30407運(yùn)輸巷底鼓防治措施及其效果監(jiān)測(cè)

張曉軍

（山西沁和能源集團(tuán)南凹寺煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

隨著開采深度的不斷增加，煤礦井下巷道圍巖變形位移問題進(jìn)一步突出，給巷道日常使用以及維護(hù)帶來很大困難。其中，頂板和兩側(cè)巷幫位移問題已基本能夠得到控制，但是底板鼓起現(xiàn)象卻難以得到有效解決[1-2]。巷道底鼓量過大會(huì)造成巷道斷面縮小，巷道高度降低，對(duì)生產(chǎn)效率和運(yùn)輸能力造成嚴(yán)重影響，同時(shí)還會(huì)造成通風(fēng)能力受限，造成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)量不足等安全隱患[3]。本文針對(duì)南凹寺煤業(yè)30407 工作面運(yùn)輸巷底鼓情況，結(jié)合工作面地質(zhì)條件，采用底板鉆孔孔內(nèi)監(jiān)測(cè)的方式對(duì)底板圍巖位移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并在巷道兩側(cè)布置泄壓鉆孔，對(duì)巷道底板圍巖進(jìn)行泄壓、加固，可使巷道底鼓變形得到控制。

1 工作面概況

南凹寺煤業(yè)30407 工作面采用走向長(zhǎng)臂式綜合機(jī)械化采煤工藝，主采3#煤層。地質(zhì)勘探資料顯示，3#煤層老頂巖性為粉砂巖，厚度為2.3～2.7 m，均厚2.5 m，硬度系數(shù)為6～10；直接頂巖性為泥巖，厚度為3.4～3.6 m，均厚3.5 m；直接底巖性為鋁質(zhì)泥巖，均厚2.5 m，硬度系數(shù)為4～6，巖性較軟。運(yùn)輸巷高度為3.3 m，巷寬4.6 m，支護(hù)形式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，沿煤層底板掘進(jìn)，運(yùn)輸巷北側(cè)為30405 采空區(qū)。在掘進(jìn)過程中，受采空區(qū)以及底板軟巖影響，底板鼓起現(xiàn)象嚴(yán)重，工作面通風(fēng)能力以及運(yùn)輸能力受到了限制，對(duì)巷道正常掘進(jìn)造成很大影響，同時(shí)還對(duì)工作人員的安全帶來威脅。

2 巷道底板圍巖位移監(jiān)測(cè)及鉆孔窺視結(jié)果分析

為了能夠詳實(shí)準(zhǔn)確的測(cè)得巷道底板圍巖位移，使用底板鉆孔孔內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方式獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，在巷道底板打設(shè)監(jiān)測(cè)鉆孔，然后在孔內(nèi)放置監(jiān)測(cè)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)各個(gè)方向地應(yīng)力和鉆孔變形數(shù)據(jù)，通過鉆孔內(nèi)部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來分析孔內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性，并判斷巷道底板圍巖的位移情況。

2.1 底板監(jiān)測(cè)鉆孔布置

底板監(jiān)測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)打設(shè)8 個(gè)，分為兩組，每組4個(gè)孔。第一組1#～4#鉆孔布置在采空區(qū)側(cè)煤柱附近底板處，孔間距2 m，孔徑Φ32 mm，孔深2 m；第二組5#～8#鉆孔布置在巷道中心附近，孔間距2 m，孔徑Φ32 mm，孔深2 m，兩組鉆孔間距2 m。為了保證檢測(cè)數(shù)據(jù)詳實(shí)可靠，在每個(gè)鉆孔0.4 m、1.1 m、1.8 m 孔深處分別放入監(jiān)測(cè)器，每個(gè)鉆孔3 個(gè)檢測(cè)器，1#～8#鉆孔編號(hào)對(duì)應(yīng)為字母A～H，根據(jù)檢測(cè)器放置深度的不同，監(jiān)測(cè)器編號(hào)為A1、A2、A3～H1、H2、H3。30407 工作面及監(jiān)測(cè)鉆孔布置見圖1。

圖1 30407 工作面及監(jiān)測(cè)鉆孔布置

2.2 數(shù)據(jù)采集及分析

巷道底板孔內(nèi)監(jiān)測(cè)周期共計(jì)15 d，每天收集8個(gè)鉆孔，共計(jì)24 個(gè)監(jiān)測(cè)器所測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)應(yīng)變處理后，可得孔內(nèi)應(yīng)力變化及孔內(nèi)各深度水平位移情況。圖2～圖4分別為8 個(gè)鉆孔0.4 m、1.1 m、1.8 m深度圍巖水平位移日平均曲線。

圖2 0.4 m 孔深圍巖水平位移日平均曲線

圖3 1.1 m 孔深圍巖水平位移日平均曲線

圖4 1.8 m 孔深圍巖水平位移日平均曲線

由圖2～圖4可知，鉆孔各深度孔內(nèi)變形量變化幅度較小，各孔深變形量均在2.5 mm 范圍之內(nèi)，而且均為水平方向變形。由此可知，巷道底板圍巖位移受水平方向應(yīng)力影響較大。

各鉆孔內(nèi)水平位移量累計(jì)變化曲線見圖5～圖7。

圖5 0.4 m 孔深圍巖累計(jì)位移曲線

圖6 1.1 m 孔深圍巖累計(jì)位移曲線

圖7 1.8 m 孔深圍巖累計(jì)位移曲線

相關(guān)研究結(jié)果表明，不同孔深處圍巖位移情況也有所區(qū)別，越深入底板處圍巖位移量越小。因此，底板圍巖深部比淺部更具穩(wěn)定性，巷道底鼓現(xiàn)象受淺部圍巖變形影響更大[4]。

本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也得出相同結(jié)論：由圖5～7 可知，15 d監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，各鉆孔所測(cè)圍巖位移量在20 mm左右，巷道底板圍巖位移量會(huì)隨時(shí)間逐漸增大，時(shí)間越長(zhǎng)巷道底板圍巖穩(wěn)定性越差。由于第一組監(jiān)測(cè)孔尤其是A孔布設(shè)位置靠近采空區(qū)側(cè)煤柱，采空區(qū)應(yīng)力通過煤柱傳遞，導(dǎo)致該側(cè)巷道應(yīng)力較為集中，底板圍巖位移量比巷道中心底板圍巖位移量更大。

2.3 孔內(nèi)窺視分析驗(yàn)證

為進(jìn)一步確定監(jiān)測(cè)孔內(nèi)所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分別對(duì)兩組鉆孔內(nèi)部進(jìn)行了窺視驗(yàn)證。圖8為靠近巷道中心側(cè)底板孔窺視結(jié)果，圖9為靠近采空區(qū)煤柱側(cè)底板孔窺視結(jié)果。

圖8 巷道中心側(cè)底板孔窺視

圖9 采空區(qū)煤柱側(cè)底板孔窺視

鉆孔窺視結(jié)果表明：采空區(qū)煤柱側(cè)的鉆孔縮進(jìn)程度明顯比巷道中心側(cè)鉆孔要大，說明采空區(qū)煤柱側(cè)底板圍巖穩(wěn)定性較差，這與底板鉆孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果相符。

綜上所述：運(yùn)輸巷巷道底板圍巖受北側(cè)采空區(qū)影響，采空區(qū)應(yīng)力由煤柱傳遞，導(dǎo)致該側(cè)底板圍巖水平應(yīng)力過于集中，底板圍巖變形嚴(yán)重。

3 巷道底鼓防治

3.1 巷道底鼓治理方案

為有效解決巷道底鼓問題，決定在巷道兩側(cè)布置鉆孔，對(duì)靠近采空區(qū)煤柱一側(cè)進(jìn)行打鉆卸壓，對(duì)巷道中心側(cè)底板圍巖進(jìn)行鉆進(jìn)充填加固。鉆孔技術(shù)參數(shù)如下：

（1）鉆孔直徑。根據(jù)底板加固基于強(qiáng)化底板圍巖物理強(qiáng)度的原理，打設(shè)加固鉆孔放入加固裝置時(shí)鉆孔直徑越大，底板加固效果越好[5]，由于南凹寺煤業(yè)在冊(cè)鉆機(jī)配備的鉆頭最大直徑為75 mm，因此，確定底板加固孔直徑為75 mm。

（2）鉆孔深度。為能夠最大程度發(fā)揮充填加固的效果，將底板注漿加固鉆孔深度確定為3.5 m。根據(jù)抗讓結(jié)合的原理，注漿充填加固部位定為鉆孔中部，裝置上、下各留25 mm 的水平變形空間[6]（見圖13）,以便讓出圍巖基本的水平變形空間，充分發(fā)揮充填加固的作用。

（3）鉆孔間距。根據(jù)充填加固原理，底板加固孔排列越緊密，對(duì)底板加固效果越好[7]，原則上在保證底板充填加固效果能夠滿足生產(chǎn)需求的情況下，盡量減少成本投入；因此，鉆孔間距確定為1 m，泄壓孔間距布設(shè)為0.5 m。底板加固鉆孔以及泄壓孔布置見圖10。

圖10 底板加固鉆孔和泄壓孔布置

3.2 底鼓防治技術(shù)應(yīng)用

治理方案以及技術(shù)參數(shù)確定后，在30407 工作面運(yùn)輸巷距切眼100～150 m 范圍內(nèi)進(jìn)行底鼓防治技術(shù)試驗(yàn)，見圖1；設(shè)置了4 處底板圍巖位移觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)工作面采動(dòng)期間以及停采期間巷道底板圍巖位移變化數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，工作面停采期間，治理段巷道底板比未治理段巷道底板圍巖位移量顯著減少，并且圍巖位移趨勢(shì)在20 d 后穩(wěn)定，位移量對(duì)比見圖11；工作面采動(dòng)期間，治理段巷道底板變形量同樣大幅小于未治理段巷道，見圖12。

圖11 停采期間底板圍巖位移量對(duì)比

圖12 采動(dòng)期間底板圍巖位移量對(duì)比

巷道經(jīng)過鉆孔卸壓以及底板充填加固后，巷道底板圍巖穩(wěn)定性得到了顯著提升，采空區(qū)煤柱側(cè)打設(shè)鉆孔卸壓，將采空區(qū)煤柱側(cè)底板所承受的高水平應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，皮帶側(cè)所打設(shè)的底板充填加固孔能夠改善底板圍巖的傳播路徑，使巷道底板更加穩(wěn)定[8]。圖13為巷道底板應(yīng)力傳播路徑防治前后對(duì)比。

圖13 巷道底板應(yīng)力傳播路徑防治前后對(duì)比

4 結(jié)論

30407 工作面運(yùn)輸巷在采掘期間頻繁出現(xiàn)底板鼓起現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到工作面正常生產(chǎn)以及運(yùn)輸通風(fēng)。因此，結(jié)合工作面地質(zhì)條件分析研究了底鼓現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并通過實(shí)地測(cè)量獲得了大量準(zhǔn)確詳實(shí)的圍巖位移數(shù)據(jù)，并采取針對(duì)性手段對(duì)其進(jìn)行防治。

1）通過巷道打鉆監(jiān)測(cè)的方式對(duì)巷道底鼓情況進(jìn)行測(cè)量分析，得到了煤柱側(cè)巷道底板鼓起現(xiàn)場(chǎng)較之巷道中心測(cè)更為活躍，原因是靠近煤柱側(cè)巷道受采空區(qū)影響，應(yīng)力集中導(dǎo)致巷道底板圍巖位移嚴(yán)重。

2）南凹寺煤業(yè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果結(jié)合地質(zhì)資料，制定了煤柱側(cè)打鉆卸壓，巷道中心附近打孔加固的防治技術(shù)方案及鉆孔布置參數(shù)。

3）在30407 工作面運(yùn)輸巷切眼向外100～150 m處現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，治理段巷道在回采過程中巷道底鼓現(xiàn)象比未治理巷道明顯減弱，治理效果顯著。