辛置煤矿10-428B回风巷底鼓控制技术研究

赵 雷

(霍州煤电集团公司 辛置煤矿，山西 霍州 031412)

软岩巷道受采动影响易引发冒顶片帮、底板鼓起等事故，轻则对工作面的材料运输、人员通行造成障碍，增加巷道返修成本；重则引发安全生产事故，制约矿井安全、高效开采。对此，大量学者进行了研究：杨本生等[1]通过理论分析、数值模拟方法分析后认为，巷道在无支护状态下首先发生剪切破坏，而后由于矿井水理作用，使围岩发生进一步破碎，并提出基于“双壳”理论的巷道底鼓治理方法；王振[2]、毕宣可等[3]结合深部软岩巷道的变形失稳机理，提出了注浆锚杆、锚索联合支护方式，通过现场应用，取得了良好的底鼓控制效果；王晓卿等[4-5]通过调研现场实际情况，运用数值模拟方法确定了底鼓类型，同时模拟修正支护方案，最终有效控制了底鼓。由于各矿地质条件复杂，上述研究成果虽然在一定程度上解决了研究对象的底鼓控制问题，但不适用所有煤矿。本文通过理论分析、现场实测的方法，对辛置煤矿10-428B回采巷道底鼓问题进行研究。

1 工程背景

辛置煤矿10-428工作面主要开采10号煤层，煤层平均厚度2.6 m，煤层较软弱，其直接顶为9号煤层与泥岩互层，平均厚度3 m，老顶为K2灰岩，平均厚度8 m，直接底为泥岩、砂质泥岩互层，厚0.8 m，老底为砂质泥岩，厚7 m。10-428B回风巷平均埋深400 m，巷道位于10-426工作面采空区与10-428工作面之间，其相对位置关系如图1所示。

10-428B回风巷断面为矩形，净宽5.0 m，净高3.1 m，断面15.5 m2，采用锚网索联合支护方式。顶板采用D20 mm×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，树脂锚固剂锚固，间排距900 mm×900 mm，每排6根；锚索采用D22 mm×7 300 mm的钢绞线，树脂加长锚固，“三花”式布置，间排距1 500 mm×1 800 mm；网片搭接采用8号铁丝编织菱形金属网，网片规格1 000 mm×5 000 mm。两帮采用D20 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，树脂锚固剂锚固，间排距900 mm×900 mm，每排3根，巷道支护断面如图2所示。

图1 工作面采掘工程平面

图2 巷道支护示意(mm)

2 底板破碎区观测

10-428B回风巷在工作面回采过程中底鼓现象严重，围岩整体变形量较大。为了解底板岩层的底鼓破碎范围，采用CHK7.2(B)矿用钻孔成像仪进行钻孔窥视，钻孔窥视位置选定在10-428B底鼓现象较为剧烈的地方，钻孔窥视结果如图3所示。

图3 钻孔窥视结果

由图3可知，当孔深为0.137 m时，岩层相对完好，说明此时底板岩层尚未发生破坏；当钻孔继续延伸至0.548 m时，岩层发生较大程度的破坏，支护已失效，岩体破碎现象严重。

3 巷道底鼓影响因素分析

1) 底板岩性。10-428B回风巷底板为泥岩及砂质泥岩互层，由矿井地质资料可知，巷道泥岩含高岭石、伊利石等软弱膨胀性岩体，遇水易膨胀而导致岩体自身强度降低。

2) 采动影响。10-428B回风巷两帮煤体强度远低于底板煤岩体强度，由于10-426工作面及10-428工作面开采影响，10-428B回风巷两帮先发生破坏，两帮煤体因无法支撑上覆岩层重力而导致应力向底板转移，从而使底板进一步破碎。同时，10-428B回风巷位于临近工作面采空区与当前工作面实体煤之间，巷道受10-428工作面回采期间的侧向支承压力及邻近工作面采空区残余支承压力影响，巷道变形破坏更为严重。

3) 支护效果。从10-428B回风巷当前采取的支护措施能够看出，对巷道底鼓的支护基本处于开放支护状态，仅靠帮部的两根倾斜锚杆提供锚固力，未能保证巷道底板的稳定。

4 底鼓治理方案确定

4.1 水压致裂软化顶板煤岩体

结合10-428B回风巷钻孔窥视及底鼓影响因素分析，本文提出通过水压致裂的方法来软化巷道顶板，使巷道顶板应力能够得到一定程度的释放，避免顶板应力向巷道底板转移而引发底板应力。水压致裂施工参数及炮孔布置参数如表1、2所示，钻孔布置如图4所示。

表1 水压致裂施工参数

表2 水压致裂炮孔布置参数

图4 水压致裂钻孔布置示意

4.2 优化支护方案

将原有顶板锚杆间排距由900 mm×900 mm缩短至800 mm×800 mm，同时增加锚杆1根，锚杆选择D20 mm×2 400 mm左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，树脂锚固剂锚固；锚索间排距由1 500 mm×1 800 mm改为1 400 mm×1 600 mm，锚索呈“三花”式布置，锚索规格选为D17.8 mm×6 000 mm，树脂加长锚固，每根锚索采用2支K2335和1支Z2360树脂药卷。帮锚杆间距不变，排距缩短为800 mm，并增加锚索1根(如图5所示)，锚索倾斜15°向下施工。

针对巷道底鼓现象，对巷道底板施加反底拱措施，设置拱矢高为400 mm、厚度为300 mm的反底拱，混凝土强度选用C30，同时在巷道底板补打锚杆7根，间排距800 mm×800 mm，最终在巷道支护完毕后对巷道进行整体喷浆，喷浆厚度80 mm，混凝土强度选用C20。支护优化方案示意如图5所示。

5 现场应用及效果

按照上述底鼓治理方案施工，在10-428B回风巷选取长为100 m的巷道进行围岩变形监测，在巷道中间布置间距为50 m的两个测站，第一个测站距试验段起始点25 m，监测时间为30 d，监测结果如图6所示。

图6 现场监测结果

由图6(a)可知，顶板下沉量在前14 d变化较大，从第14 d开始趋于平稳，巷道最大顶板下沉量最终维持在26 mm；两帮移近量在前14 d变化范围较大，第15 d开始趋于平稳，最大两帮移近量为18 mm；底鼓量在前16 d变化较大，第16 d开始，底鼓量趋于平稳，最大底鼓量为14 mm。

由图6(b)可知，顶板下沉量在前15 d变化较大，从第15 d开始趋于平稳，巷道最大顶板下沉量最终维持在26 mm；两帮移近量在前15 d变化范围较大，第16 d开始趋于平稳，最大两帮移近量为17 mm；底鼓量在前18 d变化较大，第18 d开始，底鼓量趋于平稳，最大底鼓量为14 mm。

综上所述，10-428B回风巷在采取底鼓治理措施后，巷道变形量整体大幅减小，最大底鼓量控制在14 mm左右，巷道底鼓得到了有效治理。