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      泥巖頂?shù)装寤夭上锏赖坠臋C理及控制技術

      2021-05-13 08:30:40羅曉龍
      山東煤炭科技 2021年4期
      關鍵詞:底鼓泥巖受力

      羅曉龍

      (西山煤電官地礦,山西 太原 030022)

      在工作面回采過程中,兩巷的穩(wěn)定是保證正常生產的關鍵,但成巷后,由于應力狀態(tài)的改變導致圍巖的受力情況發(fā)生變化,在超前支承壓力或構造應力等的影響下,巷道頂?shù)装?、兩幫均會向巷道內移動,形成頂板下沉、兩幫移近和底鼓等。一般來說,小于200 mm 的底鼓不需采取專門的應對措施,但對于軟巖頂?shù)装逑锏?,一般底鼓量大?00 mm,需要反復臥底維修,增加了工程量。

      根據相關的統(tǒng)計,在某些軟巖頂?shù)装迕旱V,由于巷道底鼓反復維修增加的工程量甚至超過了新掘巷道的長度,嚴重限制了綜采高產高效能力的發(fā)揮[1-5]。

      1 概況

      山西焦煤集團有限責任公司官地礦33423 工作面位于北四采區(qū),所采煤層為3號煤,煤層結構簡單,煤層傾角2°~11°,平均6°。煤層厚度3.0~3.7 m,平均3.3 m,蓋山厚度200~430 m,平均厚度325 m。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。

      圖1 33423 工作面頂?shù)装鍘r性

      由柱狀圖可以看出,煤層頂?shù)装鍘r性較差,存在一層0.40 m 的炭質泥巖偽頂,順槽掘進過程中隨掘隨冒。直接頂和直接底均為泥巖,強度較低,對巷道影響較大。33423 工作面范圍整體為單斜構造,工作面范圍內預計有大小斷層十余條,其中最大落差為4.5 m。

      33423 工作面傾斜長度為186 m,走向長度為1034 m,采用綜合機械化走向長壁開采,全部垮落法處理頂板。

      工作面兩巷均為矩形斷面,運輸巷的規(guī)格為4.4 m×3.5 m(寬×高),錨網索支護,支護方案如圖2。

      圖2 33423 運輸巷支護設計

      2 底鼓特性及影響因素

      2.1 底鼓特征

      33423 工作面由于頂?shù)装寰鶠檐浫醯哪鄮r,與其他巷道相比,礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)不同的特點。

      (1)底鼓量大

      與常規(guī)的回采巷道礦壓顯現(xiàn)不同,33423 工作面兩巷的頂?shù)装逡平恐杏?0%以上是底鼓量,并且底鼓具有反復性和區(qū)域性,底鼓量大的區(qū)域常規(guī)臥底后,如果不采取措施仍會發(fā)生鼓出現(xiàn)象。

      (2)底鼓變形具有流變特性

      巷道掘進后,底鼓的變形可分為三個階段:成巷初期底鼓量急劇增大,一般在7 d 左右增速達到最大值;隨后底鼓變形速率減小,一般維持在一個月左右;第三個階段為常規(guī)底鼓,該階段持續(xù)的時間較長,底板以較小的速度流變突起。

      (3)底鼓類型為擠壓流動型

      由于33423 工作面的頂?shù)装寰鶠檐浫醯哪鄮r,整個巷道處于松軟破碎巖體中,兩幫松動圈的范圍比較大,遠處的地應力對巷道底板造成積壓,促使底板向巷道內移動。

      (4)構造對底鼓的影響大

      33423工作面兩巷掘進過程中揭露有多條斷層,在斷層附近均出現(xiàn)了不同程度的底鼓,其中落差最大的F8 斷層附近底鼓量達到0.8 m,經過反復多次臥底仍難以滿足生產要求。

      2.2 影響因素

      (1)巷道圍巖的巖性

      回采巷道的頂?shù)装鍘r性尤其是底板的巖性是決定巷道底鼓的關鍵因素。對于巖性較差、強度較低的泥巖或破碎巖層來說,其力學性質差,巷道掘進后,由于開挖卸荷和碎脹力的作用,底板巖層中的節(jié)理裂隙會進一步擴展,進一步降低了其承載能力,受回采應力或遇到斷層等地質構造時,低強度的底板極易向巷道內突出,形成底鼓。

      (2)支護強度的作用

      由于巷道的掘進,長期處于穩(wěn)定原巖應力狀態(tài)的巖體從三向受力變?yōu)閮上蚴芰?,并且增加了一個自由面。與此同時,應力重新分布,向巷道周邊轉移,引起局部應力集中,加速巖體的破壞。同時,由于自由面的存在,巷道頂?shù)装搴蛢蓭途邢蛳锏纼裙某龅内厔?。但由于巷道兩幫及頂板均有支護,底板一般無支護,巷道的應力從巷道底板向巷內釋放,使得底板鼓出。

      (3)構造應力的影響

      工作面兩巷掘進中揭露有多條斷層,而斷層都是經歷強烈的地質構造運動而形成的,儲存有較高的構造應力。在斷層附近,受高構造應力和水平應力的影響,軟弱底板的巷道極易受擠壓作用而向巷內膨脹。

      (4)底板的流變效應明顯

      工作面從順槽巷道開始掘進到安裝完畢,經歷的時間較長,觀測表明,底鼓并不是巷道掘進后立即顯現(xiàn)的,而是隨著時間的延長逐漸增大,具有明顯的流變特性。

      3 底鼓機理及控制

      3.1 底鼓機理

      將巷道底板承受的兩幫的壓力簡化為均布載荷q,則巷道底板的受力如圖3。

      圖3 巷道底板受力簡圖

      巷道開挖后,圍巖應力重新分布,在巷道兩幫形成寬度為x0的極限平衡區(qū)。由于巷道底板為泥巖,強度較低,承載能力差,當所受的垂直應力超過其極限強度時,底板極限平衡區(qū)范圍內的巖層(圖中Ⅰ區(qū)域)持續(xù)破壞,形成破碎區(qū)。破碎的巖體在水平應力作用下膨脹,擠壓過渡區(qū)(圖中Ⅱ區(qū)域)的巖體,同時將力傳向被動擠壓區(qū)(圖中Ⅲ區(qū)域)。隨著時間的增長或力的增大,底板破碎區(qū)內的巖層形成一個連續(xù)的滑移面,沿著滑移面Ⅱ、Ⅲ區(qū)域內的巖層被擠入巷道內,造成底鼓。

      通過對底板受力的分析,可為巷道底鼓治理提供理論指導。通過減少頂板壓力或者提高兩幫承載力,減少Ⅰ區(qū)域底板的受力,在Ⅱ區(qū)域補打錨桿,提高其承載能力,就能減少其對Ⅲ區(qū)域施加的壓力。

      3.2 現(xiàn)有支護對策

      對巷道底鼓的治理主要有兩種不同的方式,在現(xiàn)場使用中一般兩種方式同時使用。

      (1)提高底板的強度

      該方法充分利用底板圍巖的自承能力,通過注漿等措施填充巖體的縫隙,提高巖體的內聚力、內摩擦角等,使受應力影響破碎的巖石重新膠結成一個整體,提高其抵抗變形破壞的能力。

      (2)對底板支護

      絕大多數(shù)的回采巷道底板一般都是裸巷,沒有任何的支護,如果底鼓嚴重,可以利用底角錨桿、反底拱等措施改變底板的應力狀態(tài),抑制底板的變形,保持底板的穩(wěn)定。

      3.3 33423 巷道底鼓控制方案

      巷道的頂板、底板和兩幫是一個整體,三者共同維持巷道的穩(wěn)定,因此底板的治理必須整體考慮。綜合以上兩種支護對策,確定采用一體化全斷面的支護方案,在加強頂板和兩幫支護的同時對底板進行加固治理。

      (1)加強兩幫和頂板的支護

      將錨桿排距由2 m/排加密為1.5 m/排,同時將錨桿索同排間隔布置改為兩排布置,每排布置錨索三根,排距為1.5 m,同時將錨索長度由5.2 m 加長為8.2 m。優(yōu)化后的頂板支護方案如圖4 所示。

      圖4 優(yōu)化后的頂板支護方案

      (2)補打底板錨桿

      在巷道底板距兩幫0.5 m 處補打直徑43 mm、長1600 mm 的管縫式錨桿,在錨桿孔中插入直徑22 mm 的鋼筋,采用高壓注漿泵往孔內注水泥漿。

      (3)反底拱

      在地質構造附近巷道優(yōu)化后的頂板支護方案比較嚴重或臥底后反復出現(xiàn)底鼓的區(qū)域,采用反底拱的方案。在底板施工下挖0.5 m 施工反底拱,然后對巷道底板進行注漿,將反底拱施工過程中的裂隙充填封閉,抵抗水平應力對底板的破壞。

      4 應用效果

      對巷道采用如上的底鼓治理方案后,在工作面前方建立測站,對巷道表面位移進行觀測,其中三號測點位于工作面前方80 m,其變形規(guī)律如圖5。

      圖5 底鼓治理后的巷道頂?shù)装逦灰?/p>

      由圖可以看出,治理后的巷道仍然有底鼓發(fā)生,但底鼓量小,最大值僅為0.1 m。當該測點進入工作面超前支承壓力的范圍后,底鼓出現(xiàn)了反彈,底鼓量變大,最大底鼓量達到了0.4 m,但未影響生產。

      5 結論

      (1)33423 工作面順槽底鼓的主要原因是在高水平構造應力的作用下,底板的軟弱泥巖由于未采取任何支護措施而產生的明顯流變所致。

      (2)巷道的頂板、底板和兩幫是一個整體,對底板的穩(wěn)定性控制必須考慮頂板和兩幫的作用,采用一體化全斷面的支護設計方法。

      (3)通過采取加強支護、補打底角錨桿,局部區(qū)域淺部注漿等措施,33423 工作面回采巷道底鼓得到有效治理,保證了工作面的正常生產。

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