大埋深高地應力礦壓治理的技術實踐

趙 帥

（山西晉煤集團胡底煤業有限公司，山西 晉城 048214）

1 工程概況

胡底煤業井田位于山西省沁水煤田西北部，為突出礦井，礦井采用主斜副立綜合開拓方式，開拓巷道采用三進兩回布置，埋深在450～730 m之間，隨著開拓深度的增大，尤其通過石門上向斜地質構造帶后，巷道圍巖受到自重應力和高構造應力的雙重影響，巷道圍巖出現大變形失穩破壞。巷道支護成型后最長時間不到半年，最短不到一個月時間，大巷石門均有不同程度的變形。巷道兩幫最大移近量達到1500 mm，頂底板變形量最大達到2500 mm，主要表現為巷道幫部和拱頂噴層大面積開裂，部分開裂嚴重處，噴層已經脫落，裸露出鋼筋網片和圍巖體，底板出現不同程度的底鼓現象，底板變形嚴重處底鼓量達到2200 mm。從現場觀測來看，底板變形仍未穩定，嚴重威脅了現場設備和工人的安全。

由于礦壓顯現強烈，公司組織對失修區域采取支挖離層、處理地鼓后，采用了全錨索支護，并進行了注漿。并在巷修區域設置了位移測點進行變形觀測，3個月內未發生有害變形。在2017年隨著時間的推移及首采面回采臨近停采線，與1301工作面對應的大巷石門巷道段均出現不同程度的變形（大巷與采面保護煤柱為100 m）。其中輔助運輸石門和主運輸石門、輔助進風石門變形尤其嚴重，主要表現為兩幫回縮、混凝土噴層開裂，局部變形嚴重處漿皮脫落，底鼓嚴重。通過現場礦壓監測，巷道圍巖變形仍未穩定。

圖3 主運輸巷穿層巷道地質剖面

圖4 輔助運輸巷穿層巷道地質剖面

2 變形破壞原因分析

2.1 地應力評估

依據“晉城礦區地應力測量結果”，晉城礦區以晉—獲褶斷帶為界，東區（鳳凰山礦、古書院礦、王臺鋪礦等老區）最大水平應力方向主要為N19.4°～N56°，西區（成莊礦、寺河礦等）最大水平主應力方向主要為N30.2°E～N82.4°W。胡底煤業較接近成莊礦和寺河礦西區，五條石門的錨桿斷裂區域多為巷道的北拱部，應該與最大垂直主應力和最大水平主應力的共同作用有一定關系。通過地應力測試結論，最大水平主應力σH=18.34 MPa，最小水平主應力σh=9.41 MPa，垂直應力σV=16.47 MPa。 從測試結果判斷，區域最大水平主應力方向為北偏東65°左右。

2.2 地質特征分析

（1）大巷石門失修嚴重區域掘進過程中，通過石門上向斜構造，石門上向斜貫穿井田中部，軸向近南北，軸長1580 m，兩翼地層傾角不對稱。東翼傾角比較平緩，一般9°左右，西翼傾角較大，為21°左右。巷道失修的主要區域在向斜的西翼及軸部，礦壓顯現較為明顯，地質構造帶對巷道的支護影響較大。

（2）結合大巷石門地質剖面圖和現場分區域段取芯結果可知，巷道為穿層巷道，圍巖軟弱不均、巖性不一，各層間節理、裂隙原生存在，巖層間摩擦系數低，特別是輔運、主運石門砂質泥巖中含有1#煤層，而且1#煤層上下層伴生為更軟弱的碳質泥巖，巷道受到高應力的垂直和水平剪切作用時，各巖層發生相對錯動，加劇了巷道的變形破壞。同時巷道圍巖以泥巖為主，強度低，易風化，風化后呈現碎塊狀，裂隙較多，圍巖結構遭到進一步破壞，承載能力喪失。對此特選取了主運和輔運石門巷幫巖體，經天地公司應用X射線衍射儀進行了測試成分分析得出，礦井輔運和主運石門圍巖中的泥巖具有強度低、易風化，遇水軟化并具有一定的膨脹性，由于受1303工作面的回采動壓影響，圍巖二次應力的調整引起的巖體的變形及破壞，致使巖體裂隙張開，潮濕的空氣進入圍巖內部，導致圍巖強度進一步弱化，對于這類泥巖巷道，如不及時對圍巖加固或支護強度不夠，巷道圍巖頂板易于失穩。

2.3 采動影響

如圖4所示工作面回采引起超前支承壓力集中系數峰值一般為原巖應力的3倍左右，由于礦井原巖應力值相對較高，導致工作面停采線前方的巷道要承受更為劇烈的回采動壓影響。巷道表現為圍巖破壞范圍大、位移顯著，原生結構面發生了顯著離層、滑動、張開，大量新的破裂產生與擴展，導致圍巖擴容變形嚴重，體積顯著增加；巷道圍巖受采動引起的高應力作用，圍巖結構遭到嚴重破壞，擴容膨脹、破碎擠出，降低了錨桿的錨固作用，使得錨桿、索主動承載能力降低，甚至失效，產生較大的變形。

3 巷修

3.1 高標準巷修

（1）按照“高標準巷修”工程質量理念，挑頂擴幫處理至圍巖穩定，保證巷道高度和寬度，確保巷道成形。對挑頂、擴幫處理后的巷道，進行錨索補強支護，間排距1m×1 m，建立頂板管理班評估制度，每班填寫《全錨支護巷道小班工程質量與頂板動態評估表》，確保錨桿、錨索的角度、間排距、預緊力100%達標，網片緊貼巖面，為噴漿作業打好堅實基礎。

（2）要狠抓頂板管理，排查頂板隱患，對巷修地點頂板離層每班作業前進行全部找掉，發現問題必須處理后再進行施工。每天對主運巷道圍巖表面位移進行觀測記錄，每周進行匯總系統分析，繪制圖表并得出相應的結論，總結巷道變形的規律，為礦壓治理奠定基礎。

圖5 工作面回采停采線前方巷道頂板應力整體分布情況

（3）巷修時，對巷幫顯露的煤線進行采集數據，并繪制圖表，系統的記錄分析，為下一步注漿作業做好準備。建立現場生產反饋表，根據已有的地質資料對挑頂、擴幫后新裸露的圍巖巖性、敲幫問頂情況、頂板錨桿（索）鉆孔（打眼）的各種情況進行反饋匯總，對頂板巖性及穩定性進行分析判斷。

（4）在失修區域每隔15～20 m建立圍巖表面位移“十”字位移測點，堅持每天監測，并對數據進行周分析、月分析，掌握巷道變形顯現的規律。

圖6 主運“十”字位移測點數據分析

通過數據分析，變形主要原因有：變形隨著1301首采面的撤架，巷道底板及頂板變形變緩，由開始一周底鼓變形60mm降低至10 mm，主運石門主要變形原因為1301首采面的采動影響，主要集中在4#橫川至1301膠帶順槽口區段，變形多為底鼓及右幫變形。通過現場觀察及數據分析，巷道右幫變形量較大，多處出現錨索折斷，巷道右幫出現幫鼓現象，后經做位移測點及錨索位移量監測，發現局部巷道錨索外露減少的現象，輔進石門及盤區水泵房也存在此現象。所以結合現場分析巷道變形在主運石門南幫及輔進石門北幫，受軟層巖石及應力分布變形導致錨索折斷及外露減少，應加強對此段支護及注漿。

3.2 巷修經驗

（1）巷修工作需人員進入皮帶側作業，制度專門的安全技術措施，安裝皮帶行走過橋，同時將作業地點距過橋中間用鋼筋網片作防護網，防止了皮帶矸石掉落傷人及人員觸及皮帶事故的發生。

（2）巷修工作需加強對巷道電纜、監測線路、管路、巷道標示牌及照明燈保護，保護電纜監測線時用舊皮帶包裹然后將其下放在搭設的平臺下，下放時保證電纜不受力，用上面覆蓋的厚木板進行保護。管路保護用舊風筒包裹，然后上面用鐵絲綁厚木板進行保護，防止掉落矸石砸傷，杜絕了監測中斷、瓦斯誤報警等事故。

（3）面對我礦大埋深高應力的現狀，巷修工作必須認真對待，在巷修時，根據現場實際情況，逐步分析總結。通過不斷理論和實際的結合，提高全員對巷修工作的認知和重視。

（4）在本次集中處理失修巷道時對特殊區域做好標記，建議注漿孔的布置要根據現場實際情況進行布置，不能一概而論，尤其軟巖區域要布置密集，同時在注漿材料上的選用要結合本礦巖性而定。

4 礦壓治理

4.1 已掘巷道的礦壓治理

針對礦井的不同巷道不同區段，通過對各個區段的使用功能、巖石力學、地層分析、施工質量、支護設計等分別進行分析與研究，制定每一區段的巷修措施、加固方案、監測方法和補強措施，更深度層次認識到礦壓治理的一下新思想和新觀念，改善了原來的礦壓治理理念，加強了對礦壓管理的認識，更有充足的準備去應對大埋深高地應力條件下的礦壓治理。

4.2 新掘巷道的礦壓治理

（1）新掘巷道層位確定為主運、集中、輔回巷道頂板沿3#煤層頂板掘進，輔運、輔進巷道以K6灰巖為頂板掘進。沿3#煤層頂板掘進，為煤巷，直接頂為深灰色泥巖、粉砂質泥巖為主，老頂為石英雜砂巖，層位穩定，巷幫則為煤幫，易于掘進和管理維護；以K6灰巖為頂板沿5#煤層掘進，為巖巷，巷道頂板為深灰色石灰巖，強度高，便于頂板管理。巷道層位研究優化后較之前巷道更加穩定，頂板更易于控制。加強對新確定層位巷道深部巖層的支護強度，加大錨桿索支護護表面積，加深頂板位移監測深淺孔深度和觀測次數，及時掌握地質性能情況進行分析解決，控制巷道圍巖變形，滿足礦井巷道支護要求。

（2）巷道每相隔6m頂部增加2根10.3m的錨索，作為深部離層的信號，防止出現大面積冒頂；在交叉口等巷道斷面增大的區域，補打10.3 m的錨索，增加支護強度。新掘巷道加強頂板離層儀的觀測和安裝標準，安設位置選擇在2根10.3m錨索中間；深部基點布置在巷道上方穩定巖層中（約10 m左右位置），淺部基點布置在錨桿端部位置（約2.5 m左右）。

5 結語

巷修工作須高度重視，需要認真分析原因，避免今后新掘巷道出現失修情況；掌握礦壓應力分布規律，合理布置采掘銜接工作，使得運輸系統可靠、巷修工程減少、采掘銜接更加合理等優點；滿足機械化礦井生產需要，還能為企業創造好的經濟效益，對快速建井、快速投產具有現實意義；為建設成高瓦斯高突出高應力條件下高產高效的現代化樣板礦井奠定基礎。