張建軍

（山西陽城陽泰集團(tuán)小西煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

綜采工作面在回采期間受回采應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、煤巖體力學(xué)結(jié)構(gòu)等影響，回采巷道圍巖會出現(xiàn)不同程度破壞現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在兩幫收縮、頂板下沉、底板鼓起等。其中，底板鼓起是回采巷道最常見的應(yīng)力現(xiàn)象。底板鼓起后不僅降低了巷道成型率，影響工作面支架正常移架，而且發(fā)生底鼓后降低了兩幫圍巖穩(wěn)定性，在剪切應(yīng)力作用下，巷幫很容易發(fā)生片幫現(xiàn)象［1］。以小西煤礦3107 回風(fēng)巷為例，針對傳統(tǒng)底鼓治理技術(shù)存在的主要問題，提出“施工水力膨脹錨桿+ 安裝L 型鋼棚+ 施工注漿錨索”聯(lián)合治理技術(shù)，并進(jìn)行實際應(yīng)用。

1 概述

山西陽城陽泰集團(tuán)小西煤業(yè)有限公司3107 回風(fēng)巷位于3107 工作面南部，主要作為3107 工作面回采期間材料運輸以及回風(fēng)巷道。3107 回風(fēng)巷長度為1 200 m，巷道沿3#煤層頂?shù)装迤叫芯蜻M(jìn)，3#煤層平均厚度為4.0 m，平均傾角為3°；巷道高度為4.0 m，寬度為4.5 m。3107 回風(fēng)巷直接頂主要以砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖互層為主，平均厚度為3.4 m，局部裂隙發(fā)育； 老頂主要以礫巖為主，平均厚度為11.2 m；直接底主要炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為3.8 m；老底主要以細(xì)粉砂巖為主，平均厚度為8.9 m。

3107 回風(fēng)巷為矩形斷面，巷道頂板主要采用錨桿、錨索、W型鋼帶聯(lián)合支護(hù)；頂板每排5 根長度為2.5 m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距為1.0 m；錨索長度為5.3 m，每排3 根，排距為3.0 m，間距為1.5 m；巷幫采用單錨桿支護(hù)，每排3 根長度為2.0 m左旋無縱筋螺紋剛錨桿，錨桿排間距為1.0 m。

根據(jù)巷道掘進(jìn)資料顯示，位于3107 回風(fēng)巷540 m處揭露一條F6正斷層。斷層落差為1.5 m，傾角為57°；斷層與3#煤層煤層斜交，角度為62°，預(yù)計對工作面回采影響長度為40 m。截止2020年3月2日3107 工作面回采至533 m里程牌處，受回采應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及采空區(qū)殘余應(yīng)力影響，3107 回風(fēng)巷在525 m處出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，最大底鼓量為0.82 m，兩幫收縮量達(dá)0.54 m，導(dǎo)致回風(fēng)巷變形嚴(yán)重，工作面回采時過渡支架移架困難，工作面回采速度僅為3.6 m/d，嚴(yán)重制約著工作面安全高效回采。

2 底鼓區(qū)傳統(tǒng)治理技術(shù)及問題分析

2.1 底鼓區(qū)傳統(tǒng)治理技術(shù)

3107 回風(fēng)巷應(yīng)力區(qū)底鼓段前期主要采用起底、澆筑混泥土，錨注錨桿等技術(shù)手段進(jìn)行控制維護(hù)，底板起底深度為1.0 m，寬度為4.5 m（巷寬），起底后在起底處施工錨桿，錨桿長度為2.0 m，采用端頭錨固方式，錨桿排距為2.0 m，間距為1.2 m。最后對起底處進(jìn)行澆筑混泥土，直至與巷道原底板齊平。

2.2 問題分析

（1）起底工程量大。由于3107 回風(fēng)巷底板主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為2.9 m，傳統(tǒng)施工工藝時需采用人工松動爆破進(jìn)行起底，不僅造成巷道起底工程量大、起底工序復(fù)雜，而且3107 回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛认鄬^高，松動爆破施工不利于回采安全［2］。

（2）錨桿支護(hù)效果差。通過對3107 回風(fēng)巷底鼓段施工一個深度為8.0 m，直徑為60 mm窺視孔觀察發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力作用下導(dǎo)致巷道底板巖體出現(xiàn)裂隙破碎，在0～3.8 m范圍內(nèi)巖體破碎嚴(yán)重且出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象，在4～6.0 m范圍內(nèi)巖體裂隙高度發(fā)育，在6.0 m以外巖體相對穩(wěn)定，見圖1；而原施工工藝中錨桿長度為2.0 m，錨固長度為0.6 m，錨桿在裂隙底板中錨固效果相對較差。

圖1 3107回風(fēng)巷底鼓區(qū)底板巖體窺視柱狀圖

（3）底板應(yīng)力持續(xù)破壞作用。底鼓區(qū)傳統(tǒng)工藝治理后在7 d范圍內(nèi)底板變化不大，在7 d后隨著地應(yīng)力持續(xù)作用下澆筑底板發(fā)生隆起斷裂現(xiàn)象。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，底板澆筑后在第9 d局部底板出現(xiàn)鼓起，鼓起量為0.33 m；第11 d后出現(xiàn)底板大面積斷裂破碎現(xiàn)象，傳統(tǒng)施工工藝對地應(yīng)力破壞作用控制力度不足，無法根本消除底板鼓起現(xiàn)象。

3 底鼓區(qū)聯(lián)合治理技術(shù)措施

為了保證3107 工作面安全快速通過F6斷層，控制3107 回風(fēng)巷應(yīng)力區(qū)底鼓現(xiàn)象，決定對3107 回風(fēng)巷應(yīng)力區(qū)采取 “施工水力膨脹錨桿+ 安裝L型鋼棚+施工注漿錨索”聯(lián)合治理技術(shù)。

3.1 施工水力膨脹錨桿

（1）水力膨脹錨桿施工原理

與傳統(tǒng)錨注錨桿不同，水力膨脹錨桿主要采用高壓水力作為動力，在水力作用下使錨桿膨脹，錨桿在膨脹期間對鉆孔壁圍巖產(chǎn)生環(huán)形垂直應(yīng)力，從而使鉆孔壁附近破碎巖體擠壓收縮，達(dá)到控制地應(yīng)力釋放以及巖體裂隙進(jìn)一步發(fā)育的目的；同時當(dāng)錨桿在水力作用下發(fā)生膨脹后，桿體徑向長度變短，從而對錨桿托盤起到提高預(yù)應(yīng)力的作用［3］，見圖2。

圖2 底鼓區(qū)水力膨脹錨桿支護(hù)原理

（2）水力膨脹錨桿施工工藝

①首先對底鼓區(qū)進(jìn)行起底施工，起底深度為0.5 m，起底后對底板施工水力膨脹錨桿鉆孔，每排施工2 個鉆孔，鉆孔深度為3.5 m，直徑為30 mm，間距為2.0 m，排距為3.0 m，見圖2。

②鉆孔施工完后對鉆孔內(nèi)安裝水力膨脹錨桿，錨桿長度為3.6 m，錨桿側(cè)面為凹型且中空狀，錨桿材質(zhì)為柔性鋼材，膨脹前桿體直徑為25 mm，膨脹后桿體直徑為32 mm。

③錨桿安裝后對同一排錨桿外露段安裝一根長度為4.0 m，寬度為0.5 m梯形梁；梯形梁安裝后對桿體進(jìn)行注水加壓，注水壓力為15～20 MPa范圍內(nèi)，在注水過程中錨桿桿體膨脹并擠壓鉆孔壁巖體，同時桿體膨脹過程中桿體縮短，梯形梁受壓預(yù)緊。

3.2 安裝L型鋼棚

（1）安裝L 型鋼棚主要目的是提高巷幫煤柱支撐強度，降低了應(yīng)力傳遞過程中煤柱對底板產(chǎn)生剪切破壞作用，使得煤柱與底板嵌為一體；同時安裝L型鋼棚后增加了底板抗載荷能力。

（2）L 型鋼棚主要由15#槽鋼焊制而成，鋼棚長梁長為1.8 m，短梁長為1.0 m，且在梁的中部各焊制一個直徑為25 mm加固錨桿固定孔；鋼棚安裝時鋼棚長邊與起底面接觸，短邊與巷幫接觸，每架鋼棚采用兩根長度為1.5 m，直徑為20 mm“反麻花式”錨桿固定，見圖3。

（3）L 型鋼棚安裝排距為1.5 m，在底板鼓起嚴(yán)重區(qū)鋼棚與底板之間必須安裝讓壓件，起到讓壓耦合支護(hù)作用，鋼棚安裝必須牢固，固定錨桿預(yù)緊力不得低于150 N·m。

3.3 施工注漿錨索

（1）注漿錨索長度為2.5 m，直徑為17.8 mm，注漿錨索施工在起底處底板上，每排施工兩根，錨索間距為3.0 m，排距為1.5 m，注漿錨索垂直底板布置［4］。

（2）首先采用鉆機進(jìn)行注漿錨索鉆孔施工，鉆孔直徑為30 mm，鉆孔深度為1.5 m，鉆孔施工完后將一根直徑為8 mm注漿軟管捆綁在錨索上，并隨同錨索一同埋入至鉆孔內(nèi)。

（3）注漿錨索安裝后將注漿軟管與注漿泵連接進(jìn)行注漿施工。注漿液采用泥漿與水玻璃配比為1∶1.5 的混合液，注漿壓力為0.9 MPa，注漿長度為1.3 m，注漿后對孔口采用快速膨脹水泥進(jìn)行封堵。

（4）起底處所有注漿錨索施工完成后，對起底處進(jìn)行混凝土澆筑，混凝土水泥、沙子、石子，速凝劑配比為1∶2∶2∶0.5，水泥采用42#普通硅酸鹽水泥，澆筑后混凝土強度不得低于C30。

（5）澆筑期間必須采用振動泵進(jìn)行攪拌均勻，當(dāng)澆筑高度達(dá)0.8 m時確保澆筑面位于同一水平面上后在同一排注漿錨索上安裝一根長度為4.0 m工字鋼梁并進(jìn)行預(yù)緊，見圖3。鋼梁安裝后繼續(xù)澆筑直至澆筑面與巷道設(shè)計底板面平整［5］。

圖3 3107 回風(fēng)應(yīng)力底鼓區(qū)聯(lián)合治理施工斷面（單位/mm）

4 結(jié)語

截止2020年3月21日3107 工作面已回采至610 m處，且完全通過F6斷層影響區(qū)。對3107 回風(fēng)巷應(yīng)力底鼓區(qū)采取聯(lián)合治理措施后，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，采取治理措施后工作面在應(yīng)力區(qū)回采過程中未出現(xiàn)嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象，當(dāng)工作面揭露F6斷層時應(yīng)力區(qū)最大底鼓量僅為0.3 m，兩幫平均收縮量不足0.4 m，大大提高了巷道成型率，工作面后期回采期間未出現(xiàn)支架移架困難現(xiàn)象，工作面平均回采速度提高至6.1 m/d。

1）對底鼓區(qū)施工水力膨脹錨桿后，解決了傳統(tǒng)錨桿在應(yīng)力破碎區(qū)錨固效果差等技術(shù)難題，大大削弱了應(yīng)力破壞作用，控制了底板裂隙區(qū)范圍擴大，避免了地應(yīng)力在底板裂隙區(qū)釋放，造成底板鼓起、斷裂現(xiàn)象。

2）通過對3107 回風(fēng)巷底鼓區(qū)安裝L型鋼棚后，提高了巷幫及底板支撐作用力，避免了應(yīng)力傳遞作用導(dǎo)致煤壁片幫現(xiàn)象，防止了煤壁支撐強度低，出現(xiàn)巷幫插底，造成兩幫對底板產(chǎn)生切底破壞作用。

3）對巷道采取注漿錨索后，加強了底鼓區(qū)破碎巖體整體穩(wěn)定性，提高了巖體柔性，降低了應(yīng)力破壞作用導(dǎo)致底板破碎現(xiàn)象；同時，水力膨脹錨桿屬柔性錨桿，進(jìn)一步提高了底板穩(wěn)定性，有效阻止了底鼓現(xiàn)象。