三軟沿空掘巷底鼓機(jī)理及治理研究★

褚 福 永

(麗水學(xué)院，浙江 麗水 323000)

1 概述

沿空掘巷施工及維護(hù)一直以來都是采礦工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其中，巷道底鼓控制是迫切需要解決的技術(shù)難題。近幾十年來，國內(nèi)很多學(xué)者針對巷道底鼓的機(jī)理和底鼓治理進(jìn)行了大量研究，并取得一定的成果[1-8]。

如韓磊[1]針對龐龐塔煤礦5-107工作面回采巷道底鼓嚴(yán)重這一問題，分析了采動(dòng)影響下回采巷道底鼓機(jī)理，建立了回采巷道受采動(dòng)影響的底鼓力學(xué)模型。同時(shí)，通過利用Flac3D數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，采用底板開挖卸壓槽的方式控制回采巷道底鼓效果顯著；王鵬等[2]通過對余吾煤業(yè)S1202工作面底板受力情況進(jìn)行分析，得出巷道底板巖層塑性區(qū)發(fā)展深度公式，并分析了動(dòng)壓巷道底板變形破壞特征，得出了巷道底板巖層呈非對稱性變形的結(jié)論，由此提出合理的底鼓控制技術(shù)；包正明等對國投新集劉莊煤礦121102工作面軌道順槽沿空掘巷底板采用底板錨桿加固后發(fā)現(xiàn)，底板加固后,減弱了巷道角部應(yīng)力集中程度并在兩幫和底角強(qiáng)化了圍巖的強(qiáng)度,防止和減少了因底板圍巖塑性變形、粘滯性流動(dòng)和破裂圍巖體體積膨脹造成的底鼓。

然而，目前針對三軟沿空掘巷底鼓機(jī)理及治理的研究還很少。為此，本文利用Flac3D數(shù)值模擬的方法，針對某深井三軟煤層，分析底鼓的機(jī)理，并采用兩個(gè)對比方案(即普通錨桿全斷面支護(hù)和普通錨桿全斷面支護(hù)+高強(qiáng)錨桿底板支護(hù))，并根據(jù)分析結(jié)果確定了合理的支護(hù)方式，為類似工程提供了參考。

2 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算的煤層為某三軟煤層，其埋深為500 m，煤層傾角14°，煤厚5 m，沿工作面走向方向進(jìn)行開采。模型總長140 m，工作面的走向長度120 m，高度87 m，巷道長4 m，寬3.4 m。

上區(qū)段工作面開挖和巷道開挖后的三維有限差分網(wǎng)格如圖1所示。這里需要指出的是，為增強(qiáng)計(jì)算的精確性，巷道左右10 m的范圍內(nèi)進(jìn)行了加密，單元格間距為0.5 m。煤層、煤層頂板及煤層底板的單元格間距分別為0.5 m,0.8 m和0.6 m。其中，煤層頂板和底板分別為泥巖和砂質(zhì)泥巖層。

采用應(yīng)力和位移結(jié)合控制邊界條件，模型的上面施加均勻的垂直應(yīng)力，按上覆巖體(500 m)自重考慮，σZ=12.5 MPa，側(cè)壓系數(shù)取1，即水平方向的應(yīng)力均為12.5 MPa。計(jì)算采用的本構(gòu)模型采用摩爾—庫侖模型，模型參數(shù)由試驗(yàn)得到，列于表1中。

本次計(jì)算首先計(jì)算了巖(煤)層的初始應(yīng)力狀態(tài)，然后，對上一區(qū)段工作面開挖，每8 m開挖一次，對于頂板冒落充填的模擬，采用改變模型類型及改變巖石力學(xué)參數(shù)的方式，最后，進(jìn)行巷道開挖和支護(hù)的模擬。其中，巷道支護(hù)采用兩種形式，即頂板和兩幫均采用直徑為12 mm、長度為1.8 m的普通錨桿支護(hù)，底板分別采用普通錨桿和直徑為20 mm、長度為2.6 m的高強(qiáng)錨桿支護(hù)，以下對兩種方案分別稱底板支護(hù)前和底板支護(hù)后。

表1 摩爾—庫侖模型參數(shù)

巖層名稱密度kg/m3彈性模量×104 MPa泊松比抗拉強(qiáng)度MPa內(nèi)摩擦角(°)內(nèi)聚力MPa頂板細(xì)砂巖2 56564.20.2491.91329泥巖1 97419.10.2051.33337細(xì)砂巖2 93378.10.2671.29339泥巖1 97419.10.2051.13347細(xì)砂巖2 46815.10.1830.81338泥巖2 5318.680.1180.66324煤層1111-3煤層1 3811.510.2810.16293底板泥巖2 52117.10.1920.5935.68粉砂巖2 58150.00.1581.85349砂質(zhì)泥巖2 60917.60.1483.61368

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 三軟沿空掘巷底鼓機(jī)理分析

圖2給出了三軟沿空掘巷底板位移矢量圖，從圖2可以看出，底板A區(qū)、巷道底角深部C區(qū)及兩幫B區(qū)的位移矢量箭頭方向分別為正向上、斜向上指向巷道及斜向下指向巷道。由此可以見，造成底鼓主要是底板A區(qū)的巖石向上運(yùn)動(dòng)、底角C區(qū)的巖石斜向上向巷道中心流動(dòng)及幫部B區(qū)近水平及斜向下流動(dòng)共同造成的，而兩幫和底板大范圍的巖層流動(dòng)是大量級(jí)底鼓產(chǎn)生的主要原因。

另一方面，巷道底鼓的產(chǎn)生是隨時(shí)間逐步演化的過程，巷道在支承壓力的作用下，整體下沉。由于兩幫煤柱、實(shí)體煤及底板巖性軟弱，兩幫煤體不斷嵌入底板，造成了兩幫的煤體及底板向巷道大量位移，導(dǎo)致底板中間一定范圍逐漸產(chǎn)生拉應(yīng)力，底板巖石拉裂破壞，并產(chǎn)生向上的塑性變形，對于三軟沿空巷道可以認(rèn)為在底板一定深度范圍形成了貫通到地面的連續(xù)滑裂面，即發(fā)生了整體剪切破壞。

3.2 兩種方案控制底鼓效果比較

為對比分析底板采用普通錨桿和高強(qiáng)錨桿對底鼓治理的效果，圖3和圖4分別給出了底板加固前后的垂直位移云圖，圖5和圖6分別給出了底板加固前后的塑性分布圖。

由圖3和圖4可以看出，底板加固前，巷道頂板的下沉量和底鼓量分別為159 mm和257 mm，兩幫的移近量為367 mm；加固后巷道頂板的下沉量分別為108 mm和141 mm，兩幫的移近量為288 mm，較加固前的減幅分別為32%,45%和22%。

由圖5和圖6可以看出，加固后，巷道頂板和兩幫的塑性區(qū)域均有一定程度的收斂，圖5和6同時(shí)顯示，加固后的底板塑性區(qū)分減小程度顯著。由此可見，采用高強(qiáng)錨桿加固底板可以有效地控制了三軟沿空巷道的底鼓。

為研究底板錨桿傾角對底鼓治理效果的影響，整理出長度為2.6 m的錨桿，不同傾角時(shí)控制底鼓巷道的變形情況，并列于表2中。

從表2中可以看出，隨著錨桿傾角的增加，巷道底變形呈先減小后增大的規(guī)律，錨桿傾角為30°,45°和60°時(shí)，巷道底鼓量、兩幫移進(jìn)量和底板下沉量分別為179 m,152 m和312 m，152 m,120 m和291 m?？梢哉J(rèn)為，錨桿傾角為45°時(shí)控制底鼓的效果最好。

表2 錨桿不同底角時(shí)巷道的變形情況mm

為研究錨桿長度對底鼓控制的效果的影響，取1.8 m，2.0 m，2.2 m，2.4 m，2.6 m，2.8 m，3.0 m長度的錨桿進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，錨桿長度在1.8 m～2.6 m時(shí)，隨著錨桿的增加，底鼓量的減小值較大，錨桿長度為2.6 m的底鼓量較1.8 m時(shí)的相應(yīng)值的增幅為70.3%，而2.6 m～3.0 m的范圍內(nèi)，巷道底鼓量變化很小，幾乎趨于平坦的曲線。因此，2.6 m為比較適宜的錨桿長度。

表3 底板錨桿不同長度效果 mm

4 結(jié)語

利用Flac3D軟件對某三軟沿空巷道不同支護(hù)方案下底鼓治理效果進(jìn)行了對比分析，并探討了三軟沿空巷道底鼓的機(jī)理及底板錨桿角度和長度對支護(hù)效果的影響。其中，巷道支護(hù)頂板和兩幫采用普通錨桿支護(hù)，底板支護(hù)采用兩種形式，即普通錨桿和高強(qiáng)錨桿，通過計(jì)算本文主要得到了以下主要結(jié)論：

1)巷道底鼓的產(chǎn)生是隨時(shí)間逐步演化的過程，巷道在支承壓力的作用下，整體下沉，兩幫煤體不斷嵌入底板，造成了兩幫的煤體及底板向巷道大量位移，導(dǎo)致底板中間一定范圍逐漸產(chǎn)生拉應(yīng)力，底板巖石拉裂破壞，并產(chǎn)生向上的塑性變形，最終發(fā)生了整體剪切破壞；

2)頂板加固后的巷道變形明顯優(yōu)于加固前，加固后巷道頂板的下沉量分別為108 mm和141 mm，兩幫的移近量為288 mm，較加固前的減幅分別為32%,45%和22%。同時(shí)，加固后的底板塑性區(qū)分減小程度顯著?？梢哉J(rèn)為，采用高強(qiáng)錨桿加固底板可以有效地控制了三軟沿空巷道的底鼓；

3)隨著錨桿傾角的增加，巷道底變形呈先減小后增大的規(guī)律，錨桿傾角為30°,45°和60°時(shí)，巷道底鼓量、兩幫移進(jìn)量和底板下沉量分別為179 m，152 m和312 m，152 m,120 m和291 m?？梢哉J(rèn)為，錨桿傾角為45°時(shí)控制底鼓的效果最好；

4)隨著錨桿的增加，底鼓量的減小值較大，錨桿長度為2.6 m的底鼓量較1.8 m時(shí)的相應(yīng)值的增幅為70.3%，而2.6 m～3.0 m的范圍內(nèi)，巷道底鼓量變化很小，幾乎趨于平坦的曲線。因此，可以認(rèn)為，2.6 m為比較適宜的錨桿長度。