平煤集团各矿井巷道底鼓防治技术.pdf

★ 煤炭科技 开拓与开采～一兖州煤业股份有限公司协办★ 平煤集团各矿井巷道底鼓防治技术 赵晓举 1 ．河南理工大学，河南省焦作市，4 5 4 0 0 3 ； 2 ．平项山煤业 集 团有限责任公 司，河南省平项山市，4 6 7 0 0 0 摘要 随着矿 井开采深度的不断增加，巷道底鼓问题 日趋严重，巷道底鼓已成为巷道 支护中最难解决的问题之一。论文结合平煤集团各矿的生产实际，通过分析巷道底鼓原因和 形式，提 出了巷道底鼓防治措施 ，现场应用表明，采用综合防治底板底鼓措施能够有效预防 和 治理矿 井巷 道底 鼓 。 关键 词 深部 开采巷道 底鼓矿 井 支护 中图分类 号TD 3 2 7 ． 3 文 献标 识码C Pi ng di ng s h a n Co a l Gr o u pp r e v e nt i v e a n d c o nt r o l t e c hn o l o g y a g a i n s t r o a d wa y f l o o r he a v e i n i t s c o a l m i n e s Z h a o X i a o i u 1 、He n a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，J i a o z u o ，He n a n p r o v i n c e ，4 5 4 0 0 3 2 ．P i n g d i n g s h a n Co a l Gr o u p C o Lt d ． ，P i n g d i n g s h a n，He n a n p r o v i n c e ，4 6 7 0 0 0 Ab s t r a c t W i t h t he i nc r e a s e of mi n i n g d e p t h，f l o or h e a ve be c ome s mo r e a nd mo r e s e r i ous whi c h pr e s e n t s o ne of t he h a r d e s t t o ha nd l e p r obl e ms i n r o a dway ma i nt e n a nc e ． On t he ba s i s o f t he ac t u a l c o a l pr o du c t i on pr a c t i c e s p l u s a ～ n al y s i s of t h e r e a s on s a nd p hi n o me na o f r o a dway f l oor he a v e s i n t he c o a l mi ne s a f f i l i a t e d t o Pi ng di n gs h a n Co a l Gr o up。t he on s i‘t e a ppl i c a t i on o f t he p r ev e n t i v e a n d c on t r o l me a s ur e s a ga i ns t r o a dwa y f l o or h e a v e pr op os e d by t hi s pa p e r i nd i c a t e s t ha t t h e e mpl oy me n t of t he s e c o mpr e h e ns i v e me a s u r es a g a i n s t r oa d wa y f l oo r he a v e c an e f f e c t i v e l y pr e v e nt a n d c o nt r ol t he s ai d l o ng s t a ndi ng pr o bl e m、 Ke y wo r d s de e p mi n i n g，r oa dwa y f l o or he a v e，mi n e s up po r t 1 平煤 集 团软岩巷 道底 鼓现 状 平煤集团大部分矿井地质条件复杂 ，特别是己 组煤层采深 已超 过 8 0 0 m，赋存 区域煤 质松软 破 碎 ，煤层普氏系数 ≤1 ，顶底板岩层普氏系数 一 4 ～6 ，巷道在开挖后 2 ～3个月就开始变形失稳 ， 显现出底鼓量大 、两帮收敛 、顶板下沉 ，很快就造 成巷道 破坏。一矿 、三环公 司、四矿 、五矿 、十 矿、十一矿等矿井部分巷道在回采之前要卧底 3次 以上 ，过频 的卧底不但 严重影 响了矿井 的正 常生 产 ，增加了成本 ，而且造成两帮移近量增大，导致 巷道失稳破坏 。如四矿 己。西总 回风下 山沿己 煤 层掘进，沿顶破底 ，己 煤 层平均厚度 1 ． 6 m，煤 质 中硬 ，直 接顶 为砂 质泥 岩 ，厚 8 ． 0 m，直接 底 为 48 砂质泥 岩 ，厚 7 ． 5 m，以下 为 己 ， 煤 层 ，厚度 3 ． 6 ～4 ． 2 m，巷道采用锚杆支护，底鼓持续变形， 不到一年返 修 2次。五矿 己。 带 式输送机下 山沿 己 煤顶板 掘进 ，煤 层厚度 5 ． 6 m 以上 ，距顶 板 1 ． 6 m处含 有 1 m 左 右 的夹 矸 ，设 计 巷 道 宽 4 m， 高 3 ． 5 m。巷道采用锚杆支护 ，8个月内，经过 2 次扩帮卧底 ，巷高最低处仍为 1 ． 7 m，最高处不超 过 2 ． 5 m。十一矿 己l 6 1 7 2 2 0 4 0风 巷 ，埋深 6 3 5 ～ 6 8 0 m，煤层厚度 6 ． 0 3 m左右 ，沿煤层底板掘进， 倾角 2 5 ～3 5 。 ，直接顶为砂 质泥岩 ，厚度 2 ～2 ． 5 m，其 中夹有 1 ～2层 0 ． 0 5 ～0 ． 1 m 厚的煤线 ，老 顶为细中粒砂质泥岩与砂岩互层 ，层理发育 ，厚度 2 ～5 m，直接底为 1 ～2 m厚的块状泥岩 ，遇水松 软、膨胀 。在掘进初期 ，采用锚 网索联合支护 ，约 中国煤炭第 3 4卷第 7期 2 0 0 8年 7月 维普资讯 2个月，底鼓量达 4 0 0 mm 以上 ，前边 掘进 ，后边 卧 底维 修 。 2 巷道 底鼓 的原 因 2 ． 1 采深对 巷道 底板 的影响 研究 表 明 ，深部 开采 的巷 道 变形量 随 开采 深度 增加 呈 近 似 直 线 关 系 增 大。开 采 深 度 为 6 0 0～ 8 0 0 m的条件下 ，产生底鼓 的巷道为 2 5 左右 ；开 采深度在 9 0 0 m 的条 件下 ，底鼓 巷道 约 占 4 0 ； 开采深度不小于 1 0 0 0 m 的条件下 ，底鼓巷道约 占 8 0 。平煤集团大部分矿井采深以超过 8 0 0 m，最 深 的达 1 3 0 0 m。 2 ． 2底板 岩 性 底板岩层 的结 构状态 如 破碎结 构、薄层 结 构、厚层结构等 、软弱程度及软 弱岩层 的厚度直 接决定着巷道底板发生底鼓的大小及底鼓形态。当 底板位于坚硬的砂岩或灰岩 中时，一般处于稳定状 态 ，通常不会 发生 底鼓 ；而当底板位 于软弱 的泥 岩 、页岩或断层破碎带中时 ，由于岩体强度低 、吸 水率高、裂隙发 育，其 自身 稳定性 和承载能力 较 差 ，在 地应 力作 用下 极易 产生 底 鼓 ，造成 底板 失 稳 破 坏 。 2 ． 3岩 层 应力 与岩 体 强度 煤矿巷道 的开挖破坏了原有 的应力平衡状态 ， 引起 了围岩应力重新分布 ，巷道围岩所受应力状态 则是影响底板鼓起 的决定性因素。并且 ，岩体强度 随着矿井开采深度 的加大逐渐降低 ，当岩层应力达 到一定条件时，底板岩层 由于不能承受过大的应力 作用而破坏底鼓。一般而言，巷道越深 ，岩层应力 越大 ，巷道底板岩体呈现软弱 、强度低 、承载力不 足等特征越明显 ，底鼓越严重 。巷道围岩所承受 的 垂直应力和水平地质构造应力都可能引起底鼓 ，通 常水平地质构造应力引起 的底鼓大于垂直应力所 引 起 的底鼓。平煤集团大部分矿井都是在深部开采才 遇到底鼓问题的。 2 ． 4水理 作 用 随着采深的增加 ，岩石压力增大 ，当压应力大 于水分子的吸着力时，水就会被压力从接触的矿物 颗粒之间挤出 ，使得 围岩中含水增多 ，同时岩石遇 水后普遍有软化现象 ，其强度降低。 2 ． 5 巷道 断面形状 与 支护 强度 矿井巷道开挖时为有效利用空间，巷道断面通 常采用梯形或直墙拱形等形状 ，由于底板不能形成 平煤集 团各矿井巷道底鼓防治技术 稳定的拱形结构使得底鼓量加大 。巷道底板又常常 处于敞开不支护状态，这是巷道底鼓量大于顶板下 沉量的主要 因素，尤其是遇水崩解或膨胀 的粘土岩 和泥质岩层 。底板及时支护和封闭是控制底鼓的根 本措施 。 2 ． 6 地温 增 高 矿井地温增高是矿井随开采深度增加时出现的 突出问题之一 。有些矿井地 温达 3 0 ～ 5 0 ℃，高温 环境会促使岩石从脆性向塑性转化 ，使 围岩产生塑 性变形。巷道内水气增多，使 围岩软化。在深部高 应力 、高温条件下，若只加强顶 、帮的支护，就易 于产生底鼓。平煤集团大部分都属于高温矿井 ，矿 井 地 温严 重 的达 4 0 ℃。 3 巷 道 底鼓 的形 式 1 挤压流动性底鼓 。巷道 由于掘进和采动引 起 的作用在顶板和两帮的高应力压力 向底板传递 ， 底板岩体 由于受到传递来的高应力压力作用而发生 弯 曲、皱折 、离层等流变 ，底板岩体沿着滑移面被 挤入巷道内，随着底板岩体被挤入巷道内的位移量 增 大 ，巷道 底 鼓越来 越 严重 。挤压 流动性 底鼓 通 常 发生在直接底板 为软弱 岩层 如粘 土岩、煤 等 ， 两帮和顶板 比较完整的情况下 。三环公司己 煤巷 位于己 煤层及其底板泥岩层 中，由于底板泥岩层 受到顶板和两帮的传递压力 ，发生破碎、弯曲，向 上拱起凸出 ，频 繁 的卧底致 使两 帮煤体 移近量增 大 ，煤 、岩帮变形不协调 ，严重影 响了正常生产。 五矿 己。 带式输送机下山沿 己 煤顶板掘进，己 煤 层厚度在 5 ． 6 m 以上 ，由于底板为煤层且未支护 ， 受到顶板高应力压力 的挤压 ，煤体破坏变形 ，持续 鼓起 ，巷道返修周期不超过 3个月。 2 遇水膨胀性底鼓。底板岩层 由于含有大量 的膨胀性粘土矿物 如蒙脱石、高岭石 、伊利石等 ， 这些粘土矿物 由于吸水而发生岩体膨胀性增大，鼓 入巷道内而发生遇水膨胀性底鼓。四矿戊。 专用回风 巷位于戊。 采区中央 ，沿戊 煤层掘进 ，巷道掘进时 沿顶破底 ，戊 煤层平均厚 2 ． 3 m，煤质中硬 ，直接 顶为灰色砂质泥岩，厚 6 ． 8 m，直接底为黑色泥岩， 厚 1 ． 7 m，以下为戊。 煤层，厚 3 ． 6 m。泥岩遇水 具有 强膨胀性 ，巷道底 鼓严 重 ，维护 十分 困难 。 3 挠曲褶皱性底鼓。当底板岩层为层状岩体 时 ，在平行于层理方 向的应力作用下 ，底板岩体向 巷道内产生挠曲褶皱而失稳 突起。底板岩层的分层 49 维普资讯 越 薄 ，巷道宽度越 大 ，所 需 的挤 压 力 越小 ，越 易 发 生饶曲性底鼓。十一矿丁 轨道下山下车场顶板为砂 质泥岩，底板为层状砂质泥岩、砂岩 ，节理发育。 原设计巷道断面为拱形，宽 4 ． 4 m，高3 ． 7 m，工程 完工后半年 内，拉底 2次 ，巷道 断面 收缩率仍 达 3 O ～4 O ，还不能保证巷道有效断面满足使用。 4 巷 道底鼓 的 防治措 施 4 ． 1 加 固 支 护 巷道底鼓通常是由于底板岩层强度低 ，不能承 载巷道围岩应力而产生的，所 以，可以通过底板锚 杆、底板注浆、混凝土反拱 、全封闭金属支架等加 固支护措施治理巷道底鼓。 1 底板锚 固和注浆结合加 固。在底板进行锚 杆加 固，不但可以增加岩层抗挠曲褶皱能力和岩层 之 间的抗剪 切 能力 ，而且可 以提 高岩体 的承载能 力 和减小 底板 的 破碎 程 度 。在 底 板 岩层 注 入 浆 液 后 ， 浆液 渗入 岩层破 碎面 ，浆 液凝 固后可 以将 已破碎 岩 层重新 粘结 起来 ，不 仅可 以改善 岩层结 构 ，提高 岩 体内聚力和摩擦力，而且可以提高岩层强度和稳定 性。底板锚杆与注浆加固相结合，可以通过注浆加 固巷道围岩，形成连续的注浆加固圈。锚杆通过与 围岩相互作用使锚杆对松散岩层 的锚 固作用得以发 挥 ，保证支护结构的稳定性和强度 。 五矿 、十 一矿 、 四矿 、八 矿服 务期 限较长 的大 巷均采用底板锚固和注浆结合防治底板底鼓 ，施工 工艺为 巷道卧底一初次浆底一安装注浆锚杆一注 浆一施工螺纹钢树脂锚杆一二次浆底 ；回采工作面 巷道施工工艺为 巷道卧底一安装注浆锚杆一注浆 一施工螺纹钢树脂锚杆 。锚杆施工钻孔长度比锚杆 长度 长 2 0 0 ～ 3 0 0 mm，以利 于 锚 杆 的 钻 进 。锚 杆 布置方式为在底板沿巷道断面方 向布置 4 ～6根锚 杆 ，在巷道两边角处 ，锚杆 以 4 5 。 打入 ，在巷道 中 间垂直打入 ，眼深 2 ． 0 ～2 ． 2 m，托板没入底板下 2 0 0 mm 处 ，以不影 响行人 和运 料 为准 。试 验 巷 道 达 2 0 0 0 m以上 ，经半年 以上的监测表明 ，采用 上 述锚、注支护方案后 ，断面收缩率平均为 7 ，巷 道 围岩变形得 到 了有效 控制 。 2 混凝土反拱和注浆结合加固。混凝土反拱 是一种适用于永久性巷道底板支护加固措施 。这种 支护措施具有较高且均匀一致作用于巷道底板上的 支护阻力 ，可缩性金属底梁使反拱获得 了更大的抗 5 0 底鼓的残余变形阻力 。 十一矿丁 轨道下 山下车场 、十矿中区戊组运 输下 山由于服务年限长 ，底板破碎 ，底鼓量大，部 分地段采用混凝土反拱和注浆锚杆联合 防治底鼓。 支护时 ，首先在巷道底板上挖出矩形坑槽 ，然后支 设辅助可缩性钢拱支架 ，再 向坑槽 内浇注混凝土 ， 其上填充矸石 。在反底拱 的基础上用注浆锚杆进行 注 浆 ，试 验 巷道达 5 0 0 m 以上 ，有 效 防止 了底鼓 。 4 ． 2卸 压 法 将巷道边缘处的高应力转移至 内部具有支撑能 力的未破坏的岩层 中，以降低底板围岩或整个巷道 围岩中的应力，保持巷道底板的稳定性 ，从而起到 防治底鼓的作用。 1 切缝 卸 压法 。在巷 道底板 或两 帮挖掘 一定 深度卸压切缝 ，使巷道底板和两帮边缘处的集 中切 向应力 向岩层深部转移，降低底板 围岩的应力集中 强度 ，以减小巷道底鼓量 。在三环公 司己 煤巷试 验 中 ，在距 下 帮 3 0 0 mm 处 切 开 一 条 宽 1 0 0 mm、 深 5 0 0 mm 的缝 ，使 底板 的应力 向深 部转 移 ，降低 底板膨胀产生的水平挤压力 ，从而达到控制底鼓 目 的。试验巷道 8 5 0 m，平 均底鼓变 形量 由以前 的 4 0 0 mm降低为 1 0 0 mm，大大减少了巷道的返修 工作量，保证了工作面顺利回采 。 2 松动爆破卸压法。在巷道底板的某一深度 上用爆破法将岩石紧密联结的性能加以破坏 ，使之 与增压带的岩石脱离，这样来 自巷道岩体的侧压力 将 由深 部 较 硬 的岩 石 来 承 担。十 一 矿 己 一 2 2 0 4 0风巷 在掘 进初 期 ，断 面收 缩 率 达 4 O 以 上 。 通过沿煤层方 向在巷道两帮的中部布置卸压钻孔 ， 钻孔直 径 0 9 0 mm，钻 孔 间距 1 ． 5 m，钻 孔深 度 8 m，钻孔工作滞后掘进工作面 1 O ～1 5 m进行 ，钻 孔 内装药爆破 ，使煤体松动 ，集中应力区向煤体深 部转移。试验巷道 4 5 0 m，底鼓量明显小于松动爆 破卸压前的底鼓量 ，采 面回采之 前没有进行卧底 返 修 。 作者 简介 赵 晓 举 1 9 7 7 一 ，男 ，河 南郏 县 人 ，学 士 ，工程师 ，在读河南理 工大学 工程硕 士研 究生 ，现任平 顶山煤业 集团有限责任公司技术中心安全技术研究室 主任 ，主要从事煤矿开采及煤矿安全等研究开发工作。 责任编辑路强 张大鹏 中国煤炭第 3 4卷第 7期 2 0 0 8年 7月 维普资讯