贺西矿软岩巷道底鼓机理及控制技术研究

2024-01-07曹三平

山西冶金 2023年10期

曹三平

（吕梁市应急管理局，山西吕梁 033000）

0 引言

随着，煤炭资源开采逐步向着深部矿井进行转移。开采的深度接近甚至超过千米，随着开采深度不断深入，使得矿井巷道的围岩应力状态变得十分复杂，受到工程扰动及开采深度的影响，矿山的压力显现情况更加明显，此时巷道岩体出现明显的软岩特性，围岩蠕变现象加强，使得巷道的支护变得十分困难。不仅造成巷道支护及维护的成本大幅度增加，同时耗费大量人力物力，但支护效果有时并不能达到预期效果，巷道支护失效失稳现象屡见不鲜[1-2]。底鼓问题是影响巷道围岩稳定性的重要难题，对巷道进行支护控制研究十分重要[3]。以贺西矿3316（以下简称3316）综采工作面为工程背景，由于其处于高应力位置，巷道围岩变形明显，同时底鼓剧烈，所以本文以综合数值模拟、工程实践等方法对深部高应力软岩巷道底鼓支护进行研究，为矿井安全高效开采作出一定参考。

1 矿井概况

贺西煤矿位于河东煤田中部，柳林县城东南12 km,井田面积18.9 km2，矿井核定生产能力300 万t/a，目前开采山西组3 号、4 号煤层，3316 综采工作面主要开采三采区3 号煤层，综采工作面运输顺槽长度935 m，运输顺槽口至回风大巷南侧长度为45 m，停采线为40 m，可回采长度850 m，工作面倾向长度145 m，埋藏深度231.4 m，2 号煤层结构较简单，煤层厚度2.80～3.38 m，平均为3 m，煤层结构简单，含0～2 层夹矸。顶板主要为粉砂岩，局部为泥岩或砂质泥岩，底板多为泥岩，局部为粉砂岩，煤层倾角3°～8°，平均为5°。

3316 综采工作面巷道断面为半圆拱，断面净高为4 850 mm，净宽6 000 mm，断面净面积为25.24 m2，原支护采用“锚网索喷+锚索+壁后注浆”联合支护方式。锚杆采用KMG22-600 型尺寸Φ22 mm×3 000 mm的高强树脂锚杆，间排距700 mm×700 mm，每支锚杆配MSCK2850、MSK2850 型树脂药卷各一卷，每排19根。锚杆托盘采用尺寸为Φ150 mm×10 mm 的碟形托盘，金属网采用钢筋网，网格尺寸为80 mm×80 mm。锚索采用尺寸为Φ21.6 mm×8 000 mm 的丝钢铰线，间排距为1 400 mm×1 400 mm，每支锚索分别配备MSCK2850、MSK2850 型树脂药卷一卷，每排9 根，锚索托盘采用Φ300 mm×14 mm 碟形托盘。同时采用全断面注浆，设置深孔和浅孔注浆，注浆孔的间排距1 500 mm×1 500 mm，每排10 根，设置浅孔1.5 m，深孔长度2.5 m。

在原有支护方案下通过对巷道底鼓的动态监测分析可以看出，巷道底鼓变形较为严重，支护体系严重失稳，在原有补强方案中，主要针对顶板及两帮进行补强支护，对底板的治理主要为打设帮、底脚锚杆，治理效果不明显。因此对底板进行有效的治理，避免巷道反复出现剧烈底鼓对于巷道稳定十分必要。

2 巷道底板控制研究

针对巷道底鼓问题提出底板卸压方案，底板卸压法是一种常见的降低集中程度的方法，本质是改变巷道底板岩层结构，从而打破巷道内部岩体整体连续状态，将原有应力形式进行改变，转移应力峰值，形成底板卸压带，使得底板处于低应力范围，达到控制底鼓的目的。目前底板卸压主要方法有切槽卸压和爆破卸压两种，对两种方案进行对比择优，方案一为在巷道底板中心布置卸压槽，切槽宽度为500 mm，切槽深度设定为1 500 mm；方案二在巷道底板进行爆破钻孔布置，钻孔深度为13 m，钻孔直径为75 mm，间排距为5.6 m×6 m，装药长度和直径分别为1.2 m 和35 mm，装药量为1.2 kg。对两种方案进行必选，选定FLAC3D数值模拟软件进行研究，根据巷道实际地质条件，进行模型的建立，对模型进行网格划分，网格划分遵循巷道边缘细，模型边界粗的原则，对模型进行边界条件设定，完成上述操作后，对模型进行计算，两种方案下巷道垂直位移如图1 所示。

图1 巷道垂直位移云图

如图1、图2 所示可以看出，采用切槽和爆破卸压两种方式均能够有效减少巷道的底鼓问题，对比两种卸压方案下巷道底板中心位移量，发现爆破卸压后底鼓量最大值为0.28 m，而切槽卸压的底鼓量最大值为0.56 m，爆破卸压比切槽卸压最大底鼓量降低了100%。同时切槽后，此时底板由于应力作用向着切槽位置不断挤压，极有可能导致切槽位置不均质岩性岩层出现不均匀变形量，从而导致切槽闭合后底板出现高度不一致现象，严重时会影响两帮围岩稳定。所以综合考虑后选定爆破方式对底板进行卸压。

图2 底板注浆及锚索布置示意图（单位：mm）

图2 垂直位移量

经过分析后，决定在巷道600～650 m 位置采用底板注浆+锚网索联合支护方案，在巷道650～700 m 位置采用底板爆破卸压方案。

1）方案一。对底板进行注浆+锚网索支护。在巷道的底板布设注浆孔注浆，并通过锚索孔安装底板锚索，在通过注浆提高底板抗变形能力的基础上，联结底板破碎岩层，避免塌孔。同时锚索能够加固底板，从而提高巷道底板稳定性。具体施工顺序如下：喷止浆层→注浆（浅孔）→打设锚索→安装锚网索→注浆(深孔)→进行回填。

2）方案二。底板爆破切底。在巷道帮脚打设爆破孔，通过三级乳化炸药进行深孔爆破。具体施工顺序如下：打眼→装药→爆破。

通过对施工效果进行分析，确定施工方案的可行性。

对底板浇筑锚索布置进行施工，由于软岩巷道底鼓较为严重，岩层存在破碎情况，所以为了防止浅孔注浆时浆液漏浆，在施工前，喷射砼地，对底板进行封闭。进行浅孔注浆，保证岩层完整性，避免打设深孔锚索时出现塌孔现象。选用浅孔注浆的主要注浆材料为425 号普通硅酸盐水泥混合高效凝固剂。注浆孔间距设定为2 000 mm×2 000 mm，注浆孔深度为3 000 mm。同时在底板施工Φ75 mm 的大孔径钻孔，沿着底板进行垂直布设。锚索长度为8 m，间排距1 200 mm×1 200 mm，锚索预紧力为100 kN。底板注浆及锚索布置示意图如2 所示。爆破卸压在底板布置底板炮孔，炮孔长度约为13 m。采用三级乳化炸药，采用毫秒延期电雷管，药卷规格为Φ35 mm×200 mm，每孔6 卷，间排距设定为5.6 m×6 m，巷道试验爆破长度50 m，爆破孔共施工8 排，每排2 孔。

对巷道试验段的底板岩层活动规律进行监测，在巷道内部布置7 个监测巷道，分别监测未处理段底板、注浆锚索加固段底板及爆破试验段底板，分别在巷道底板处间隔一定距离设置位移监测站。在巷道600～700 m 处的试验巷道监测施工完成后，对巷道试验段进行为期两个多月的监测，巷道底板垂直位移变形曲线如图3 所示。

图3 巷道底板垂直位移变形曲线

从图3 可以看出，随着监测天数的不断增加，巷道底板垂直位移变化曲线均呈现逐步增大的趋势，但在未进行处理段的监测点巷道底板垂直位移量增加的趋势明显大于爆破卸压及切槽卸压段，爆破卸压与切槽卸压段的底板变形量均处于可控状态，巷道底板垂直变形量最大值在42 mm 左右，所以两种方案均能使巷道底鼓量得到有效控制，两种方案均可行。