山寨煤矿高应力巷道底板动态控制方法

路广安

（华亭煤业集团有限责任公司山寨煤矿，甘肃 平凉 744112）

山寨煤矿深部围岩处于高地应力、高瓦斯、高地温等环境中，并伴有冲击地压等动力灾害[1-3]。冲击地压动力灾害的发生导致巷道变形和人员伤亡，深部煤岩体因开采活动及水的影响，煤岩体力学参数会发生变化。巷道围岩的内部破坏严重，巷道底板稳定性较差。以山寨煤矿3506 巷道开挖诱发底板冲击为工程背景，采用理论分析，研究巷道底鼓特征及能量变化规律，利用钻孔窥视记录仪研究巷道围岩内部破坏特征，确定围岩松动圈大小，提出了大直径钻孔底板卸压与多级联合支护方法。

1 工程背景

山寨煤矿3506 工作面埋深572～628 m，所采煤层为5 煤，属褐煤，煤层结构简单，含夹矸0～3 层，夹矸厚0～0.57 m，煤层均厚21.0 m，煤层平均倾角25°左右。煤的单轴抗压强度2.68～19.28 MPa，平均为10.77 MPa，抗拉强度0.26～1.53 MPa。经冲击倾向性鉴定，煤层冲击倾向性为弱冲击，顶板冲击倾向性为弱冲击。煤层为Ⅱ类自燃煤层，自然发火期21 d。工作面伪顶为砂质泥岩，厚度0.5 m，层状结构，易脱落，部分石英砂岩较硬；直接顶为泥岩，厚度约20 m；老顶以硬岩为主，弱含水层，属富水异常区。巷道底板岩性以泥岩、碳质泥岩为主，直接底为泥岩，厚度约4 m，如图。巷道掘进过程中，巷道帮部变形和底鼓严重。

图1 3506 工作面示意图

2 巷道底鼓临界应力分析

巷道开挖后，应力通过巷道两帮向底板转移，水平应力高于初始应力[4-7]。底板积累大量弹性应变能，容易诱发底板冲击地压。经过数值模拟和现场测试表明，巷道肩角应力在12 MPa，底板应力在20 MPa，巷道两帮和顶板峰值应力在19 MPa，巷道底板、两帮和底板应力集中较大。巷道开挖后，应力重新分布，底板应力通过两帮向底板传递，底板发生底鼓。若巷道顶板瞬间传递较大应力，巷道底板会发生冲击地压现象。底板变形应力分析如图2 所示，巷道开挖后底板变形破坏主要由水平应力引起，底板极易发生冲击地压。巷道底板宽度记为L，以单位长度进行应力分析。

图2 底板变形应力分析

在巷道开挖过程中，爆破、顶板移动、邻近工作面开采等采动扰动对巷道围岩变形破坏规律的影响与静载围岩有一定区别。通过对巷道底板软弱岩层厚度、极限应力和能量演化分析，得出巷道底板冲击地压的主要原因是底板高水平应力和底板临界面附近较厚软弱岩层积累的高能量造成。为防治冲击地压发生，对底板进行卸压，减小巷道底板的应力，增加顶板和帮部的支护强度，提出大直径卸压和多级联合支护，在底板处进行大直径钻孔减压。

3 钻孔窥视

根据巷道施工情况，在3506 工作面运输巷道距离巷道迎头100 m、150 m、200 m 距离处设置3个探测段，标记为a、b、c 段，每个探测段布置4个探测孔，分别为顶板钻孔、巷道两帮钻孔、底板钻孔。钻孔直径为32 mm，钻孔长度为7 m，对巷道周围松动圈大小进行探测。

巷道开挖速度为10 m/d。利用钻孔窥视记录仪探测巷道围岩破坏情况，分析巷道围岩的裂隙分布。采用样条曲线将相邻钻孔之间的裂缝区域连接起来，将裂缝区域之间的区域视为完整区域，钻孔窥视结果如图3。巷道围岩的破裂区域沿钻孔轴线方向从其宽度开始逐渐缩小。巷道a 段、b 段、c 段可分别划分为2 个、2 个、3 个裂隙区。巷道围岩破坏在1～2 m 范围内最为严重，破坏以破碎和压裂为主，该范围破坏区域称为松散区。第2 个断裂圈为3～4.5 m，主要为裂缝和裂隙；第3 个裂缝圈为5.5～6 m，主要为松散裂隙区。a 段和b 段的巷道围岩只有少量裂缝。通过对巷道围岩裂缝对比，巷道底板的裂缝分布比巷道顶板和两帮的裂缝分布更严重。

图3 钻孔窥视结果

对于巷道底板破坏的原因，从巷道岩性来看，巷道顶板厚砂层、底板砂质泥岩承载力较低；从巷道支护措施来看，采用锚杆、锚索、锚网等支护方式对巷道顶板和帮部进行支护。根据巷道围岩应力状态，在开挖巷道过程中使巷道围岩由三维应力状态转变为二维应力状态，底板没有支护导致底板抵抗变形和破坏的能力较低。

4 现场应用

通过对巷道围岩稳定性和破坏特征的分析，采用原有支护参数可保持巷道顶板和帮部的完整性和稳定性的设计方法。巷道支护设计主要针对巷道底板，提出了“锚杆索-注浆-回填”的巷道底板动态控制方法。根据山寨煤矿具体生产条件，确定3506 回风巷断面宽度5.4 m，净高3.6 m，具体支护方案如图4 所示。

图4 3506 回风巷断面支护示意图（mm）

采用长短锚索+锚杆梯次支护，整体排距800 mm。沿巷道走向按“7-2-7-3”布置锚杆、长短锚索。一排7 根高强锚杆（Φ22 mm×2800 mm）配套一节5400 mm 长7 孔M4 钢带联合支护，一排2 根短锚索（Φ21.6 mm×5300 mm）配套一节3000 mm长2 孔锚索梁联合支护。锚索梁规格为20 号槽钢，孔距2400 mm，两端各300 mm，以巷道中心为对称轴对称布置。一排3 根长锚索（Φ21.6 mm×7300 mm）配套大托盘（400 mm×400 mm×20 mm）支护，间距1500 mm，左右两根锚索向外倾斜15°，以巷道中心对称布置。

巷道底板主要支护参数为开挖巷道底板下方600 mm 以内的岩体。采用左旋高强注浆锚杆支护巷道底板，锚杆规格为Φ25 mm× 2400 mm，间距为1000 mm，注浆压力为2.3～3.4 MPa。对巷道底板进行浇筑，以保持底板的平整度和完整性。注浆材料选用PO42.5 铝硅酸盐水泥单体浆体，水灰比为1:2.5。采用强度等级为C40 的混凝土回填巷道底板，底板浇筑示意图如图5 所示。另外，根据巷道实际掘进情况，在巷道工作面后50～70 m 处进行巷道底板加固，可有效缓解巷道底板应力效应；对裂隙岩体进行注浆胶结，可提高巷道底板的整体承载力。施工巷道底板卸压钻孔，钻孔间距为400 mm，钻孔直径为200 mm，钻孔深度为10 m。

图5 底板浇筑示意图

5 效果分析

开挖后巷道围岩变形进入活跃期，顶板下沉、巷道帮部变形和底鼓较为明显。随着巷道开挖，巷道底板应力有所改善。巷道底板注浆支护后，底板变形速率由1.4 mm/d 逐渐变为0.43 mm/d。巷道底板变形由快速变形阶段过渡到缓慢变形阶段，最终趋于稳定。底板岩性对巷道顶板和帮部的变形有较好的控制作用，保证了巷道围岩的稳定和安全。通过底板支护切断水平应力传递，巷道采用大直径卸压措施后，巷道底板变形较小，冲击地压显现较少。

如图6 所示，随着巷道掘进时间的变化，巷道表面位移逐渐增加。巷道掘进90 d 后，巷道顶板下沉量为60 mm 左右，底鼓量为90 mm 左右，两帮移进量为140 mm，巷道卸压和支护效果较好。

图6 巷道表面位移曲线图

6 结论

1）防治底板冲击地压的有效手段是采取卸压措施释放底板应力，采用支护手段切断应力传递路径，防治底板大变形，从而降低底板冲击地压风险。

2）综合分析掘进巷道底板冲击地压机理的基础上，提出大直径钻孔和多级联合支护卸压的方法。