采空側動壓回采巷道底鼓機理分析及防治技術

劉長源 趙天佑

（中煤平朔集團有限公司生產(chǎn)技術管理中心，山西 朔州 036006）

伴隨礦井開采深度和強度的不斷增加，井下巷道發(fā)生底鼓動力現(xiàn)象的頻次也越來越高。巷道底鼓變形后，斷面積減小，不僅影響巷道正常使用，制約礦井高產(chǎn)高效，也對礦井的安全生產(chǎn)構成了威脅[1]?；夭上锏烙捎谑軓碗s圍巖條件、采動壓力疊加影響，底鼓問題越發(fā)嚴重，需要進一步分析研究底鼓發(fā)生機理，盡快找到有效的控制方法。

1 工程概況

井工一礦9110 工作面布置在太西采區(qū)9 號煤層中，工作面上部為4110 工作面采空區(qū)，東部是三條大巷及保護煤柱，南部為設計回采的9111 工作面（實體煤），西部為地表物探小窯破壞區(qū)，北部與9109工作面采空區(qū)相鄰。工作面采用傾斜長壁后退式采煤方法，綜采放頂煤回采工藝。工作面面長240 m，走向長度3150 m，煤層均厚在11.9 m，煤層傾角1～5°，平均埋深為310 m。煤層直接頂為0～3.73 m、平均1.6 m 厚的泥巖、炭質泥巖、高嶺石泥巖互層，基本頂為2.9～13.13 m、平均7.83 m 厚的泥巖、砂質泥巖互層，直接底為1.47～3.48 m、平均3.19 m 厚的砂質泥巖。

9110 輔運巷沿9 號煤層底板掘進，巷道掘進寬度為5.2 m，高度3.5 m，北部與9109 工作面采空區(qū)間隔煤柱寬度20 m，在掘進期間有輕微底鼓。9110 工作面回采期間，由于受到采動支承壓力的影響，9110 輔運巷在工作面前方約50 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)了嚴重圍巖變形，頂板下沉，兩幫縮進，特別是臨空側巷幫破碎，形成大量網(wǎng)兜，巷道底板大范圍、長距離底鼓嚴重，最大底鼓量超過520 mm，嚴重阻礙巷道運輸通行等正常需求及安全生產(chǎn)。

2 采動回采巷道底鼓類型和機理分析

2.1 底鼓類型分析

根據(jù)現(xiàn)有資料研究分析，對于采動影響下回采巷道底鼓類型以擠壓流動型底鼓為主[2]。

布置在煤層中的工作面回采巷道，通常圍巖力學性質及強度相對較差。受工作面采動影響，巷道圍巖在支承壓力作用下，嚴重破損，巷道整體處于松散、破碎的煤巖體環(huán)境中。普遍情況下，強度稍低的巷道兩幫首先被嚴重破壞，隨著工作面回采動壓影響，集中在巷道兩幫的應力向圍巖深部轉移，擠壓底板周圍破碎巖層巖體向巷道內(nèi)流動，從而形成巷道擠壓流動型底鼓[3]。

2.2 底鼓機理分析

受上區(qū)段9109 工作面回采影響，產(chǎn)生在隔離煤柱中的上覆巖層超前支承壓力及側向支承壓力，使得強度較弱的煤體巷幫發(fā)生破裂，并且破壞程度明顯大于底板?；夭上聟^(qū)段9110 工作面時，形成的二次回采超前支承壓力與一次回采后的剩余支承壓力對巷道圍巖形成疊加作用，促使圍巖變形進一步加快。兩幫煤巖體破損范圍逐漸增大，這就使得上覆巖層的集中應力及重力經(jīng)過兩幫傳送到巷道底板，當超過底板極限承載力時，底板巖層將沿滑移線向巷道內(nèi)擠壓，發(fā)生底鼓[4]。

3 底鼓防治技術措施

通過對回采巷道底鼓機理的分析，發(fā)現(xiàn)9110 輔運巷產(chǎn)生底鼓的本質因素是巷道圍巖應力大和圍巖力學性能差。因此，治理這類底鼓的關鍵點在于如何提高圍巖抗變形能力以及改進支護方法[5]。決定采用“起底+頂幫底聯(lián)合加強支護+超前支護+底板防水”的綜合防治技術措施，延緩巷道底鼓發(fā)生。

（1）起底

利用檢修班時間，集中安排工人用風鎬等工器具對9110 輔運巷工作面前方約50 m 范圍進行起底。起底高度滿足工作面前后部刮板運輸機推移、支架移架及行人運料即可，既不占用生產(chǎn)時間，也減少工作量。

（2）頂幫底聯(lián)合加強支護

① 在動壓影響區(qū)域，補打頂板錨索，使用1×19 股、直徑21.8 mm 的大延伸率專用鋼絞線，配套拱形可調(diào)心（調(diào)心球墊）錨索托板，錨索安裝初始張拉力控制在250～300 kN 之間。間排距根據(jù)圍巖條件確定，控制在1.2～2.0 m 之間。

② 在巷道煤柱幫靠中部位置分別打設1 根直徑21.8 mm、1×19 股的幫錨索，錨索長度4.3 m，配拱形托板。幫錨索距底板高度不大于500 mm，排距2 m，垂直于巷幫表面打設。

③ 在巷道兩幫現(xiàn)有幫網(wǎng)支護的基礎上，增加鋪設菱形金屬網(wǎng)到底，確保巷幫無裸露；補打巷道底角錨桿，和水平面的夾角是45°，采用“錨桿+W鋼護板”形式，對巷幫底部圍巖進行維護。

通過對頂部、幫部加強支護，改良了巷道周圍巖層的物理力學特性，增強了自身強度以及承載能力，提升了穩(wěn)固性。對底部幫角增設錨桿錨網(wǎng)補強支護，使得淺部巖層可以保持相對穩(wěn)定平衡，最后逐步組成承載能力較強的整體結構，使得巷道的穩(wěn)定性得到加強。

（3）超前支護

在原9110 輔運巷超前掩護支架20 m 支護范圍外，增加“單體支柱+鋼梁”超前支護，一梁兩柱，排距1 m，延伸支護長度50 m。根據(jù)現(xiàn)場圍巖變形情況，動態(tài)增設單體支柱，變?yōu)橐涣喝让芗ёo形式，或加設木垛支護，減緩頂板下沉，減少應力向兩幫及底板傳遞。

（4）底板防水措施

9 號煤層巷道底板以砂質泥巖為主，局部底板為1.47～3.48 m 薄層泥巖。在掘進及回采期間，由于巖層裂隙水、洗巷水或管路跑冒滴漏等產(chǎn)生的污水滲透進入底板，底板巖層浸水后體積會發(fā)生擴脹、強度弱化等問題。通過采取及時疏導清理兩幫水溝、人工清掃巷道、加強管路檢修等措施，減少了底板泥巖與巷道底板積水接觸時間，改善了底板賦存環(huán)境，提高底板強度和穩(wěn)定性。

4 底鼓控制效果

底鼓防治技術措施在 9110 綜放工作面輔運巷進行了200 m 的工程試驗，同時展開礦壓觀測工作，主要觀測巷道頂?shù)缀蛢蓭偷膰鷰r變形情況。現(xiàn)場實測結果顯示：隨著工作面推進，巷道頂板下沉量和兩幫縮進量顯著收縮，累計下沉量為127 mm，縮進量為317 mm；巷道底鼓量及底鼓速率都較小，最大底鼓量234 mm，最大底鼓速率39.5 mm/d。圍巖變形量相比原先明顯減小，底鼓變化量及變形速率都在可控制范圍內(nèi)。

由此可見，采取圍巖聯(lián)合加固、超前支護、底板防水等綜合治理措施后，巷道圍巖的強度和抗變形能力顯著提升，巷道底鼓變化趨勢減弱，底板逐漸穩(wěn)定，減少了起底、刷幫等工作量，在不返修或局部少量返修的情況下，滿足了工作面生產(chǎn)期間相關使用要求。