三軟煤層老空區煤柱巷道底鼓影響因素分析及支護形式研究

1老空區煤柱出煤柱的特點新煤礦位于徐徐州以東約22公里的賈王區大武，屬于天能集團。3304個街區是元旗山礦開采區的三個街區（兩側為60年代）之間的煤炭支柱。該工作面平均長937m，傾斜長18.92m。這是不規則的斜坡。煤層頂部和底部的巖石為深灰色和胡同巖石。工作面進、回風巷均緊貼老空區在煤柱中跟頂掘進,為沿空掘進巷道,形狀為梯形,頂寬1.9m,底寬3.2m,高2.0m,掘進斷面5.1m2,如圖1.炮掘工藝,循環進尺1.4m,每班兩循環,日進尺8.4m.11#礦用工字鋼梯形棚支護,棚距700mm.2煤體側支架壓力根據關鍵層理論及采煤工作面上覆巖層的活動規律可知,關鍵頂板在煤柱內斷裂形成側向砌體梁結構,即所謂的“大結構”.大結構下部的煤巖體處于應力降低區,沿空巷道即布置在此應力降低區內.在該大結構的兩側,形成集中應力,如圖2.由于受原旗山礦掘進和開采活動的影響,該煤柱邊緣已進入塑性狀態,穩定性變差,承載能力降低.在本次采掘活動的影響下,煤體側的集中應力向深部遷移,并和掘進引起的應力疊加使應力集中程度進一步加大,由于頂底板的軟巖特性,使得在掘進過程中,巷道變形較大,底鼓強烈,為保證生產的正常進行不得不在掘進過程中進行反復清底.為此,對支架的受力及巷道移動變形情況進行了監測.監測結果表明:工字鋼頂梁、煤體側棚腿及采空側棚腿的最大壓力分別為10.4t,6.6t,5.6t;掘后15d為圍巖的活動期(測點距工作面約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(測點距工作面約160m),此階段壓力逐步降低;之后進入穩定期,頂梁、兩幫棚腿的壓力逐步趨于穩定.頂梁壓力在4.5～5.5t之間,煤體側棚腿壓力在5t左右,采空側棚腿壓力在3.5t左右.巷道從掘進到受工作面超前移動支承壓力影響開始至頂底板移近量為大約1389.04mm(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頂底板移近的影響,估計頂底板的移近量在1689mm左右,底鼓量要比1025.91mm大一些.3表1中低價趨勢特征及影響因素分析3.1煤體側底板破壞模式通過對井下巷道底鼓的實際觀測及分析認為,3304工作面順槽巷道的底鼓屬于撓曲性底鼓.其破壞機理為:兩側的集中應力通過兩幫傳遞給底板巖層,由于一側為煤體,另一側為原開采所跨落的頂板巖石重新固結而成,煤體一側的應力集中較大,而采空一側較小.這樣底板巖層的撓曲變形及破壞就可能有兩種形式:一種是采空一側底板巖層由于承受的壓力較小,巖層不斷裂,煤體側底板巖層在集中應力的作用下斷裂,底板巖層在煤體側水平應力的作用下發生變形破壞,底板折曲斷裂的位置偏向采空側:另一種形式是底板巖層在集中應力的作用下兩側全斷裂,底板巖層在兩側水平應力的作用下發生折曲破壞,斷裂位置在巷道的中部.3.2影響因素分析3.2.1巷道底板結構沿空掘巷的底板多為泥巖和砂質泥巖,主要產生兩種類型的底鼓:當底板成層條件較好,裂隙較少,破裂面沿層面較為發育時,形成撓曲性底鼓;當底板巖體呈碎裂結構,垂直節理發育,則形成擠壓流動性底鼓.新莊煤礦3304工作面3#煤層的單向抗壓強度為13.67MPa;進風巷底板為泥巖和砂質泥巖,其單向抗壓強度分別為18.9MPa和25.47MPa,巖性較軟.在兩側集中應力的作用下,沿層面離層鼓起,鼓起變形到一定程度則發生折曲而斷裂.在對3304工作面順槽底鼓巷道的清底中也常可以看到底板巖層折曲后的斷裂面.斷裂面位于巷道中部或中部偏向采空一側(約30cm處),斷面的高度在25cm左右,斷裂面兩側的巖層完整性尚好,見圖3.靠巷道壁的底板有時其完整性較好,不易清理,常在側幫留下清理巖面,見圖4.底板巖層單向抗壓強度的大小直接影響底鼓量的大小:底板巖層的抗壓強度越大,巷道底鼓量越小;底板巖層的抗壓強度越小,巷道的底鼓量越大.3.2.2圍巖應力集中程度三軟煤層老區煤柱復采沿空掘巷是一類比較特殊的回采巷道,特殊之處在于:臨近工作面開采過程中,老區煤柱要經歷掘進、開采、頂板垮落三次擾動影響,最后在巷道兩側形成側向固定支承壓力一般來說煤柱一側的應力集中程度較大.在本次掘進及開采活動的影響下,沿空巷道兩側形成的集中應力與原先的應力疊加在兩側形成較高的支承壓力.而兩側的煤巖體由于經歷多次擾動影響,其穩定性、承載能力大大降低,所有這些對于巷道的底鼓防治是極為不利的.另一特殊還在于:兩側應力集中程度不一樣而導致兩幫底鼓的不對稱性.煤體側在高支承壓力的作用下,使得底板破碎,受到破壞后的實體煤幫底板巖層向巷道及采空側大量位移.而采空一側由于應力較低,無法對底板巖層的位移和鼓起產生較大阻止力,這也是采空側底板巖層的底鼓比實體煤幫偏大,沿空巷道的底鼓較一般巷道(兩幫皆為實體煤)底鼓大的原因.3.2.3工作面順槽巷道內排水效果分析水的作用主要是通過水理作用表現出來的.當水沿底板裂隙侵入后,底板巖層的泥性巖體在水的侵潤作用下,輕則使巖體強度降低,嚴重時使巖體軟化、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力,從而形成小的滑移面,降低了巖體的抗變形能力,易于產生底鼓.3304工作面順槽巷道水源主要為其上部1#煤層老空區局部的積水,其對該巷道底鼓的影響不大.3.2.4煤層所處地面標高、底鼓出的速度巷道所在煤層地質構造簡單,發育有落差不超過1m的小斷層,對底鼓的影響不大.煤層所處標高在-343.4～-361.1;地面標高為+31～+32.5;煤層埋深370～390m.按自重應力場考慮,對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有的支護形式為礦用工字鋼梯形棚式支護,棚子與巷道之間用木條作背板背實,棚距700mm,為剛性被動支護.該支護形式不能調動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,巖體的力學性能惡化,頂板巖層得不到及時有效的支撐和保護而發生離層.離層進一步加大會影響到“大結構”的穩定,從而使支架受力增大,巷道變形增加,底鼓量變大.棚式支護對幫部煤巖體僅提供一個被動的阻力,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度較低,故在側向應力的作用下,幫部的巖體及煤體卻不斷被擠碎而垮落在巷道內測,其實質也相當于向兩幫位移,所以從防止巷道幫鼓而阻止底鼓來講,該棚式支護的作用是有限的.3.2.6防止圍巖工傷力巷道掘進為炮掘工藝,放炮的震動作用有可能使圍巖裂隙擴大,所以施工中,可加大炮眼的個數,減少每個炮眼的裝藥量,減輕震動,防止過大的震動對圍巖的擾動.4橡膠基防護測試4.1角形塑料網擬定在原梯形棚式支護的基礎上對底板進行錨網+鋼筋梁支護,支護形式見圖5.錨桿選用長度為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,長度為3.5m,網為菱形塑料網,寬度為1.1m,搭接長度為100mm,逐扣聯接;每根錨桿需直徑為23mm、長度為35mm的樹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,梯子梁壓在錨網上,通過錨桿的托盤使其緊貼底板巖面.底板錨網試驗段設在3304工作面進風巷,三橫貫以里20m處,支護試驗段長20m共28棚.數據記錄時間為掘后126d到228d共102d的數據,之前巷道底鼓量為698.7mm已被清理.4.2頂底板位移情況底板反底拱錨網支護試驗對比觀測數據見表1.數據結果表明:底板錨網支護使頂底板移動總量減少了48.7%,錨網段的底鼓量僅為42mm,而非錨網段的底鼓量為167mm,錨網段的底鼓占頂底移近量的36.2%,非錨網段的底鼓量占到頂底板移近量的73.9%,說明底板錨網對底鼓的控制效果是明顯的,但頂板的下沉量由非錨時的26.8%增到63.8%,兩幫的移近量降低了27.2%.依此試驗,預計底板錨網梁+梯形棚式支護條件下巷道頂底板移近量為712mm,底鼓量為258mm,頂板下沉量為454mm.考慮工作面超前移動支承壓力對頂底板移近的影響,頂底板的移近量在900mm左右,故單純的底板錨網支護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復采沿空巷道底板錨網支護對底鼓控制有效,但頂板的下沉量在巷道頂底板移近量中所占比例有所增大.這是圍巖能量通過頂板釋放的結果.試驗提示:頂板、兩幫及底板巖體是一個相互聯系的有機體,底鼓變形是三者相互作用的結果.2)對底鼓的變形控制堅持“強頂、固幫、阻底”的整體治理原則.“強幫”即提高幫部的承載能力;