建莊礦4-2205工作面膠帶巷底鼓的防治技術

閆嘉平

（陜西煤業集團黃陵建莊礦業有限公司，陜西 黃陵 727307）

引言

圍巖松軟、開采深度增大等因素均會導致巷道圍巖產生變形[1-2]。膠帶巷作為煤炭運輸的重要巷道，對于礦井系統正常運輸具有重要作用，運輸巷道圍巖變形嚴重，尤其是底鼓嚴重，導致運輸皮帶不穩，運輸系統中斷[3-5]。

建莊煤礦4-2205工作面膠帶巷部分區域出現嚴重巷道變形的情況，導致運輸系統無法正常運行。為有效解決該問題，本文針對建莊礦4-2205工作面膠帶巷底鼓現象進行模擬研究，根據數值模擬研究結果制定有針對性的支護措施。

1 4-2205工作面膠帶巷概況

1.1 4-2煤層頂底板巖性

4-2煤層基頂為“砂巖”，巖性為長石砂巖和細粒長石石英砂巖，裂隙不發育。在不滲水情況下，單軸抗壓強度55.3 MPa，水飽和時單軸抗壓強度23.80 MPa。底板為含炭泥巖，干燥時單軸抗壓強度46 MPa，實驗室測試底板巖層遇水極易膨脹變形。巖石中伴有離層現象，通過單軸應力實驗可知，較小的軸向應力變回導致巖石大尺度法向變形。巖層情況見表1。

表1 4-2煤層頂底板巖性

1.2 膠帶巷斷面及支護方式

采用錨網索桁架支護，頂板和幫部采用不同的支護方式。進行頂板支護時，單排使用錨索支護，雙排采用錨桿支護，錨桿直徑Φ20 mm，長度2.5 m，錨索直徑Φ20 mm，長度3.5 m，錨網錨固錨索間距0.7 m，幫部使用錨桿錨固。整體設計如圖1所示。

圖1 巷道支護設計圖（單位：mm）

2 巷道底鼓數值的模擬

為研究巷道底鼓問題變化規律，本文使用COMSOL軟件對巷道變形規律進行模擬研究。對整個膠帶巷圍巖進行取樣，將樣本帶到實驗室進行巖石彈性模量等參數測量，同時對不同巖石的巖性進行了測試。根據實驗參數進行數值模擬研究。建立模型幾何參數和膠帶巷基本參數一致。

模擬為瞬態過程，步長24 h，數值模擬總時間為120 d。模擬出巷道在受到地應力作用下，底板、行幫位置不同時間點的變形情況，30 d、60 d、90 d、120 d時，巷道周圍巖體應力分布如下頁圖2—圖5所示。

圖2 30 d巷幫應力（Pa）分布云圖

圖5 120 d巷幫應力（Pa）分布云圖

3 底鼓數值模擬分析

圖3 60 d巷幫應力（Pa）分布云圖

圖4 90 d巷幫應力（Pa）分布云圖

由圖2—圖5可知，巷道整體應力比較集中的位置為巷道底板，其次是巷幫，巷道斷面頂部受到的應力比較少。隨著時間的推移，底板應力增大趨勢不斷加劇。巷道底板受力狀況為中間應力最大，兩邊逐漸遞減的趨勢。數值模擬為有限元分析法，根據分析，底板受到最大擠壓應力為9.0×105Pa，最大水平位移為30 cm，意味著底板中部會出現較大巖石離層現象；應力由兩邊向中部蔓延，最終導致巷道斷面中間大面積垮裂；行幫兩側距離地面30~120 cm區域應力比較集中，隨著時間不斷推移，巷道幫部水平位移量達到10 cm，如果不進行有效控制，將導致幫部巖層向巷道位置平移，最終形成大面積垮塌現象。頂部出現位移的反方向變形，巖層呈現內凹現象，該區域不采取措施，會出現折斷現象。

按照設計進行巷道開挖之后，以建莊礦情況分析，底板出現形變是最大的，初始為中部上凸，當應力沖破巖層彈力極限，就會出現巷道中部大面積破碎現象；行幫也會出現以上現象。由于巷道底板為黏質砂巖，遇水會出現膨脹等現象，因此更容易造成底板不穩。

4 防治措施及效果考察

根據巷道數值模擬結果分析，巷道底板承受的應力最大，形變最嚴重，因此制定措施首先考慮底鼓現象，其次解決行幫問題。結合目前相關技術制定的底鼓防護措施有：

4.1 錨桿進行底板加固

巖層均為層狀結構，頂板巖層也是如此。錨固結構可有效地將層狀的巖石結構整體化，將已經產生的水平巖層裂隙封閉，保證巖層法相結構的連續性。同時有效地將相鄰的不同巖層連接，形成組合結構，具體如圖6所示。由于底板和頂板的差異性，底板施工鉆孔時為下向孔，排渣難度大。同時，由于重力作用向下，因此底板錨固時可適當減小錨固長度，錨固長度為1.5~2 m，情況不是很嚴重的情況下，錨桿密度可適當減小，為800 mm×800 mm即可。

圖6 錨桿結構原理

4.2 底板注漿技術

對于已經出現底鼓導致底板破裂的區域，可使用底板注漿技術。由于水泥漿具有一定的黏合力，水泥漿可有效硬化破碎區域，當破裂情況比較嚴重的時候可以適當地加聚氨酯等材料，增強加固效果。

施工工藝為對破裂底板進行掃除清理，對現整體進行大面積噴漿，水泥漿中加入速凝劑。初次噴漿后，完成初凝后鋪設鋼絲網，進行二次噴漿加固。

4.3 巷道斷面填充技術

巷道斷面填充技術主要是通過填充技術改變巷道應力分布，從而增加巷道底板黏土從巷道壁部向下面的流動阻力。

該技術主要用于永久性巷道的底板支護，施工方法為：首先在巷道底板上開挖巨型坑槽，在坑槽內填充遇水硬化微膨脹材料，使之可以為上部材料反拱，可以保證底板的抗破壞作用。同時加裝伸縮支架等原件，可有效防止底鼓的殘余應力。

5 結論

1）巷道圍巖底板應力變形最大，呈中間高兩邊低的情況；其次是左、右幫部應力比較大；隨著時間的推移，應力變形不斷加劇；

2）根據數值模擬結果可知，為防治巷道破壞嚴重，首先必須解決巷道底鼓問題，其次要解決巷道幫部應力集中問題；

3）根據數值模擬結果制定的防治底鼓措施分別為錨桿進行底板加固、底板注漿技術和巷道斷面填充技術。