出现明显的失稳变形，为防止皮带大巷围岩的进一步失稳破坏，需对其加固技术展开研究。

图1 皮带大巷布置示意图

2 皮带大巷底鼓机理研究

2.1 皮带大巷原有支护方案

鑫基煤业2#煤层皮带大巷断面采用直墙半圆拱形，巷道断面净宽度为4.8m，直墙高度1.6m，掘进高度为4.0m，采用锚网喷支护。顶板锚杆采用直径为18mm、长度为2100mm的硬质螺纹钢锚杆，锚杆间排距均为700mm。顶板锚杆采用菱形布置方式，锚杆沿巷道中心线对称布置，安装角度根据安装的位置调整，基本垂直岩壁施工，每排七根锚杆，采用钢筋网护表。两帮锚杆规格与顶板锚杆相同，间排距均为700mm，最低一排锚杆距离巷道底板300mm。锚杆锚固参数：顶板和两帮的锚杆均采用一支Z2360树脂药卷，预紧力不小于100N·m，锚固力不小于70kN。顶板锚索采用长度为7300mm、直径为15.24mm的1×8应力钢绞线，托盘为钢槽，锚索采用三排“五花”布置，间排距为2100×1400mm，每根使用树脂锚固剂MSCK23/60、MSZ23/80各一支，外露150～250mm，底板末采取支护措施。皮带大巷支护断面如图2所示。

图2 皮带大巷支护断面图

2.2 皮带大巷围岩变形机理

为详细了解采动影响下皮带大巷围岩位移的具体情况，在现场进行围岩位移监测。典型的破坏形式如图3（a）所示。主要的变形破坏特征：拱顶水泥混凝土喷层大片开裂脱落，多处出现网兜现象，网兜最大高度为300mm；巷道两帮表面较完整，局部出现轻微的开裂，两帮移近量维持在200mm以下；皮带大巷底鼓变形最为明显，围岩明显失稳区段长度约为200m，该巷段内底板底鼓量在800～1000mm的超过130m，局部底鼓量超过2200mm，底板中部底鼓量最大。

图3 皮带大巷围岩破坏机理

根据皮带大巷围岩位移的特征，建立其围岩受力模型如图3（b）所示。皮带大巷底板岩层为泥岩，主要由膨胀性和吸水性的高岭石、伊利石等组成，底鼓类型属于复合型底鼓。底板岩层由于地下水的影响使其吸水膨胀，在临近工作面采动影响下，使围岩内应力进一步提高，引起底板出现弯曲型和膨胀型底鼓，因此对于皮带大巷的加固应从提高围岩支护强度及防止地下水对底板的影响出发[1-2]。

3 皮带大巷底鼓控制技术模拟研究

依据2#煤层皮带大巷围岩变形的特征和机理，结合以往的研究成果和生产经验，对于皮带大巷底板的加固提出以下三个方案。方案一：注浆加固；方案二：锚索加固；方案三：锚注联合加固法。其中注浆浆液采用水泥浆，底板注浆范围为2.5m。顶板和两帮加固锚索采用直径22mm、长度为6300mm的钢绞线锚索，间排距为1500×1200mm。底板锚固加固采用规格为Ф22×L5500mm预应力钢绞线锚索，底板锚索沿皮带大巷长度方向成排布置，间排距为1200×1200mm，中线两侧的锚索垂直底板安装，靠近两帮底角处的锚索向外侧倾斜15°安装。

为具体分析皮带大巷三种加固方式的支护效果，采用FLAC3D模拟软件[3-4]，针对鑫基煤业2#煤层实际地质条件建立三维数值模型。模型尺寸长×宽×高=300×200×150m，皮带大巷断面为直墙半圆拱，巷道的支护形式如上节所述，整个模型的岩体选用摩尔—库伦理想弹塑性模型。模拟注浆加固时改变已知浆液扩散范围内煤岩体的模量和强度。模拟步骤：首先对三条大巷进行开挖，然后采用不同的支护形式，之后进行2101工作面的回采，观察巷道的围岩位移情况。典型的模拟结果如图4所列。

图4 不同加固方案下皮带大巷围岩应力应变变化规律

根据图4所示结果可知，采用底板注浆措施后，巷道围岩的塑性破坏范围明显较小，巷道顶板围岩稳定性较好，两帮和底板围岩塑性破坏范围较大，底板应力0～2MPa的降低区范围仅为2m，底板底鼓量约为220mm；采用补打锚索加固时，巷道底板岩层塑性破坏范围较小，两帮的应力集中程度增加，但是顶板和两帮的塑性破坏范围及位移量明显相对于注浆加固较高，底板底鼓量为150mm；当采用锚注联合加固时，相比方案一和方案二，底板和两帮围岩的塑性破坏区明显减小，底板围岩内应力集中的范围也明显减小，底板底鼓量减小为48mm。综上分析可知，采用方案三引起的围岩受力状态的变化对巷道围岩稳定性的提高起着积极的作用，并且考虑到皮带大巷的服务年限较长，选择锚注联合加固法进行加固。

4 现场应用及效果分析

4.1 皮带大巷围岩锚注联合加固方案

在2101工作面影响皮带大巷变形严重的巷段，底板注浆前首先对巷道进行卧底，卧底后对底板进行注浆加固。浆液为水泥浆，水灰比为1.8:1，注浆孔直径为56mm，深度为2500mm，注浆孔采用“五花”布置，间排距均为1500mm，采用棉纱和水泥—水玻璃浆液进行封孔，注浆管采用铝塑管，注浆压力根据现场实际情况取1～2MPa。底板注浆孔的布置详情如图5（a）所示。

图5 皮带大巷围岩加固措施

皮带大巷底板进行注浆加固约三天后，对巷道围岩采用锚索进行加固。底板锚索采用直径22mm、长度5500mm的预应力钢绞线锚索，靠近巷道中部的锚索垂直底板安装，靠近两帮的锚索向外侧倾斜15°安装，托盘采用300×330×16mm异形高强度拱形托盘，锚索间排距均为1200mm，锚索之间由直径为20mm钢筋制成的钢筋托梁联结，底板铺设规格为2400×1300mm钢筋网；顶板和两帮的加固采用直径22mm、长度为6300mm的钢绞线锚索，锚索间距为1500mm，每排布置7根锚索，排距为1200mm，锚固剂采用一支K2335和两支Z2360树脂锚固剂。皮带大巷围岩锚索加固的具体情况如图5（b）所示。

4.2 现场矿压监测

2#煤层皮带大巷锚固联合加固法处理后，在采煤工作面前方适当的位置布置测站，进行现场围岩位移观测，整理结果如图6所示。根据现场监测结果可以看出，皮带大巷围岩在采动影响下出现了轻微的变形现象，加固约11d后，皮带大巷围岩位移量不再发生变化，顶板下沉量最大约9mm，两帮移近量最大约为10mm，底板底鼓量最大约为22mm，相对于加固前（2200mm）显著的减小，皮带大巷围岩稳定性良好，巷道底鼓控制效果显著，能够保证皮带大巷的正常安全使用。

图6 皮带大巷围岩位移观测结果

5 结论

鑫基煤业2#煤层皮带大巷，在临近的2101工作面采动影响下围岩出现明显的失稳变形。根据2#煤层皮带大巷详细的地质条件，通过数值模拟及理论分析得知，皮带大巷围岩位移主要表现为底板底鼓，设计采用锚注联合加固法进行加固。现场应用及监测结果表明，加固后皮带大巷顶板下沉量最大约为9mm，两帮移近量最大约为10mm，底板底鼓量最大约为22mm，大巷围岩稳定性较好，底鼓得到有效的控制，取得很好的应用效果。