回采巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)應(yīng)用

趙澤鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四侯煤礦，山西 晉城 048100）

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四侯煤礦3108 工作面位于一采區(qū)，工作面采用南北走向布置，東部為3103采空區(qū)與3108 回風(fēng)順槽預(yù)留的21 m 寬煤柱，西部為準(zhǔn)備階段的3110 工作面，北部為采掘區(qū)域，南部為一采區(qū)三條大巷。3108 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為160 m，工作面回采煤層為3#煤層，平均厚度為3.7 m，煤層傾角為15°。3#煤層存在偽頂，煤層頂板巖體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，頂板承載能力差，具體頂板巖性見(jiàn)表1。

表1 3108 工作面3#煤層頂?shù)装鍘r性表

3108 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為650 m，巷道主要用于工作面回風(fēng)及物料運(yùn)輸，巷道為矩形斷面。巷道沿3#煤層頂?shù)装宀贾茫锏缹挾葹?.5 m，高度為3.7 m。巷道頂板及兩幫主要采用錨桿（索）+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。為了便于物料運(yùn)輸，底板采用混凝土澆筑硬化處理，硬化厚度為0.12 m。

2 工作面回采現(xiàn)狀及底鼓機(jī)理

2.1 工作面回采現(xiàn)狀

3108 工作面采用綜合機(jī)械化后退式回采工藝。工作面回采至45 m 處時(shí)，位于工作面尾端頂板出現(xiàn)局部破碎，在工作面前方25 m 處回風(fēng)順槽底板出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，底鼓量為0.34 m，底鼓長(zhǎng)度為12 m。隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)工作面回采至50 m 處時(shí)，在工作面前方8～45 m 范圍內(nèi)回風(fēng)順槽出現(xiàn)大面積底鼓現(xiàn)象，最大底鼓量達(dá)0.38 m。底鼓后回風(fēng)順槽底板中部斷裂隆起，在底鼓段兩幫煤柱出現(xiàn)局部收斂現(xiàn)象，最大收斂量達(dá)0.45 m，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.2 回風(fēng)順槽底鼓機(jī)理

（1）底板穩(wěn)定性差。3108 回風(fēng)順槽底板主要以炭質(zhì)泥巖為主，穩(wěn)定性差，巖體呈脆性及層狀結(jié)構(gòu)，易破碎。回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過(guò)程中，底巖在掘進(jìn)開(kāi)挖應(yīng)力作用下已形成底巖裂隙，當(dāng)工作面回采時(shí)，回風(fēng)順槽在采動(dòng)應(yīng)力作用下再次產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致底巖失穩(wěn)。

（2）多重集中應(yīng)力影響。3108 回風(fēng)順槽47 m處（由里向外）揭露一條F8 正斷層，斷層落差1.5 m，斷層以45°夾角向工作面內(nèi)延伸。工作面回采至42 m 處時(shí)揭露該斷層，工作面回采至45 m 處時(shí)出現(xiàn)初次來(lái)壓，3108 回風(fēng)順槽在構(gòu)造應(yīng)力、回采應(yīng)力以及采空區(qū)等多重應(yīng)力作用下，導(dǎo)致底板在應(yīng)力作用下出現(xiàn)斷裂、移位以及隆起破碎[1-5]。

（3）兩幫煤柱破壞嚴(yán)重。3108 回風(fēng)順槽位于3103 采空區(qū)側(cè)，煤柱在采空區(qū)殘余應(yīng)力作用下出現(xiàn)破碎、片幫現(xiàn)象，兩幫煤柱在多重應(yīng)力作用下，煤柱承載強(qiáng)度減弱，對(duì)應(yīng)力無(wú)法起到有效的約束與控制作用，應(yīng)力沿不穩(wěn)定煤柱向底板傳遞，并通過(guò)底板裂隙向巷道內(nèi)釋放，兩幫側(cè)底板巖體受相向的水平剪切應(yīng)力作用，導(dǎo)致底板中部斷裂、隆起，兩側(cè)煤柱插入底板。

3 巷道底鼓控制技術(shù)應(yīng)用

3.1 巷幫加固措施

為了有效控制巷幫煤柱失穩(wěn)現(xiàn)象，且不影響工作面后期回采，決定對(duì)底鼓段兩幫煤柱施工玻璃鋼自鎖恒阻式錨桿進(jìn)行加固。

（1）3108 回風(fēng)順槽兩幫煤柱采用的玻璃鋼自鎖恒阻式錨桿主要由玻璃鋼桿體、端頭自鎖式結(jié)構(gòu)、尾部恒阻器以及高強(qiáng)度玻璃鋼W 型托盤(pán)等部分組成。

（2）玻璃鋼桿體長(zhǎng)1.8 m，直徑為23 mm，錨桿最大屈服強(qiáng)度為280 kN，水平抗剪應(yīng)力185 kN。桿體錨固段安裝一個(gè)自鎖件，錨桿錨固時(shí)自鎖件可與鉆孔圍巖自鎖。尾部恒阻器長(zhǎng)度為0.35 m，由三組讓壓彈簧構(gòu)成，如圖1。恒阻器最大抗載荷能力為477 kN。玻璃鋼W 型托盤(pán)長(zhǎng)度為0.48 m，寬度為0.25 m。

圖1 玻璃鋼自鎖恒阻式錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

（3）玻璃鋼自鎖恒阻式錨桿采用邁步式布置，兩側(cè)巷幫各施工兩排玻璃鋼錨桿，兩排錨桿排距為1.3 m，第一排與頂板間距為0.8 m。

3.2 巷道底鼓加固措施

為了達(dá)到控制底鼓的目的，需對(duì)原軟巖底板進(jìn)行人工加固。通過(guò)研究決定對(duì)底鼓處采取“起底澆筑+注漿錨索+安裝張拉鋼梁”聯(lián)合控制技術(shù)。

（1）回風(fēng)順槽起底。對(duì)3108 回風(fēng)順槽距工作面8～45 m段進(jìn)行起底施工，采用松動(dòng)爆破起底方式，起底深度為0.4 m，起底寬度為4.5 m，起底后保證起底底板平整。

（2）注漿錨索施工。注漿錨索采用9 股中空錨索，錨索長(zhǎng)度為3.0 m，直徑為25 mm，中部孔直徑為12 mm。首先在起底底板處施工9 排錨索鉆孔，錨索鉆孔采用“二.一.二”布置方式，錨索排距為5.0 m，間距為3.0 m。錨索錨固后外露長(zhǎng)度控制在0.4～0.5 m 范圍，然后對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿，注漿液采用硅酸水泥與水玻璃混合漿液。

（3）澆筑施工。起底處注漿錨索全部施工完后，對(duì)起底處進(jìn)行混凝土澆筑，澆筑厚度為0.5 m，混凝土中水泥與沙子配比為1:2。為了提高澆注體韌性及強(qiáng)度，底板每澆筑混凝土厚度達(dá)0.1 m 時(shí)在澆筑面上鋪一片聚氨酯纖維網(wǎng)，纖維網(wǎng)長(zhǎng)度為40 m，寬度為5.0 m。纖維網(wǎng)由寬度為50 mm 纖維條帶編制而成。

（4）安裝張拉鋼梁。當(dāng)混凝土澆筑達(dá)0.3 m 時(shí)停止?jié)仓┕ぃ瑢?duì)澆筑面進(jìn)行整平，待混凝土澆筑面凝固后在每?jī)筛{錨索外露端安裝一根張拉鋼梁，并采用鎖具進(jìn)行預(yù)緊。每根張拉鋼梁長(zhǎng)4.0 m，寬度為0.20 m，張拉鋼梁安裝再進(jìn)行澆筑，直至與巷道設(shè)計(jì)底板面齊平。3108 回風(fēng)順槽底鼓區(qū)控制技術(shù)施工斷面如圖2。

圖2 3108 回風(fēng)順槽底鼓區(qū)控制技術(shù)施工斷面示意圖

4 應(yīng)用效果

對(duì)3108 工作面回采期間回風(fēng)順槽底鼓原因進(jìn)行分析，提出合理有效的底鼓控制技術(shù)，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用取得了顯著的應(yīng)用成效。

（1）與傳統(tǒng)的無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿相比，玻璃鋼自鎖恒阻式錨桿不僅提高了錨桿與破碎圍巖錨固質(zhì)量，而且該錨桿中安裝的恒阻器能夠?qū)?yīng)力圍巖蠕動(dòng)變形現(xiàn)象起到很好地讓壓作用，實(shí)現(xiàn)了支護(hù)體與變形圍巖耦合支護(hù)效果。3108 回風(fēng)順槽底鼓段巷幫煤柱施工邁步式玻璃鋼錨桿后，有效控制了兩幫煤柱受中部收斂、破碎等現(xiàn)象，兩幫移進(jìn)量控制在0.12 m 以下，提高了兩幫煤柱支撐強(qiáng)度及承載能力，有效削弱了應(yīng)力傳遞對(duì)底板破壞作用。

（2）3108 回風(fēng)順槽底鼓區(qū)采取“起底澆筑+注漿錨索+安裝張拉鋼梁”聯(lián)合控制技術(shù)，人工加固了回風(fēng)順槽底板，提高了底板抗應(yīng)力強(qiáng)度，采取聯(lián)合控制技術(shù)，底板鼓起現(xiàn)象得到了有效的控制。巷道在回采超前應(yīng)力區(qū)25～35 m 段底鼓量最大，達(dá)0.16 m，其他區(qū)域底鼓量控制在0.10 m 以下，后期回采期間未出現(xiàn)底板斷裂、兩幫煤柱插底現(xiàn)象。