沿空巷道底鼓破壞與支護(hù)技術(shù)研究

張付平

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048002）

隨著礦山壓力理論研究的不斷深入和開采技術(shù)的不斷發(fā)展，沿空掘巷技術(shù)在我國得到了廣泛應(yīng)用。采用沿空掘巷的理論依據(jù)為：工作面回采結(jié)束，采空區(qū)側(cè)向上覆巖層運移趨于穩(wěn)定后，在采空區(qū)側(cè)向一定范圍內(nèi)存在低于原巖應(yīng)力的低應(yīng)力區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)回采巷道，由于巷道布置在采空區(qū)側(cè)向低應(yīng)力區(qū)域范圍內(nèi)，充分利用低應(yīng)力區(qū)便于維護(hù)巷道的特點。沿空掘巷受掘進(jìn)及二次采動影響，巷道底板易發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞，本文分析了3005 綜采工作面回風(fēng)巷道底鼓特征及破壞原因，給出了巷道支護(hù)方案，為沿空掘巷底板支護(hù)提供了參考[1-6]。

1 巷道開采技術(shù)條件

3005 回風(fēng)順槽位于3005 綜采工作面北部，巷道設(shè)計為矩形斷面，掘進(jìn)寬度為3.2 m，掘進(jìn)高度為2.6 m，凈寬3.0 m，凈高2.4 m。巷道沿3003 綜采面采空區(qū)沿空布置，護(hù)巷煤柱為8 m，巷道頂板為3 號煤層，煤層上部為泥巖及砂質(zhì)泥巖，平均厚度為9.27 m，巷道底板為黑色泥巖，平均厚度為3.07 m。巷道原始支護(hù)方案為錨桿及錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板及兩幫錨桿規(guī)格均為Φ22 mm×1800 mm，頂板間排距為900 mm×900 mm，兩幫間排距為900 mm×800 mm；巷道頂板中部布置1 根規(guī)格為Φ17.8 mm×5300 mm 的錨索，排距為1800 mm。

2 巷道底鼓破壞特征及原因分析

2.1 破壞特征

沿空掘進(jìn)期間3005 回風(fēng)順槽發(fā)生了一定程度的變形，但相對較小，3005 工作面回采期間巷道底板發(fā)生大幅度底鼓破壞，具體表現(xiàn)情況為：

（1）回采期間在工作面前方30～50 m 區(qū)域內(nèi)巷道底板發(fā)生大幅度破壞，有較大裂縫，工作面附近底板最大底鼓量980 mm，最大裂隙寬度391 mm，位于工作面靠近煤柱一側(cè)。

（2）巷道底鼓為非對稱破壞，其中靠近煤柱幫一側(cè)底鼓量大于實體煤幫一側(cè)。

（3）巷道底板傾斜明顯，無法滿足工作面輔助運輸要求，在工作面前方30 m 處需要人工起底，起底深度為500 mm，靠近工作面附近巷道發(fā)生二次底鼓，底鼓量增大300～400 mm。

（4）巷道超前支護(hù)的單體立柱穿底明顯，導(dǎo)致立柱支護(hù)強(qiáng)度降低，進(jìn)一步加重了巷道底鼓程度。

2.2 破壞原因分析

根據(jù)生產(chǎn)過程中現(xiàn)場觀測，結(jié)合巷道實際破壞情況，認(rèn)為影響巷道底鼓破壞的因素主要有圍巖應(yīng)力及強(qiáng)度、煤柱寬度和支護(hù)方式。

（1）圍巖強(qiáng)度及應(yīng)力。3005 回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，巷道底板為黑色泥巖，兩幫及頂板均為3 號煤層。由于底板泥巖屬于軟弱巖層，一方面在掘進(jìn)及工作面回采過程中巷道受兩次顯著采動影響，底板圍巖體的物理力學(xué)性質(zhì)持續(xù)減弱，底板裂隙增大，進(jìn)一步降低底板框變形能力，導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重破壞變形；另一方面沿空掘進(jìn)后，巷道承載著復(fù)雜的地應(yīng)力，在應(yīng)力作用下巷道圍巖持續(xù)發(fā)生破壞變形，表現(xiàn)為在巷道圍巖體最軟弱的底部區(qū)域率先發(fā)生破壞，且破壞程度最大，導(dǎo)致巷道發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞。

（2）護(hù)巷煤柱寬度。沿空掘進(jìn)后，巷道一側(cè)為護(hù)巷煤柱，護(hù)巷煤柱外側(cè)為采空區(qū)，另一側(cè)為實體煤幫，由于巷道在掘進(jìn)之前采空區(qū)側(cè)向煤柱已受上工作面采動影響而發(fā)生一定破壞，煤柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，抵抗復(fù)雜應(yīng)力的能力大幅度減小，因此煤柱幫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對巷道底板破壞變形具有重要影響。

（3）支護(hù)方式。3005 回風(fēng)順槽頂板及兩幫錨桿長度均為1800 mm，底板無支護(hù)。由于錨桿有效支護(hù)長度較小，在兩次強(qiáng)烈采動影響下極易發(fā)生失效現(xiàn)象，巷道圍巖由原來錨桿支護(hù)作用下的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖體失去約束作用，應(yīng)力狀態(tài)持續(xù)惡化，在圍巖體破壞變形過程中進(jìn)一步增大了巷道底板的破壞程度。此外由于巷道底板無支護(hù)，原始自由面在采動影響下極易向巷道空間內(nèi)部讓壓變形，導(dǎo)致巷道底鼓增大。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化

沿空掘進(jìn)3005 工作面回風(fēng)順槽一側(cè)為護(hù)巷煤柱，寬度為8 m，另一側(cè)為待采工作面。基于以往的大量研究，沿空煤柱均為窄煤柱，煤柱寬度不大于8 m，結(jié)合礦方實際生產(chǎn)情況，本文在現(xiàn)有的煤柱條件下給出巷道底鼓治理方案。

3.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

以往的研究成果和現(xiàn)場實踐表明，錨桿及錨索支護(hù)系統(tǒng)可以使巷道圍巖形成一個整體的承載結(jié)構(gòu)體，有效增大巷道圍巖體的峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，對巷道圍巖穩(wěn)定具有十分重要的作用。本文通過綜合分析3005 回風(fēng)順槽的實際生產(chǎn)地質(zhì)條件、圍巖巖性、錨固體性能、巷道用途等因素，確定了如下支護(hù)參數(shù)。巷道錨桿支護(hù)斷面如圖1。

（1）頂板采用Φ22 mm×2800 mm 型錨桿，每排布置4 根，間距為800 mm，排距為800 mm，中部錨桿垂直于頂板布置，兩側(cè)錨桿與豎直方向呈15°夾角，錨桿預(yù)緊力在180 kN 以上，扭矩不低于300 kN·m；錨索采用Φ17.8 mm×7300 mm 型高強(qiáng)度鋼絞線，間距及排距均為1600 mm，垂直于頂板布置，錨索破斷載荷不小于350 kN。

（2）煤柱幫錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2800 mm，每排布置3 根，間距為800 m，排距為700 mm，中部錨桿垂直于煤柱幫，頂部及底部錨桿與水平方向呈15°夾角，錨桿預(yù)緊力大于180 kN，扭矩大于300 kN·m。

（3）煤壁幫錨桿采用Φ22 mm×2400 mm 型螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×700 mm，中部錨桿垂直于幫部打設(shè)，頂部及底部錨索與水平方向呈15°夾角，錨桿預(yù)緊力大于180 kN，扭矩大于 300 kN·m。

圖1 巷道錨桿支護(hù)斷面

3.2 底板處理

3005 回風(fēng)順槽沿底掘進(jìn)，巷道底板為黑色泥巖，巖層厚度為3.07 m。在實際掘進(jìn)過程中出現(xiàn)底板破碎和變形時采取注漿加固措施，保證漿體能夠進(jìn)入底板裂縫，改善底板巖層力學(xué)性能。此外在底板開設(shè)卸壓槽，使底板應(yīng)力得到釋放，減小底板底鼓變形破壞。

4 現(xiàn)場實踐

3005 回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過程中采用優(yōu)化支護(hù)方式后，對巷道進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，整個沿空掘進(jìn)期間巷道頂板最大下沉量為108 mm，底板最大變形量為125 mm，兩幫最大變形量為215 mm。3005 工作面回采期間巷道圍巖變形量如圖2。隨著工作面的臨近，巷道圍巖變形逐漸增大，工作面附近頂板最大下沉量約為250 mm，兩幫累計變形量為425 mm，底板最大底鼓量為350 mm，生產(chǎn)期間無大規(guī)模起底，表明底板底鼓得到了有效控制，可以滿足工作面回風(fēng)及輔助運輸要求。

圖2 巷道圍巖變形曲線

5 結(jié)論

在分析3005 回采工作面回風(fēng)順槽底鼓破壞特征的基礎(chǔ)上，分析了巷道底鼓原因并給出了巷道底鼓的治理方案。實踐表明，巷道底鼓治理方案合理，巷道使用效果良好，可以滿足使用要求。