孤岛工作面沿空巷道底鼓控制技术

时吉贺　李　鹏

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司)



孤岛工作面沿空巷道底鼓控制技术

时吉贺李鹏

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司)

摘要某矿21101孤岛工作面沿空软岩巷道围岩应力大、矿压显现强烈、巷道底鼓较严重。对此，结合巷道底鼓特征，分析了巷道围岩岩性、留设煤柱宽度、支承压力、帮顶支护等对巷道底鼓的影响机理，分析了该类巷道发生强烈底鼓的原因，在此基础上，首先加帮固顶，然后采用底反拱控底技术，形成帮底互控结构控制巷道强烈底鼓，实践表明，该底鼓控制技术成效显著，可供类似矿山参考。

关键词孤岛工作面沿空软岩巷道底鼓

某矿21101孤岛工作面回采巷道由于受临近采空区的影响，巷道矿压显现剧烈，尤其是沿空软岩巷道，当巷道帮顶采用较强支护时，矿山压力向底板释放，导致底板岩层破坏严重，围岩变形剧烈，形成强烈的底鼓，严重影响了巷道的正常使用。为此，本研究对该类巷道的底鼓控制技术进行探讨。

1巷道地质条件及底鼓特征

某矿21101工作面采用炮采工艺开采(图1)，该工作面两侧均为采空区，回采巷道均采用沿空掘巷，采空区边缘留设2～4m小煤柱，巷道标高-160～-181m，矿区地表标高约200m，巷道平均埋深约370m。主采煤层为二1煤，煤层厚0.5～16m，平均厚5.5m，煤层倾角8°～14°，煤层结构简单。煤层伪顶不发育，直接顶为细粒砂岩，平均厚3.80m，整体性和强度较高；直接底为泥岩，平均厚5.92m；老底为石炭系太原群地层，结构稳定。21101工作面轨道巷沿煤层底板掘进，采用36U型钢棚支护，支架下净宽5 634mm，净高3 150mm，支架搭接处采用3副普通夹板卡缆，并采用椽子背帮接顶，采用柔性编织网进行护表。采用该支护参数后，巷道掘进期间存在的变形特征为：①巷道底鼓及支架钻底严重，巷道底鼓量普遍较大；②巷道强烈底鼓同时顶板下沉，部分拱顶被压平，两帮强烈内移。

图1　21101工作面采掘工程平面

时吉贺(1989—)，男，助理工程师，硕士，710075 陕西省西安市高新区光泰路7号。

2沿空软岩巷道底鼓机理

2.1围岩岩性

巷道围岩是由顶板、两帮和底板组成的复合结构体，巷道围岩性质和结构状态对巷道底鼓影响较大，底板岩层的结构状态和强度直接决定了巷道底鼓的类型及底鼓量大小，此外，巷道帮顶围岩物理状态及力学性质对巷道底鼓也有一定的影响。相关数值模拟结果表明，相同条件下，底板为泥岩时比底板为砂岩时底鼓量高出约30%；帮顶为煤或软弱岩层时巷道底鼓量为帮顶为较硬岩层时底鼓量的1.1倍。孤岛工作面轨道巷直接底为厚5.92m的泥岩，帮顶为软弱的二1煤，岩体强度较低，具有流变特性，因此，在巷道掘进期间，巷道围岩流变性质明显，在高应力及巷道底板未采取任何措施的条件下，软弱流变岩体向软弱的底板挤压，易导致巷道产生强烈底鼓。

2.2煤柱留设宽度

煤柱留设宽度影响了煤柱内应力、围岩塑性区的分布，从而影响了巷道底鼓量大小。由不同宽度的留设煤柱对巷道底鼓量的影响规律曲线[1]可知：巷道底鼓量随留设煤柱宽度呈现出平缓上升→急剧上升→急剧下降→平缓下降→基本保持不变的趋势。因此，21101工作面留设6m窄煤柱较合理，对巷道底鼓影响较小。不同煤柱宽度巷道底鼓量见图2。

图2　不同煤柱宽度巷道底鼓量

2.3支承压力的影响

在煤层支承压力的作用下，工作面底板岩体形成滑移场及和塑性区(图3)，此时底板主要由主动极限区，过渡区和被动极限区构成[2-3]。

图3　底板破坏深度

在支承压力的作用下，煤体边缘极限塑性破坏区的最大深度h1、底板岩体最大破坏深度与工作面端部的水平距离l1和采空区内底板岩体沿水平方向的最大破坏长度l2的计算公式分别为[3]

由于受支承压力的影响，煤柱边缘塑性区宽度增加、岩体强度降低、岩石内摩擦角减小，由上述公式可知，随着巷道底板破坏深度和宽度的增加，易导致巷道底鼓的发生。

2.4帮顶支护强度

在高应力的作用下，巷道围岩产生破裂并产生剪胀变形，破碎岩体向自由空间移动，当巷道帮顶采用支护时，软弱的底板成为突破口，导致巷道强烈底鼓。相同条件下，分别仅采用U型棚支护、顶板加强支护(在U型钢棚两肩窝处打锚索)、帮顶加强支护(帮顶处打结构补偿锚索)形式的巷道底鼓量变化曲线见图4。由图4可知：对巷道顶部进行加强支护时的底鼓量略小于仅采用U型钢棚支护，但下降幅度小于帮部加强支护底鼓量与顶部加强支护底鼓量的差值。因此，巷道帮顶支护强度对底鼓量有一定的影响，尤其是帮部的支护强度对底鼓的影响较大。

图4　帮顶不同支护下的底鼓量曲线

3沿空巷道底鼓控制技术

按底鼓治理机理可将巷道底鼓控制技术划分为卸压法、支护加固法2类[3]。对于该矿21101孤岛工作面沿空流变围岩巷道，卸压法易使巷道围岩更加破碎、松动圈增大，为此，本研究采用底反拱控底技术。为分析巷道底反拱控底技术对巷道底板不同深度围岩的控制效果及控制机理，分别在该矿巷道底板表面和深度为1，2，3，4，5，6m位置布置了6条监测线。在帮顶加强支护的基础上，底板在无支护、采用底板反拱控底技术等2种情形下的底鼓量监测结果分别见图5、图6。由图5、图6可知：底反拱控底技术控制底鼓效果明显，底鼓量下降了56%，可在一定程度上提高巷道周边围岩的整体稳定性，是一种控制巷道围岩变形的有效方法。

4支护方案及效果

为确定巷道帮顶部围岩的可锚性，经现场锚索锚固力试验，采用高预紧力锚索在U型钢棚薄弱部位及巷道矿压集中位置进行结构补偿，实现对巷道帮顶的加固。首先对巷道帮顶进行加固，采用底反拱控底技术；使得支护形成帮底互控结构对巷道底鼓进行控制。U型钢棚棚距为600mm，支架搭接长度为500mm，搭接位置采用2副双槽夹板限位卡缆和1副普通双槽夹板卡缆，结构补偿锚索排距为1 200mm，锚索型号为φ17.8mm×8 000mm，锚索材质为最小抗拉强度不小于1 860MPa的钢绞线，每根锚索孔采用1支K2335和2支Z2350树脂药卷，采用金属网固帮护顶，金属网采用600mm×5 800mm10#铁丝菱形金属网，待架棚一段距离后，首先按支护断面卧底，卧底量500mm，然后安装底板反拱支架。21101工作面回采期间，巷道表面位移变形曲线见图7。由图7可知：采用帮底互控技术后，巷道顶底板和两帮移近量在工作面回采期间基本控制在300mm以下，巷道维护状况良好。

图5　底板无支护巷道底鼓量监测曲线

图6　采用底反拱巷道底鼓量监测曲线

图7　巷道表面位移变化曲线

5结语

以某矿21101孤岛工作面沿空软岩巷道为例，在详细分析该巷道底鼓特征的基础上，分析了巷道底鼓机理，并对该巷道底鼓控制技术进行了深入研究，取得了较好的实践效果，对于类似矿山巷道底鼓控制有一定的参考价值。

参考文献

[1]柏建彪，李文峰，王襄禹，等.采动巷道底鼓机理与控制技术[J].采矿与安全工程学报，2011(1):1-5.

[2] 郑百生，谢文兵，窦林名，等.近距离孤岛工作面动压影响巷道围岩控制[J].中国矿业大学学报，2006(4)：483-487.

[3]王卫军，侯朝炯，马涛.动压巷道底鼓[M].北京：煤炭工业出版社，2002.

(收稿日期2016-04-20)