孤島工作面巷道底鼓機理及控制技術(shù)研究

朱正東

(霍州煤電集團，山西 呂梁 033100)

隨著我國煤炭開采向深部發(fā)展，巷道圍巖應力狀況進一步惡化，圍巖破壞情況也日益嚴重。受各種因素影響，巷道圍巖破壞形式多樣，而當?shù)装鍨檐浫鯉r層或受高應力時，圍巖尤其是底板變形將會更加劇烈顯著。巷道底鼔是一個極其復雜的物理、力學過程，與巷道圍巖性質(zhì)、應力狀態(tài)及維護方式密切相關。采動影響下的巷道底鼓尤為常見和突出，約占巷道頂?shù)装逦灰屏康?2/3～3/4，嚴重制約著礦井的高產(chǎn)高效。

國內(nèi)學者在底鼓機理及防治技術(shù)方面取得了大量的理論成果并積累了實踐經(jīng)驗，為巷道底鼓防治提供了重要的指導和參考。侯朝炯[1]通過加固底板和巷道幫角控制底鼓,采用合理的一次支護和二次支護來實現(xiàn)巷道的長期穩(wěn)定。孫利輝[2]等人通過巷道原支護和底鼓治理方案相似模擬試驗,提出了巷道底板錨索束+底板深淺注漿的治理方案。楊軍[3]等人根據(jù)錨桿控制巷道底鼓力學分析模型，從有效切斷底板塑性滑移線和有效分解力的作用兩方面，對底角錨桿控制底鼓的作用機理進行力學分析，研究特性錨桿解決巷道底鼓問題。

但是，不同地質(zhì)條件下不同巷道底鼓的產(chǎn)生都有其區(qū)別于其它底鼓的明顯特征。筆者通過對龐龐塔礦底鼓區(qū)域巷道圍巖巖性分析，采用Flac3D軟件對現(xiàn)有支護條件及各控制方案分別進行模擬分析，并通過現(xiàn)場試驗分析驗證。

1 巷道圍巖強度分析

采用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置，對龐龐塔礦易發(fā)生底鼓區(qū)域的巷道內(nèi)選取兩點進行測試，在窺視鉆孔內(nèi)對巷道頂板10 m范圍煤巖層的強度進行了測試；巷道內(nèi)選取5點，采集底板巖樣進行點載荷試驗。數(shù)據(jù)處理后，見圖1，圖2，表1.

圖1 第1測點頂板10 m范圍煤巖體強度分布圖

由圖1，2可知，煤體強度平均值為15.21 MPa.

圖2 第2測點頂板10 m范圍煤巖體強度分布圖

試樣編號試樣規(guī)格/cm點載荷強度/MPa110×8×634.428×8×539.1639×6×628.51412×10×523.36511×8×736.32

3.2～4.0 m為泥巖，巖層強度平均值為40.21 MPa.4.0～5.8 m為砂質(zhì)泥巖，巖層強度平均值為56.22 MPa. 5.8～10 m為砂質(zhì)泥巖，中間有粉砂巖及細砂巖夾層，巖層強度平均值為65.20 MPa. 由表1可知，底板強度平均值為32.35 MPa.

2 巷道底鼓機理分析

2.1 試驗工作面基本情況

試驗工作面位于礦井的一采區(qū)，工作面全長1 292 m，寬160 m左右，為南北向布置，為5#煤采區(qū)，煤層厚度為5.5～6.3 m，屬復雜結(jié)構(gòu)煤層，煤層產(chǎn)狀為：走向SN，傾向EW，傾角平均為19°. 109、105、103和101工作面都已回采完畢，兩側(cè)都將為采空區(qū)，即為孤島工作面，見圖3.

圖3 工作面四鄰關系圖

2.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)實際地質(zhì)條件，建立對應的FLAC3D數(shù)值模型，模型中巖、煤層傾斜20°，109工作面長度170 m，105工作面長度170 m，1071巷與109工作面的煤柱尺寸30 m，1072巷和105工作面的煤柱尺寸25 m，兩側(cè)分別留65 m、60 m的邊界，模型中巖、煤層傾斜總長度為700 m. 模型尺寸為658 m×200 m×270 m，劃分為275 680個單元，286 243個節(jié)點。分別對巷道在掘進和回采期間應力變化情況進行分析。

1) 巷道掘進期間應力分析及變形情況。

結(jié)合礦井實際情況，模擬時先開挖臨近工作面，再開挖巷道，模擬結(jié)果見圖4.巷道開挖前后圍巖垂直應力分布曲線圖見圖5.

圖4 巷道開挖后頂?shù)装搴蛢蓭鸵平吭茍D

圖5 巷道開挖前后圍巖垂直應力分布曲線圖

從圖4可知：巷道頂板下沉量峰值集中在頂板右側(cè)，最大位移量達到158 mm，巷道底鼓量峰值集中在底板的左側(cè)，最大鼓出量達到296 mm，底鼓量最大；煤柱側(cè)幫巷道水平位移的峰值集中在巷幫的中部，煤柱側(cè)幫最大移出量達到133 mm，工作面?zhèn)葞拖锏浪轿灰频姆逯导性谙飵偷闹胁浚ぷ髅鎮(zhèn)葞妥畲笠瞥隽窟_到46 mm，煤柱側(cè)幫的移出量最大。

臨近工作面開挖后，再開挖巷道，煤柱側(cè)幫的垂直應力35 MPa，應力集中系數(shù)2.09；107工作面?zhèn)葞偷拇怪睉?5 MPa，應力峰值位置距離巷道幫部4.0 m，應力集中系數(shù)2.09.

煤柱側(cè)的應力集中程度與工作面?zhèn)鹊膽谐潭认嗖畈淮?，在較高的垂直應力影響下，巷道側(cè)幫會發(fā)生較大的變形，因此，需要通過打錨索加強支護。

2) 巷道回采期間應力分析及變形情況。

巷道掘進完成后，對工作面進行回采，回采長度50 m，分別分析超前支承壓力分布情況、巷道側(cè)向支承壓力分布情況、超前影響范圍內(nèi)巷道的頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟?，通過以上分析，判斷支護強度能否滿足控制圍巖變形的需要。垂直應力分布云圖見圖6.

圖6 垂直應力分布云圖

回采后，工作面前方100 m范圍內(nèi)的超前支承壓力見圖7，在超前工作面前方13 m處，超前支承壓力最大，為49 MPa，此處原始垂直應力為16 MPa，應力集中系數(shù)為3，超前影響范圍約為25 m.

圖7 超前支承壓力分布特征曲線圖

工作面開挖后，回采面前方5 m處巷道側(cè)向支承壓力分布情況見圖8，圍巖垂直應力分布見圖9.距巷道煤柱幫50 m處，側(cè)向支承壓力峰值60 MPa，距煤柱幫10 m處，側(cè)向支承壓力峰值55 MPa. 側(cè)向支承壓力遠大于超前支承壓力。煤柱中部支承壓力值在45 MPa以上，煤柱所受的應力值較大，比巷道掘進期間所受側(cè)向壓力高，一定要保證支護施工質(zhì)量，保證煤柱的完整性，防止回采擾動導致幫部產(chǎn)生大面積破壞。

圖8 距離工作面5 m 處垂直應力分布圖

圖9 5 m處巷道圍巖垂直應力分布圖

超前100 m范圍內(nèi)，1071巷的底鼓量分布特征見圖10，按照底鼓量增速大小可分為4個階段：在超前40 m處底鼓量開始出現(xiàn)變化，增加量很小；在超前40～20 m內(nèi)底板底鼓量增加幅度有所增加；在超前20～7 m內(nèi)底板底鼓量增加速度最快；在7～0 m內(nèi)增加速度放緩。在回采工作面處巷道底鼓量為425 mm.

圖10 巷道距107回采工作面不同距離下底鼓量曲線圖

3 回采巷道底鼓泄壓治理技術(shù)

經(jīng)過對巷道受力及變形的觀測和理論分析，得出該區(qū)域巷道底鼓屬于典型的擠壓流動性底鼓，其底鼓的主要因素是二次動壓造成的。根據(jù)龐龐塔煤礦埋藏深、應力高、底鼓量大、需求的補償空間較大和 3種應變控制方案的適用條件，推薦采用底板開挖卸壓槽釋放壓力方式來維護巷道。

3.1 卸壓槽槽寬

巷道寬5.0 m，高3.5 m，因此槽寬H不宜過大也不能太小。H過大，底板經(jīng)破碎動作的震動后松散，承受側(cè)壓能力降低，影響穩(wěn)定性和巷道的安全使用；H過小，則卸壓效果不理想。根據(jù)應力控制理論，卸壓槽寬度一般情況為 50～60 cm，考慮龐龐塔煤礦底板巖層強度較低，卸壓槽寬度需要適當增加，在工程實踐中取H為0.6 m.

3.2 卸壓槽槽深

槽深直接影響著卸壓效果，也是影響巷道底板穩(wěn)定性的關鍵參數(shù)。若槽深L過淺，開掘的卸壓槽將起不到消除應力的作用，因此本次設計開槽深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m，對其進行數(shù)值計算。模擬計算結(jié)果見圖11.

圖11 底板卸壓巷道圍巖垂直位移云圖

從圖11可以看出，開設卸壓槽后，巷道底板巖體向卸壓槽內(nèi)擠壓，導致卸壓槽有閉合趨勢。開槽深度的加大，使支承壓力峰值向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道處于應力降低區(qū)；另外，沿卸壓槽方向的巷道變形量減少，而垂直卸壓槽方向的巷道變形量增大。原因是此時垂直卸壓槽方向的巷道變形除了因圍巖破裂在該方向產(chǎn)生的變形外，還有因卸壓槽受壓后逐漸閉合而產(chǎn)生的變形。

圖12 巷道支護斷面及卸壓示意圖

4 工程試驗

試驗工作巷道斷面為矩形，巷凈寬5.0 m，高3.5 m，凈斷面17.5 m2，采用錨網(wǎng)索支護，巷道支護斷面及卸壓示意圖見圖12. 結(jié)合數(shù)值模擬分析，進行開槽卸壓試驗，在巷道內(nèi)選取3個試驗段，每段間隔20 m，每段巷道試驗長度30 m，開槽寬度為0.6 m，開槽深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m. 對巷道底鼓變形情況進行觀測，時間為6個月。不同試驗段巷道最大底鼓量觀測數(shù)據(jù)結(jié)果見圖13. 由圖13可以看出：

圖13 巷道底鼓量和兩幫位移量曲線圖

1) 不采取開槽卸壓技術(shù)時，巷道最大底鼓量453 mm，卸壓槽深度0.5 m、1.0 m、1.5 m對應的最大底鼓量分別為 342 mm、250 mm、189 mm，即采取開槽卸壓技術(shù)后，巷道底鼓能夠得到有效控制，且隨著卸壓槽深度增加，最大底鼓量逐漸減小，但開槽深度的增加也會增加施工的難度，因此，深度不宜過大。

2) 卸壓槽深度 0.5 m、1.0 m、1.5 m對應的兩幫位移量分別為183 mm、150 mm、173 mm，即隨著卸壓槽深度增加，兩幫位移量變化不大，規(guī)律不明顯。

5 結(jié) 論

1) 巷道底鼓變形受多方面因素影響，應綜合分析巷道圍巖特性及巷道所處的采動環(huán)境，選用合理的治理技術(shù)。

2) 開槽卸壓技術(shù)可以有效控制孤島工作面應力集中區(qū)巷道底鼓變形。采用開槽深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m對應的最大底鼓量分別為 342 mm、250 mm、189 mm，可將底鼓變形量降低到50%左右。

3) 隨開槽深度的增大，底板應力集中區(qū)向圍巖深部移動，巷道底鼓量逐漸減小，但也要考慮到開槽深度對施工的影響，深度越大施工難度越大。

參 考 文 獻

[1] 侯朝炯.深部巷道圍巖控制的關鍵技術(shù)研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2017,46(5)：970-978.

[2] 孫利輝. 深部軟巖巷道底鼓機理與治理試驗研究[J].采礦與安全工程學報，2017，34(2)：235-242.

[3] 楊 軍，石海洋，齊 干.巷道底角錨桿控制底鼓機理及選型試驗[J].采礦與安全工程學報，2016,33(4)：643-648.