三軟煤層老空區(qū)煤柱巷道底鼓影響因素分析及支護(hù)形式研究

三軟煤層老空區(qū)煤柱巷道底鼓影響因素分析及支護(hù)形式研究

1老空區(qū)煤柱出煤柱的特點(diǎn)新煤礦位于徐徐州以東約22公里的賈王區(qū)大武，屬于天能集團(tuán)。3304個(gè)街區(qū)是元旗山礦開(kāi)采區(qū)的三個(gè)街區(qū)（兩側(cè)為60年代）之間的煤炭支柱。該工作面平均長(zhǎng)937m，傾斜長(zhǎng)18.92m。這是不規(guī)則的斜坡。煤層頂部和底部的巖石為深灰色和胡同巖石。工作面進(jìn)、回風(fēng)巷均緊貼老空區(qū)在煤柱中跟頂掘進(jìn),為沿空掘進(jìn)巷道,形狀為梯形,頂寬1.9m,底寬3.2m,高2.0m,掘進(jìn)斷面5.1m2,如圖1.炮掘工藝,循環(huán)進(jìn)尺1.4m,每班兩循環(huán),日進(jìn)尺8.4m.11#礦用工字鋼梯形棚支護(hù),棚距700mm.2煤體側(cè)支架壓力根據(jù)關(guān)鍵層理論及采煤工作面上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律可知,關(guān)鍵頂板在煤柱內(nèi)斷裂形成側(cè)向砌體梁結(jié)構(gòu),即所謂的“大結(jié)構(gòu)”.大結(jié)構(gòu)下部的煤巖體處于應(yīng)力降低區(qū),沿空巷道即布置在此應(yīng)力降低區(qū)內(nèi).在該大結(jié)構(gòu)的兩側(cè),形成集中應(yīng)力,如圖2.由于受原旗山礦掘進(jìn)和開(kāi)采活動(dòng)的影響,該煤柱邊緣已進(jìn)入塑性狀態(tài),穩(wěn)定性變差,承載能力降低.在本次采掘活動(dòng)的影響下,煤體側(cè)的集中應(yīng)力向深部遷移,并和掘進(jìn)引起的應(yīng)力疊加使應(yīng)力集中程度進(jìn)一步加大,由于頂?shù)装宓能泿r特性,使得在掘進(jìn)過(guò)程中,巷道變形較大,底鼓強(qiáng)烈,為保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行不得不在掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行反復(fù)清底.為此,對(duì)支架的受力及巷道移動(dòng)變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè).監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:工字鋼頂梁、煤體側(cè)棚腿及采空側(cè)棚腿的最大壓力分別為10.4t,6.6t,5.6t;掘后15d為圍巖的活動(dòng)期(測(cè)點(diǎn)距工作面約100m),此期間頂梁、兩幫棚腿的壓力變化比較劇烈;之后約15d為衰減期(測(cè)點(diǎn)距工作面約160m),此階段壓力逐步降低;之后進(jìn)入穩(wěn)定期,頂梁、兩幫棚腿的壓力逐步趨于穩(wěn)定.頂梁壓力在4.5～5.5t之間,煤體側(cè)棚腿壓力在5t左右,采空側(cè)棚腿壓力在3.5t左右.巷道從掘進(jìn)到受工作面超前移動(dòng)支承壓力影響開(kāi)始至頂?shù)装逡平繛榇蠹s1389.04mm(前45d為急變期,之后為緩變期),底鼓量為1025.91mm,頂板下沉量為363.39mm.考慮工作面超前壓力對(duì)頂?shù)装逡平挠绊?估計(jì)頂?shù)装宓囊平吭?689mm左右,底鼓量要比1025.91mm大一些.3表1中低價(jià)趨勢(shì)特征及影響因素分析3.1煤體側(cè)底板破壞模式通過(guò)對(duì)井下巷道底鼓的實(shí)際觀測(cè)及分析認(rèn)為,3304工作面順槽巷道的底鼓屬于撓曲性底鼓.其破壞機(jī)理為:兩側(cè)的集中應(yīng)力通過(guò)兩幫傳遞給底板巖層,由于一側(cè)為煤體,另一側(cè)為原開(kāi)采所跨落的頂板巖石重新固結(jié)而成,煤體一側(cè)的應(yīng)力集中較大,而采空一側(cè)較小.這樣底板巖層的撓曲變形及破壞就可能有兩種形式:一種是采空一側(cè)底板巖層由于承受的壓力較小,巖層不斷裂,煤體側(cè)底板巖層在集中應(yīng)力的作用下斷裂,底板巖層在煤體側(cè)水平應(yīng)力的作用下發(fā)生變形破壞,底板折曲斷裂的位置偏向采空側(cè):另一種形式是底板巖層在集中應(yīng)力的作用下兩側(cè)全斷裂,底板巖層在兩側(cè)水平應(yīng)力的作用下發(fā)生折曲破壞,斷裂位置在巷道的中部.3.2影響因素分析3.2.1巷道底板結(jié)構(gòu)沿空掘巷的底板多為泥巖和砂質(zhì)泥巖,主要產(chǎn)生兩種類(lèi)型的底鼓:當(dāng)?shù)装宄蓪訔l件較好,裂隙較少,破裂面沿層面較為發(fā)育時(shí),形成撓曲性底鼓;當(dāng)?shù)装鍘r體呈碎裂結(jié)構(gòu),垂直節(jié)理發(fā)育,則形成擠壓流動(dòng)性底鼓.新莊煤礦3304工作面3#煤層的單向抗壓強(qiáng)度為13.67MPa;進(jìn)風(fēng)巷底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖,其單向抗壓強(qiáng)度分別為18.9MPa和25.47MPa,巖性較軟.在兩側(cè)集中應(yīng)力的作用下,沿層面離層鼓起,鼓起變形到一定程度則發(fā)生折曲而斷裂.在對(duì)3304工作面順槽底鼓巷道的清底中也?？梢钥吹降装鍘r層折曲后的斷裂面.斷裂面位于巷道中部或中部偏向采空一側(cè)(約30cm處),斷面的高度在25cm左右,斷裂面兩側(cè)的巖層完整性尚好,見(jiàn)圖3.靠巷道壁的底板有時(shí)其完整性較好,不易清理,常在側(cè)幫留下清理巖面,見(jiàn)圖4.底板巖層單向抗壓強(qiáng)度的大小直接影響底鼓量的大小:底板巖層的抗壓強(qiáng)度越大,巷道底鼓量越小;底板巖層的抗壓強(qiáng)度越小,巷道的底鼓量越大.3.2.2圍巖應(yīng)力集中程度三軟煤層老區(qū)煤柱復(fù)采沿空掘巷是一類(lèi)比較特殊的回采巷道,特殊之處在于:臨近工作面開(kāi)采過(guò)程中,老區(qū)煤柱要經(jīng)歷掘進(jìn)、開(kāi)采、頂板垮落三次擾動(dòng)影響,最后在巷道兩側(cè)形成側(cè)向固定支承壓力一般來(lái)說(shuō)煤柱一側(cè)的應(yīng)力集中程度較大.在本次掘進(jìn)及開(kāi)采活動(dòng)的影響下,沿空巷道兩側(cè)形成的集中應(yīng)力與原先的應(yīng)力疊加在兩側(cè)形成較高的支承壓力.而兩側(cè)的煤巖體由于經(jīng)歷多次擾動(dòng)影響,其穩(wěn)定性、承載能力大大降低,所有這些對(duì)于巷道的底鼓防治是極為不利的.另一特殊還在于:兩側(cè)應(yīng)力集中程度不一樣而導(dǎo)致兩幫底鼓的不對(duì)稱(chēng)性.煤體側(cè)在高支承壓力的作用下,使得底板破碎,受到破壞后的實(shí)體煤幫底板巖層向巷道及采空側(cè)大量位移.而采空一側(cè)由于應(yīng)力較低,無(wú)法對(duì)底板巖層的位移和鼓起產(chǎn)生較大阻止力,這也是采空側(cè)底板巖層的底鼓比實(shí)體煤幫偏大,沿空巷道的底鼓較一般巷道(兩幫皆為實(shí)體煤)底鼓大的原因.3.2.3工作面順槽巷道內(nèi)排水效果分析水的作用主要是通過(guò)水理作用表現(xiàn)出來(lái)的.當(dāng)水沿底板裂隙侵入后,底板巖層的泥性巖體在水的侵潤(rùn)作用下,輕則使巖體強(qiáng)度降低,嚴(yán)重時(shí)使巖體軟化、破碎,完整性受到破壞,抵抗變形的能力大大降低.此外,水還減少了巖層間的粘結(jié)力,從而形成小的滑移面,降低了巖體的抗變形能力,易于產(chǎn)生底鼓.3304工作面順槽巷道水源主要為其上部1#煤層老空區(qū)局部的積水,其對(duì)該巷道底鼓的影響不大.3.2.4煤層所處地面標(biāo)高、底鼓出的速度巷道所在煤層地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,發(fā)育有落差不超過(guò)1m的小斷層,對(duì)底鼓的影響不大.煤層所處標(biāo)高在-343.4～-361.1;地面標(biāo)高為+31～+32.5;煤層埋深370～390m.按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮,對(duì)巷道底鼓影響不具有特殊性.3.2.5防止巷道幫鼓而阻止底鼓現(xiàn)有的支護(hù)形式為礦用工字鋼梯形棚式支護(hù),棚子與巷道之間用木條作背板背實(shí),棚距700mm,為剛性被動(dòng)支護(hù).該支護(hù)形式不能調(diào)動(dòng)巖體自有的承載能力,在上覆巖層壓力的作用下,圍巖的整體性受到破壞,巖體的力學(xué)性能惡化,頂板巖層得不到及時(shí)有效的支撐和保護(hù)而發(fā)生離層.離層進(jìn)一步加大會(huì)影響到“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定,從而使支架受力增大,巷道變形增加,底鼓量變大.棚式支護(hù)對(duì)幫部煤巖體僅提供一個(gè)被動(dòng)的阻力,該阻力只是阻礙幫部的位移.由于幫部煤巖體本身的單向抗壓強(qiáng)度較低,故在側(cè)向應(yīng)力的作用下,幫部的巖體及煤體卻不斷被擠碎而垮落在巷道內(nèi)測(cè),其實(shí)質(zhì)也相當(dāng)于向兩幫位移,所以從防止巷道幫鼓而阻止底鼓來(lái)講,該棚式支護(hù)的作用是有限的.3.2.6防止圍巖工傷力巷道掘進(jìn)為炮掘工藝,放炮的震動(dòng)作用有可能使圍巖裂隙擴(kuò)大,所以施工中,可加大炮眼的個(gè)數(shù),減少每個(gè)炮眼的裝藥量,減輕震動(dòng),防止過(guò)大的震動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng).4橡膠基防護(hù)測(cè)試4.1角形塑料網(wǎng)擬定在原梯形棚式支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)底板進(jìn)行錨網(wǎng)+鋼筋梁支護(hù),支護(hù)形式見(jiàn)圖5.錨桿選用長(zhǎng)度為2200mm,直徑為22mm的左旋螺紋鋼錨桿,鋼筋梁為直徑為14mm的鋼筋礦自行焊接,寬度60mm,長(zhǎng)度為3.5m,網(wǎng)為菱形塑料網(wǎng),寬度為1.1m,搭接長(zhǎng)度為100mm,逐扣聯(lián)接;每根錨桿需直徑為23mm、長(zhǎng)度為35mm的樹(shù)脂藥卷快速和中速各一支,每支錨固力>105KN,底板的初錨力不低于60KN.施工中,先在底板向下做一反拱,中部深度控制在500mm,兩幫控制在200mm,底板錨桿5根,煤體側(cè)的底角錨桿外斜45°,錨桿布置在兩棚腿之間,間距為700mm,梯子梁壓在錨網(wǎng)上,通過(guò)錨桿的托盤(pán)使其緊貼底板巖面.底板錨網(wǎng)試驗(yàn)段設(shè)在3304工作面進(jìn)風(fēng)巷,三橫貫以里20m處,支護(hù)試驗(yàn)段長(zhǎng)20m共28棚.數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為掘后126d到228d共102d的數(shù)據(jù),之前巷道底鼓量為698.7mm已被清理.4.2頂?shù)装逦灰魄闆r底板反底拱錨網(wǎng)支護(hù)試驗(yàn)對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.數(shù)據(jù)結(jié)果表明:底板錨網(wǎng)支護(hù)使頂?shù)装逡苿?dòng)總量減少了48.7%,錨網(wǎng)段的底鼓量?jī)H為42mm,而非錨網(wǎng)段的底鼓量為167mm,錨網(wǎng)段的底鼓占頂?shù)滓平康?6.2%,非錨網(wǎng)段的底鼓量占到頂?shù)装逡平康?3.9%,說(shuō)明底板錨網(wǎng)對(duì)底鼓的控制效果是明顯的,但頂板的下沉量由非錨時(shí)的26.8%增到63.8%,兩幫的移近量降低了27.2%.依此試驗(yàn),預(yù)計(jì)底板錨網(wǎng)梁+梯形棚式支護(hù)條件下巷道頂?shù)装逡平繛?12mm,底鼓量為258mm,頂板下沉量為454mm.考慮工作面超前移動(dòng)支承壓力對(duì)頂?shù)装逡平挠绊?頂?shù)装宓囊平吭?00mm左右,故單純的底板錨網(wǎng)支護(hù)不能保證巷道的正常使用.5底鼓的變形控制1)新莊煤礦三軟煤層老區(qū)復(fù)采沿空巷道底板錨網(wǎng)支護(hù)對(duì)底鼓控制有效,但頂板的下沉量在巷道頂?shù)装逡平恐兴急壤兴龃?這是圍巖能量通過(guò)頂板釋放的結(jié)果.試驗(yàn)提示:頂板、兩幫及底板巖體是一個(gè)相互聯(lián)系的有機(jī)體,底鼓變形是三者相互作用的結(jié)果.2)對(duì)底鼓的變形控制堅(jiān)持“強(qiáng)頂、固幫、阻底”的整體治理原則.“強(qiáng)幫”即提高幫部的承載能力;