软底工作面回采巷道底臌机理分析及控制研究

2015-05-08康新挺

江西煤炭科技 2015年4期

康新挺

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024；2.山西煤炭运销集团太原有限公司煤业分公司，山西太原030300）

在煤矿开采过程中，工作面回采巷道原平衡状态会因矿山压力和工程扰动的作用下遭到破坏，致使巷道顶底板和两帮煤岩体向巷道内部移动，其中底板向巷道内隆起形成底臌。底臌的存在不仅会影响到正常的行人、通风和运料，还会造成巷道围岩失稳，甚至致使整条巷道破坏失效。据相关资料显示，国内巷道顶底板变形量的75%以上均是由底臌引起，巷道的总维修量成本的50%以上也是用于底臌治理〔1－2〕。对于工作面软底巷道而言，底臌问题显得尤为明显，如何治理底臌已经成为了众多软底煤层矿井的重要工作。目前，国内外相关学者对软底回采巷道的底臌发生机理和控制进行了多方面研究，分析了水理作用、岩石特性、支护结构等因素对底臌的影响作用，也有针对性的提出来如卸压法、底板加固法等多种底臌治理手段，然而鉴于软底巷道的复杂性，底臌问题依然不能够彻底解决〔3－5〕。山西煤炭运销集团店上煤矿3302工作面所采煤层为山西组3＃煤层，其直接顶和直接底均由泥岩和砂质泥岩组成，在工作面回采过程中底臌问题突出，严重地影响了该工作面的安全回采。现以该工作面为研究对象，分析回采巷道底臌产生的机理，并探求如何治理3302工作面回采巷道底臌。

1 工作面概况

3302工作面东侧和南侧为实体煤，西侧为正在掘进的3304工作面运输巷，北侧为采区上山，工作面盖山厚度为463.5～634.5m。工作面所采煤层为山西组3＃煤层，该煤层以亮煤为主，含有少量的暗煤和镜煤，煤层厚度4.2～6.5m，平均为5.5m，倾角1°～12°，平均为8.5°，煤层自上而下表现为软～硬～软，煤层整体表现为质软、疏松。工作面设计可采长度为1757m，工作面长219.5m，可采储量为270.68万吨。由工作面现场取芯和实验室物理力学实验分析结果可知，3302工作面顶底板岩性较复杂，伪顶为0.25～0.47m的泥岩，直接顶为厚4.2～6.5m层理发育程度较高的泥岩～砂质泥岩，基本顶为厚8.5～12.6m的砂质泥岩～粉砂岩，直接底为厚4.5～6.4m的破碎泥岩～砂质泥岩，基本底为厚9.6～11.2m的深灰色粗粒砂岩～粉砂岩。工作面共探出断层28个，均为正断层，落差为0.8～4.6m；陷落柱一个，EW 向长85m，NS向长427 m。工作面运输巷和回风巷规格（长×宽）均为5.8m×5.6m，支护方式均为“锚网索钢带”联合支护，两巷超前50m范围内采用两趟铰接梁配合单体柱进行加强支护。

2 工作面回采巷道底臌分析

2.1 影响因素分析

底臌与巷道变形密切相关，在巷道掘进前，巷道围岩体处于应力平衡状态，巷道的开挖破坏了这种应力平衡状态，在开挖过程中出现的能量释放和应力集中使巷道围岩出现弹塑性变形，而底板变形的表现形式便是底臌。理论研究和生产实践表明，开挖应力变化作用是底臌形成的主导因素，除此之外还有水理作用、围岩体特性、工作面采动扰动和支护结构体等。

（1）水理作用：3302工作面巷道水主要包括顶板淋水、降尘水、底板渗流水等。现场实践表明，巷道水是引起该工作面回采巷道底臌的重要因素。理论研究表明，水进入岩体内可以促使岩体矿物质出现理化性变化，造成岩体软化、崩解和膨胀，这种水理作用对于含有蒙脱石、伊利石等矿物质的泥岩和砂质泥岩表现尤甚。3302工作面直接底为厚4.5～6.4m的破碎泥岩～砂质泥，实验室测试结果表明，该直接底岩层含蒙脱石和伊利石等矿物质含量高达35%以上，水由岩体表面或者岩体裂隙侵入岩体内部在水理作用下引起底板臌起和开裂。

（2）回采扰动作用：软底回采巷道与一般回采巷道相比，其上覆岩层结构更容易受到支承压力的作用发生破坏，具体表现在煤柱易变性和顶板易失稳两个方面。由砌体梁理论可知，巷道上覆岩层结构遭到破坏后，顶板关键岩块出现回转和下沉，工作面超前和侧向支承压力在巷道两帮出现叠加。在高应力垂直作用下，巷道两帮向软底中嵌入使底板向巷道中间隆起，考虑到叠加应力的不均匀性，巷道底臌也出现不对称性，由现场可知，3302工作面回采巷道底臌较靠近巷道煤体侧。

（3）围岩特性：回采巷道围岩特性包括强度、扩容性、水理性和粘性等，这些特性或多或少对巷道变形程度有直接的影响。一般认为，底板围岩若致密性高、强度大、厚度大则有利于降低底臌的发生率和底臌程度；扩容性是指岩体因裂隙的存在和发展出现岩体体积膨胀的现象，岩体内裂隙发育程度越高，岩体扩容性越好，越不利于控制底臌；粘性也称为流变性。软岩粘性要远远强于硬岩，随着回采巷道暴露时间越长，巷道围岩受粘性影响也越明显，底板变形也越严重。

（4）支护结构：合理的巷道支护方式是控制巷道变形的有效途径。以往工作面回采巷道仅仅是采用“锚网索”支护对巷道顶板和两帮进行支护，而忽视了对底板的控制，造成底板岩层抗压作用更弱，在两帮煤岩体的应力传递的作用下更易出现变形和破坏。

2.2 巷道底臌规律

工作面回采巷道变形包括顶底板变形和两帮变形，顶底板变形和两帮变形交互影响。掌握巷道变形规律和特点可为治理巷道底臌提供现场依据。基于此，2014年9月12日在3302工作面回风巷布置两组测点（1＃测点和2＃测点），每班采用“十字交叉”法对测点进行测量并将所测数据定期进行汇总分析，数据处理结果见图1、图2。

图1 1＃测点表面位移变化规律

图2 2＃测点表面位移变化规律

由图1和图2可知，3302工作面回风巷两帮移近量与顶底板移近量大致相同，其中两帮移近量为600～610 mm，顶底板移近量为560～580mm。考虑到巷道尺寸，认为影响巷道行人、运料和通风的主要是顶底板变形，其中以底板变形为主。由图可知，巷道底板变形量为460～475 mm，超占顶底板移近量的80%以上。对测点数据进一步分析可知，随着工作面的逐渐推进，70m范围内的巷道变形速度和变形程度逐渐加大，在距离煤壁前方50～52m时巷道变形显著增加，其中底臌速度达到42mm／d以上。随着回采的继续推进，在煤壁前方8～10m时巷道变形率达到最大。由此说明，影响3302工作面回风巷稳定性主要是巷道底臌，控制巷道变形，保证巷道稳定性的关键在于控制巷道底臌。

3 治理措施及效果

关于底臌治理，国内外学者专家给出了很多控制方法如底板加固法、底板卸压法、联合支护法等，其出发点主要是通过提高底板围岩强度、降低围岩应力和提高支护阻力来治理底臌，这些方法治理底臌取得了一定的效果。根据3302工作面巷道变形规律和现场研究，认为影响底臌的主要因素为矿压作用和底板围岩特性，同时结合临近矿井治理底臌的经验，决定采用注浆锚杆加固底板来治理底臌。注浆锚杆可起到锚杆加固和注浆加固的双重效果，即利用锚杆组合梁作用将底板岩层固定在一起，利用注浆加固使底板形成强度较大的厚层状反拱，这样可有效地抑制底板出现开裂和隆起。

将距离煤壁150～250m的回风巷段作为实验段巷道，在原“锚网索”联合支护的基础上采用注浆锚杆对底板进行加固。根据巷道尺寸、底板围岩特性和巷道变形特点等选择规格为Φ22mm×1800mm的注浆锚杆，采用水灰比为0.8～1.0的注浆液（水泥、水玻璃和拌合水），要求注浆锚杆初始锚固力不低于70kN，锚杆间排距为800mm×800mm，底角注浆锚杆与水平呈45°打设。注浆工艺流程为施工准备－测量布眼－钻孔－插锚杆－安垫板和螺母－注浆。试验段巷道注浆锚杆施工完毕后对底板进行混凝土浇筑，浇筑厚度以完全覆盖注浆锚杆裸露端为宜。该试验段巷道底板加固结束后在相应位置布置测点（3＃、4＃测点）来测量巷道变形情况，结果见图3、图4。由图可知，底板经过注浆锚杆加固后两帮变形和底板变形量分别为375～380mm和160～180mm，约为底板加固前变形量的62%和28%，由此可知，对底板打设注浆锚杆可有效控制3302工作面回风巷底臌。

考虑到引起3302工作面回采巷道底臌的因素较多，在治理底臌时应综合考虑这些因素，如应及时对底板积水进行疏排，避免底板岩层因水理作用出现崩解和膨胀；根据开采实际相应提高回采速度可以减缓矿山压力对底板作用时间，有利于降低底臌程度。