深部开采软岩巷道底臌机理及其控制.pdf

江西煤炭科技 J I ANGXI COAL S CI ENCE 8 L TECHNOLOGY 2 0 1 5年第 2期 No．2 2 01 5 深部开采软岩巷道底臌机理及其控制 张 迷 魁 阳泉煤业有 限责任公 司 五矿 ， 山西 阳泉 0 4 5 0 0 0 摘要 随着矿井 逐渐 转向深部开采 ， 软岩巷道底臌控制 已成为制约 部分矿 井安全 开采的关键 。以 2 2 0 4工作 面为研 究对 象 ， 采用现场 实测 方法确定 了该工作 面软 岩回采巷道围岩变形特 点 ， 并 结合现 场实际分 析了引起该 巷道底臌 的主要 因素。 提出散水治理 、 注浆锚杆底板加 固和底板 浇筑 混凝 土等方式对该巷道进行底臌 控制 ， 结果表 明该方 法可有效 对底 臌进 行控 制 ， 具有较好 的实践和推广意义 。 关键词 深部 开采 ； 软岩巷 道 ； 底臌 ； 控制 中圈分类号 T D 3 5 3 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 6 2 5 7 2 2 O 1 5 O 2 0 1 0 5 一O 3 Fl o o r He a v e M e c h a ni s m a n d Co n t r o l o f S o f t Ro c k Ro a d wa y i n De e p M i n i n g Zh a n g M i k u i No ．5 Co l l i e r y ，Ya n gq u a n Co a l I n d u s t r y Co ．，Lt d ．，Ya n g q u a n，S ha n x i 0 4 5 0 0 0 Ab s t r a c t W i t h t h e g r a d u a l s h i f t d e e p mi n i ng，f l o o r he a v e c o n t r o l l i n g o f s o f t r o c k r o a d wa y h a s b e c o me a k e y pa r t o f r e s t r i c t i n g s a f e t y mi n i n g i n s o me mi n e s ．Ta k i n g 2 2 0 4 wo r k i n g f a c e a s r e s e a r c h s u j e c t ，t h e p a p e r d e t e r mi n e d s ur r o u n d i n g r o c k d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s o f t r o c k r o a d wa y b y s i t e me a s u r i n g，a n a l y z e d t h e ma i n f a c t o r c a u s e d b y r o a d wa y f l o o r he a v e c o mb i n e d wi t h s i t e p r a c t i c e，a nd pu t f o r wa r d f l o o r h e a v e c o nt r o l l i n g me t h o d s o f a p r o n t r e a t me n t ，g r o u t i n g b o l t f l o o r r e i nf o r c e me nt a n d p o u r i n g c o n c r e t e o n f l o o r ，e t c ． ．Re s u l t s s h o we d t h a t t h e me t h o d wa s e f f e c t i v e f o r c o n t r o l l i n g f l o o r he a v e a n d h a d g o o d pr a c t i c e a n d p r o mo t i n g s i gn i f i c a n c e ． Ke y wo r d s d e e p mi n i ng；s o f t r o c k r o a d wa y；f l o o r h e a v e ；c o n t r o l 随着煤矿开采深度 的不断增加 ， 深 部开 采软岩 巷道支 护成为影响煤 矿建 设 与生产 的重要 因素 。深部 软 岩巷道 支护实践可知 ， 深部 软岩巷 道存在 地压大 、 巷道易 破坏 、 支 护难度大 、 底臌 明显 等特 点 ， 尤 其是 软岩 巷 道底臌 往 往成 为制约巷道行人 、 运料 和通 风的主要 问题。 。随着 开采深 度的不断增 加 ， 山西也 开 始面 临着 这个 问题 。近年 来 ， 部 分 国内外专家 、 学者 一直 致力于深部 软岩巷 道底臌 机理 和 控制研究 ， 并根 据其 研究 成果 总 结 出了相 关理 论 ， 这 些研 究成果为指导深部 软岩巷道支护提 供 了一 定 的理论 基础 。 但是 ， 各个矿井 地质 条件 差别 较 大 ， 巷道 围岩变 形影 响 因 素彼此不 同 ， 这样采 用相同的巷道 支护理论 和方法 往往难 以奏效 。2 2 0 4工作 面 目前 开采 深度 为 8 4 0 ～8 6 0 m， 工作 面 围岩 软弱 易变形 ， 在 回采过程 中需 要不 断地拉底 确保通 风断 面 ， 严重 的阻滞 了工作面正 常推进 。现 以该矿 工作 面 为研 究对象 ， 对深 部开 采软 岩巷 道底臌 机理 进行 研究 ， 并 据此 提出相应的底臌控制方案 以指导该工作面开采 。 1 工作 面概 况 2 2 0 4工作面所采煤层为二叠系 山西组 己 1 6 、 己 1 7煤 。 该煤 层距离 石 炭 系太 原 组 顶部 灰 岩 9 ～ 1 8 m， 煤 层 厚 度 2 ． 9 5 ～3 ． 8 5 m， 煤 层倾 角 5 。 ～1 3 。 。该 工作 面 范 围煤层 埋 深为 8 4 0 8 6 0 m， 工 作 面整 体属 于稳 定 可采厚 煤 层工 作 面。2 2 0 4工作面沿底板掘进 ， 直接 顶为 厚 2 ～2 ． 5 m 的泥 岩～砂质泥岩 ， 基本 顶为 6 ． 2 ～8 ． 4 m 的砂质 泥 岩 一煤 线 一 中 、 细粒砂岩 ， 直接底为 1 ． 2 ～2 ． 5 m 的块状炭质 泥岩 一 泥岩 ， 基本底为 4 ． 6 ～6 ． 5 m 的厚 层状 砂质 泥岩 一细粒 砂 岩。该 工作 面设 计可采走 向长度为 1 3 5 0 m， 可采倾斜长度 为 1 4 5 m， 采用综合机 械化开 采 ， 采场 支架 型号为 Z Y4 0 0 0 1 7 ／ 3 7型掩护式支 架 。工作 面通 风方式 为一进 两 回， 即 】 0 5 由运输巷进风 ， 回风巷 和 瓦排巷 回风 ， 巷道 断面设 计 尺寸 宽 高 为 4 2 0 0 mm3 9 0 0 mm， 支 护方式采用 “ 锚 网索” 联 合支护 。由于该工作 面围岩 软弱 ， 尤其是底 板炭质 泥岩 一 泥岩强度低 、 遇水 易膨胀 ， 在 采掘 期间变 形显著 ， 2个月 的时间底 臌量可达 4 5 0 mm 以上 ， 给工作面 的通风 、 运料和 行 人带来 了极 大的 问题 ， 不 得不采 用“ 前掘 进 、 后 卧底 ” 的 方式进行 巷道掘进和“ 边 回采 、 边 卧底” 的方式进行 回采 。 2 巷道 围岩 变形规律 为了掌握 2 2 0 4工作 面 回采 巷 道变 形规 律 ， 以该 工作 面 回风巷为研究 对象进 行现 场实 测研究 。在工 作面 煤壁 前方 1 1 0 m 和 1 1 1 m位置布置两个测点 ， 即 1 1 、 1 2 测点 见图 1 。采用“ 十字交叉 ” 法 对两测 点变形 量进行 观测 ， 观测频率为 2次／ 天。 图 1 2 2 0 4工作面巷道布置及测点布置示意 根据 观测 结 果 进 行 绘 图， 由 图 2和 图 3可 知 ， 随着 2 2 0 4工作 面的不断推 进 ， 该工 作 面 回风巷 围岩 变形 量 逐 渐增 大 ， 观测期 间顶 底板累计 变形量 为 5 7 0 ～5 9 0 mm， 两 帮 累计 变形量为 6 1 0 ～6 1 5 mm， 底臌量 为 4 9 0 ～5 1 0 mm， 其 中在距离煤壁 6 O ～4 0 m 范 围时 ， 围岩变形 开始显 著 增 大 ， 底 板变 形速 率 可达 4 1 mm ／ d ， 两 帮 变 形速 率 可 达 6 5 mm／ d ； 在距 离 煤壁 l 5 ～0 m 范 围时 ， 回风 巷 围岩变 形 进 一 步加剧 ， 底 臌量 和 两 帮移 近量 呈 线性 变 形 。由上 述 分 析 可知 ， 控制 2 2 0 4工作面 回风巷变 形 的关键 在 于控制 底 板 变形 ， 如若 能够 将底臌量控 制在 一定 范 围内 ， 不 仅可 以 大 幅度的降低 卧底 的劳 动量 和 劳 动强 度 ， 同时 对提 高 巷 道 稳定性 ， 降低 两帮变形 ， 提高工 作面 回采速 度也 有着 积 极 意 义 。 1 O6 圈 2 l l 测点表面位移观测数据 7 0 o 6 0 o 5 0 0 4 o o 3 0 o 0 O 现底板移近量 顶板下沉量 两帮移近量 l O 2 O 3O 40 5 O 6 O 7 O 8 O 9 O l 0 0 距工作面煤骧距离／ - 图 3 1 2 测点表面位移观测数据 3 巷道底 臌影 响 因素 由 2 2 0 4工作 面 回风巷变 形规 律 可知 ， 该工 作 面底板 变形较 明显 。分析认 为该工作 面底 臌影 响 因素主 要为 人 的因素和环境 的 因素两个 方面 。人 的 因素是 指巷 道支 护 方式 、 回采工 艺 的选 择 、 工 作面 的布 置等 。环 境 的因素 主 要指顶底板 围岩岩性 、 地应力 、 地下水等 。 1 开采实践和理论研究表 明， 井 巷底板 岩层结构 和特 点往往决定着巷道底板变形 的程度 和类型 ， 往往是底 板围 岩强度 越 低 ， 软 岩 厚 度 越 大 ， 底 板 变 形 程 度 也 越 严 重 。 2 2 0 4工作 面直接底 为 1 ． 2 ～2 ． 5 m 的块状 炭 质泥 岩 一泥 岩 ， 基本底 为 4 ． 6 ～6 ． 5 m的厚层状 砂质泥岩 一细粒砂岩 ， 底板岩层整体 属于弱岩 ， 强度 较低 ， 且工作 面埋深较 大 ， 煤 层上方应力经煤柱 和煤体传递 给底 板 ， 使巷 道 围岩 在底板 中部隆起 ， 形成底臌 。 2 一般认 为 ， 工 作面 埋深越 大 ， 巷 道 围岩所 受应 力也 越大 ， 巷道 围岩变形也 越明显 。2 2 0 4工作 面埋深 为 8 4 0 ～ 8 6 0 m， 平 均 为 8 4 5 m， 属 于 深 部 开 采 ， 自重应 力 超 过 1 5 MP a ， 集 中应力 局部 可达 2 8 MP a 。工作 面 受到 巨 大的应 力作用 ， 应力通过煤柱和煤 体转化为水平 应力作 用于巷道 底板围岩 。工作 面 的底板 岩层 难 以抗拒 水平 应力 会产生 剪切破坏和塑性变形 ， 最终形成底 臌 。 3 巷道支护 方式 、 回采工 艺 的选择 、 工作 面 的布置 是 否科学合理 ， 也是影响巷道底臌程度的重要 因素 。2 2 0 4工 作面巷道采用“ 锚 网索” 联合支护 ， 但 只是对顶板 和两 帮进 行维护 ， 底板处 于无支 护状 态 ， 这 对控制 巷道 围岩 变形 尤 其是底板变形极为不利 。该工作 面采用综合 机械化 开采 ， 采高较大 ， 采动扰 动较 剧烈 ， 采动 影响 范 围和超前 支 承应 力较大 ， 这些均有利于底臌的形成 。 4 水理作用是影响巷道底臌程度的重要因素 。对 2 2 0 4 工作面 回风巷底板 岩层进行分 析 ， 得 出炭 质泥岩 ～泥岩 中 粘土矿物质含量可达 6 5 ～7 2 ， 其 中蒙脱石、 伊利石 和高 岭土可达 4 ％～2 8 、 1 5 ～3 2 和 2 2 ～3 1 ％。这类粘土 类矿物遇水 易发 生水理 作用 ， 即遇水 易膨胀 泥化 。己 1 6 、 _ _ ／ 鞭鲺 f | ； Ⅲ／ 一蕴 f 1 7 2 2 0 4 1 工作面 回风巷地表 散水较 多 ， 主要来 自钻场 渗水 、 顶板淋水 、 喷 雾洒 水等 ， 这些 散水 的存 在促 进 了底 臌 的形 成 。尤其是底板 在应力 作用 下开裂 后 ， 散水进 一步深 入到 底板岩层深部 ， 进一步降低 了底 板岩层 的强度 。 5 在 2 2 0 4工作 面 回风巷掘进期间 ， 共揭露 大小断层 9 个 ， 这些 断层 的存在不 同程度 的破 坏 了巷 道 围岩的强 度和 整体性 ， 进 一步加 剧 了 回风巷底 板 岩层 的破 碎程 度 ， 这 也 会一 定程度的促进底板变形加剧 。 3 巷道底 臌控 制方案 3 ． 1 底臌控制措施 目前 ， 工作面 回采巷道底臌 治理 的方法 主要是底 板加 固 、 卸 压和卧底 。其 中底板加 固和卧底 属于 被动式底 臌控 制措 施 ， 卸压属于主动式控 制措施 。底 板加 固常用 的方法 为打设底锚杆 、 封 闭性 支架 、 底板 注浆 等 。底 板卸 压包 括 挖卸 压槽 、 打释放孔等 。选择底 臌治理 方法应 根据巷 道实 际情况进行确定 。一般情况 下 ， 被动 式控制 方法往 往适应 于巷道 围岩条件较好 ， 巷道 自稳性 较高 的底板控 制 。主 动 式支护是指通过 改变 应力 状态 促使 底板 所 受应 力降 低进 而确保底板稳 定 的方 法 ， 适 应 范 围较广 。考 虑到 2 2 0 4工 作 面属于深部 开采 ， 且 巷 道 围岩 软弱 ， 底 板 围岩 遇水 易膨 胀 ， 原支护结构难 以保 证 巷道 的稳 定性 ， 故认 为应 采 取复 合式 控制方式治理底臌 。具 体方案如下 1 加强 2 2 0 4工 作 面 回风 巷 散水 治理 。将 回风 巷散 水引至挖好 的水 槽 内 ， 并 利用 风 泵外排 ， 确 保散 水不 会对 巷道底板进行侵蚀 。 2 考虑到 2 2 0 4工作面 回风巷底 板 围岩软弱 、 节理裂 隙发育 ， 且 尚未进 行任 何 支护 ， 故应 从提 高 底板 围岩 强度 和完 整性来控制底臌 。经研究 ， 决定 采用 中空注浆 锚杆进 行 底板 围岩加 固。注 浆锚 杆规 格 为 2 2 2 2 0 0 mm， 间排 距 顶板和帮锚杆相 同 ， 即 8 0 0 mm8 0 0 m m， 其 中边锚 杆距 巷帮 5 0 0 mm 见 图 4 。 3 采用 2 0 0 混凝 土对底 板进行浇筑 ， 浇 筑厚度 以覆 盖 注浆锚杆外露端为 准。 3 ． 2巷道底臌控制效 果分 析 为了掌握 2 2 0 4工作 面回风巷底臌 治理效果 ， 在煤壁前 方 1 0 0 m范 围内布置两 组测点 ， 采 用“ 十字 交叉” 法 对测 点 变化情况进行 观测 。观测 结果表 明 ， 该工作 面 回风巷 两帮 变形量为 4 3 0 4 5 0 IT I IT I ， 为未支护前的 6 9 ． 8 左 右 ； 底 臌量 为 1 2 0 1 3 5 m l n ， 仅为未支护前 的 2 3 ． 5 左右 。通过散水 图 4底臌控制巷道支护 示意 治理 ， 打设 注浆锚杆和底板混凝土浇筑 ， 有效地控制 了 2 2 0 4 工作面 回风巷底板变形程度 ， 提高了巷道 的稳定性 。 4 结 语 对于深 部开采 ， 软岩巷道底臌治 理是保 证工作 面正常 回采 的关键 。2 2 0 4工 作面 在高地 应力 、 水 理作用 、 围岩软 弱、 开采扰 动等多重因素的影响下 ， 回风巷底臌可达 4 9 0 ～ 5 1 0 mm， 严重制约 了该工作面的高效开采 。通过采用散水 治理 ， 打设 注浆锚杆 和底 板混 凝 土浇筑 ， 有效 地避 免 了巷 道底板 围岩受到水理作用影响 ， 提 高了巷道底 板 围岩 强度 和整体性 ， 大幅度 降低 了巷 道底 臌量 ， 对 于此类巷 道 底臌 治理具有一定 的推广意义 。 参考文献 [ 1 ] 刘成 明， 陈旱生． 复 杂巷道底 臌治理技术的应用实践[ J ] ． 煤炭 技术 ， 2 0 0 9 ， 2 8 1 2 1 6 1 1 6 2 ． 2 3 王卫军 ， 侯 朝炯． 回采巷道底 臌力学原理及控制新进展 Z J 3 ． 湘 潭矿业学 院学报 ， 2 0 0 3 ， 1 8 1 1 6 ． [ 3 ] 桑普天 ， 唐百晓． 级 软围岩条件下巷道底臌治理加 固技术研究 J 3 ． 混凝 土与水泥制品 ， 2 0 1 l ， 5 6 2 6 4 ． 作者 简介 张迷魁 1 9 6 8 一 ， 男 ， 内蒙古 乌盟察右前旗人 ， 1 9 9 3 年 毕业 于山西矿业学 院采矿工 程专业 ， 采煤 工程 师， 现 在 阳煤 集 团 公司五矿担任衔接副总工程 师。 收稿 日期 2 0 1 5 一O 3 2 O 编辑 郭正义 1 07