蘇科舜

(開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司東歡坨礦業(yè)分公司，河北唐山 064002)

隨著我國煤炭開采向深部發(fā)展，采礦所面臨的地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜，與淺部開采相比，深部煤巖體處于高地應(yīng)力、多場(chǎng)、多相耦合作用下，使得深部巷道支護(hù)特別是巷道底板支護(hù)更加困難，主要表現(xiàn)在底板巖層水平應(yīng)力和剪應(yīng)力集中，造成巷道圍巖應(yīng)力惡化，劇烈底鼓顯現(xiàn)，尤其是經(jīng)歷采動(dòng)影響的回采巷道底鼓問題更加普遍和嚴(yán)重［1－3］。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)巷道底鼓發(fā)生機(jī)理及控制技術(shù)進(jìn)行了有益探索。本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上，以開灤集團(tuán)東歡坨礦3088綜采工作面回采巷道底鼓為工程背景，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件FLAC模擬巷道底板采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)及變形破壞特征，分析各種底鼓控制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并在3088綜采工作面軌道平巷進(jìn)行了底鼓控制措施的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，取得了較好的底鼓控制效果。

1 回采巷道地質(zhì)概況

東歡坨礦3088綜采工作面位于－690水平中央下段采區(qū)北翼，為中央下段采區(qū)首采工作面，南至中央下段采區(qū)運(yùn)輸上山，北至3088切眼，斜上方為設(shè)計(jì)3086工作面。地面標(biāo)高+20.71 m，工作面標(biāo)高－551 m～－689 m。所采8#煤層，厚度2.4～4.7 m，平均3.35 m，煤層傾角3～16°，平均9.5°。該工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化開采工藝，一次采全高，采用75組ZY9200－22/46型，5組ZY9200－20/42型以及2組ZYG9200－22/46型支撐掩護(hù)式液壓支架支護(hù)頂板。

該工作面回采巷道斷面設(shè)計(jì)為斜梯形，巷道凈斷面:寬×高=4.5 m×3.1 m。巷道頂?shù)装鍘r性見表1。該工作面軌道平巷在兩幫壓模效應(yīng)、采動(dòng)支承應(yīng)力、水及底板巖性等多個(gè)因素綜合影響下，底板巖層向巷道內(nèi)壓曲、擴(kuò)容、膨脹，從回采開始即經(jīng)受較為明顯的底鼓現(xiàn)象，最大底鼓量達(dá)800～1300 mm。

表1 3088工作面回采巷道頂?shù)装迩闆r

2 原支護(hù)條件下巷道底鼓模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

采用三維有限差分軟件FLAC建立東歡坨礦3088綜采工作面軌道平巷三維數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸:走向長(zhǎng)度(x)200 m，傾斜長(zhǎng)度(y)160 m，垂直高度(z)95 m。數(shù)值計(jì)算模型如圖1(a)所示。模型上方按至地表巖體的自重施加垂直載荷(P=γH)。模型側(cè)邊界施加水平約束，底邊界施加水平及垂直約束。由于要研究回采巷道底板破壞后的力學(xué)行為，計(jì)算中采用莫爾－庫侖(Mohr－Coulomb)屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞［4－6］。

2.2 原支護(hù)條件下巷道底鼓模擬結(jié)果

2.2.1 原支護(hù)參數(shù)

3088綜采面軌道平巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道頂板每排安裝6根螺紋鋼錨桿，φ22×2400 mm，間排距800×800 mm，每排錨桿加掛一根φ12×4200 mm鋼帶，錨索采用φ17.8×6300 mm鋼絞線，居中單根布置，排距2400 mm。巷道兩幫每排安裝4根普通圓鋼錨桿，φ18×2000 mm。

2.2.2 底鼓模擬結(jié)果

模擬運(yùn)算之前，在巷道底板、頂板及兩幫不同深度處(0 m、1 m、2 m、3 m、4 m 位置處)布設(shè)位移測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)不同深度圍巖位移情況。

1)如圖1(b)所示，該回采巷道底鼓量明顯較兩幫移近量和頂板下沉量大。就巷道底板不同位置處底鼓量來說，底板表面呈斜坡狀鼓起，煤柱側(cè)底板鼓起量(260 mm)明顯大于實(shí)體煤側(cè)巷道底鼓量(90 mm)。其原因:在巷道煤柱側(cè)幫底腳處，水平應(yīng)力過大，擠壓層狀底板巖層，向巷道自由空間鼓起，又受到實(shí)體煤側(cè)巷道底板巖層的約束作用，從而導(dǎo)致3088綜采面回采巷道底板表面呈斜坡狀鼓起［7－8］，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相吻合。

2)巷道底板下不同深度巖層底鼓量各不相同，0～2 m深度的底板圍巖變形量較大，到底板表面的移近量呈劇烈增長(zhǎng)趨勢(shì);3～4 m深度的底板巖層向巷道空間的擠入量不大，如圖1(c)所示。

圖1 原支護(hù)條件下3088綜采面軌道平巷圍巖位移模擬結(jié)果

3 不同控制技術(shù)下巷道底鼓治理效果模擬

目前國內(nèi)外各種控制底鼓措施的探索工作十分活躍，專家學(xué)者進(jìn)行了大量探索，試驗(yàn)成功了多種底鼓控制措施，主要有加固法(底板錨桿、底板注漿及封閉式支架等)、卸壓法(切縫、打孔、松動(dòng)爆破、掘巷卸壓)和聯(lián)合支護(hù)法［9－11］。諸多底鼓控制技術(shù)都有其局限性，只能適應(yīng)一定的地質(zhì)條件。對(duì)一條特定的巷道來說，其底鼓控制技術(shù)必須進(jìn)行具體分析。本文結(jié)合東歡坨礦3088綜采工作面巷道圍巖實(shí)際條件，擬在原支護(hù)參數(shù)條件下，設(shè)計(jì)三個(gè)底鼓防治方案:(1)底板卸壓槽;(2)底角錨桿加強(qiáng)支護(hù);(3)底板鉆孔。分別模擬不同防治措施下底鼓控制效果，為底鼓控制措施的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供決策參考。

3.1 底板卸壓槽

3.1.1 卸壓槽布置

底板卸壓槽的開鑿位置選擇在底板靠近煤柱側(cè)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)行車方便及行人安全，卸壓槽寬度定為400 mm。模擬不同開槽深度時(shí)(卸壓槽深度分別為0.1 m，0.3 m，0.5 m，0.7 m，1.0 m，1.2 m，1.5 m)，巷道底板巖層應(yīng)力及位移特征。

3.1.2 卸壓槽控制底鼓效果

如圖2(a)所示，開槽對(duì)巷道底板巖層塑性區(qū)影響較大，所開卸壓槽可以將巷道底板高應(yīng)力向底板較深部巖層轉(zhuǎn)移。底板開卸壓槽后巷道底板鼓起趨勢(shì)得到有效控制，卸壓槽的作用主要體現(xiàn)在:卸壓槽為巷道圍巖變形提供了自由空間，使得底板巖層位移主要向開槽空間移動(dòng)，變形能量得以釋放，從而減弱了朝向巷道空間的鼓起量，達(dá)到了有效防治底鼓的目的［12－13］。在實(shí)際施工中，應(yīng)注意開槽與掘巷的時(shí)間間隔，建議巷道開掘和開鑿卸壓槽應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，即把開鑿卸壓槽作為開挖巷道的一部分。

不同開槽深度時(shí)底板巖層位移曲線如圖2(b)所示，當(dāng)所開卸壓槽深度小于0.7 m時(shí)，底鼓量依然較大，對(duì)控制巷道底鼓作用不大;當(dāng)卸壓槽深度為0.7～1.0 m時(shí)，巷道底鼓量顯著減小，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn);考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工方便，建議3088綜采工作面軌道平巷底板開卸壓槽深度為0.7～1.0 m。

圖2 底板開卸壓槽巷道圍巖應(yīng)力特征及位移

3.2 底角錨桿加強(qiáng)支護(hù)

巷道底角是塑性區(qū)最發(fā)育的部位，巷道底鼓主要是兩側(cè)底板巖體擠入巷道和兩幫下沉引起的，因此，巷道底角巖體的控制對(duì)控制巷道底鼓至關(guān)重要［14－15］。

3.2.1 底角錨桿布置

在3088綜采工作面軌道平巷底角處使用φ22×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，加長(zhǎng)錨固，巷道底角錨桿與水平面夾角為60°。

3.2.2 底角錨桿加固效果

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道開掘后，圍巖塑性區(qū)從應(yīng)力集中的底角處開始，最終仍以底角處為最大。在巷道圍巖暴露后立即打上底角錨桿，此時(shí)塑性區(qū)的發(fā)展剛開始，而錨桿可提高底角圍巖的強(qiáng)度，因此，底角錨桿可阻止或減少塑性區(qū)的擴(kuò)展，降低底板水平高應(yīng)力，對(duì)抵抗巷道底鼓及維護(hù)巷道圍巖整體穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用。

3.3 底板鉆孔

3.3.1 底板鉆孔布置

考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工和運(yùn)料、行人的方便，底板鉆孔位置選擇在底板靠近煤柱側(cè)，鉆孔直徑為φ42 mm，模擬不同鉆孔深度時(shí)(鉆孔深度分別為0.5 m，1.0m，1.5m，2.0m，2.5m，3.0m)，巷道底板巖層應(yīng)力及位移特征，如圖3所示。

圖3 底板鉆孔圍巖應(yīng)力分布

3.3.2 底板鉆孔控制底鼓效果

由數(shù)值模擬結(jié)果可知:①底板深鉆孔將圍巖應(yīng)力向更深的底板巖層轉(zhuǎn)移，使巷道淺層底板應(yīng)力顯著降低。但對(duì)于巷道兩幫移近量影響不大;②底板鉆孔周圍應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生松動(dòng)區(qū)和塑性區(qū)。底板深部巖層在較高應(yīng)力作用下有著朝向該鉆孔自由面移動(dòng)的趨勢(shì)，從而起到控制底鼓的效果;③與其它防治底鼓的措施相比，底板鉆孔后，底板巖層鼓起的始動(dòng)點(diǎn)要深，因此要求底板鉆孔的深度要比開卸壓槽深得多，現(xiàn)場(chǎng)施工工期較長(zhǎng)，操作較為復(fù)雜。

3.4 各種控制技術(shù)對(duì)比分析

通過以上不同治理方案底鼓控制效果的模擬研究可知，控制東歡坨礦3088綜采工作面軌道平巷底鼓的關(guān)鍵部位是巷道底角和底板區(qū)域。方案一在底板靠近煤柱側(cè)開鑿卸壓槽，為巷道圍巖水平應(yīng)力內(nèi)移提供了自由空間;方案二通過底角錨桿改變區(qū)域應(yīng)力分布，加強(qiáng)巷道圍巖的整體強(qiáng)度，降低底板的水平擠壓力;方案三在底板鉆孔，雖然底板應(yīng)力也能顯著降低，但結(jié)合巷道施工實(shí)際條件，向底板打垂直孔較困難，故決定采用卸壓法(底板卸壓槽)與加固法(底角錨桿)相結(jié)合的底鼓控制措施，充分發(fā)揮兩者的各自優(yōu)勢(shì)。

4 回采巷道底鼓控制技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及效果

4.1 底板卸壓槽

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，確定3088綜采工作面軌道平巷底板開卸壓槽參數(shù)為:寬×深=400×800 mm，如圖4所示?？紤]到巷道運(yùn)輸方便及行人安全，卸壓槽開鑿位置選在煤柱幫與底板交接處，槽內(nèi)充填鋸末、細(xì)沙等柔性材料，實(shí)現(xiàn)底板水平應(yīng)力向槽內(nèi)轉(zhuǎn)移的同時(shí)，還能阻止底板水滲入到深部巖層而造成的底板巖石遇水膨脹鼓起。

圖4 3088綜采面軌道平巷底板卸壓槽示意圖

4.2 巷幫底角錨桿加強(qiáng)支護(hù)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和東歡坨礦3088軌道平巷現(xiàn)場(chǎng)施工條件，確定巷幫底角錨桿加強(qiáng)支護(hù)的整體思路:在現(xiàn)有支護(hù)基礎(chǔ)上，采取巷道幫部底角補(bǔ)打錨桿的措施，限制塑性區(qū)擴(kuò)展，提高巷道整體支護(hù)效果，防止巷道底板鼓起。具體施工參數(shù)為:3088軌道平巷底角處采用無縱筋螺紋鋼錨桿，加長(zhǎng)錨固，φ22×2400 mm，底角錨桿與水平面夾角為60°，如圖5所示。現(xiàn)場(chǎng)施工效果表明，底角錨桿能夠限制底板塑性區(qū)擴(kuò)展，防治底鼓的同時(shí)，提高了回采巷道復(fù)雜圍巖的整體穩(wěn)定性。

圖5 底角錨桿加強(qiáng)支護(hù)控制底鼓參數(shù)圖

4.3 底鼓控制效果

上述底鼓治理方案在3088綜采面軌道平巷底鼓劇烈地段進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)地段的巷道底鼓進(jìn)行了實(shí)測(cè)。從觀測(cè)數(shù)據(jù)可知(圖6所示):采取治理措施后，隨著工作面推進(jìn)，測(cè)試地段最終的累計(jì)底鼓量及底鼓速率都較未采取治理措施前減小，最大底鼓量為246 mm，最大底鼓速率為36.5 mm/d，底鼓量及變形速度均在可控范圍之內(nèi)。實(shí)踐應(yīng)用表明，3088綜采面回采巷道底鼓變形得到有效控制，保證了工作面生產(chǎn)期間行人及物料的暢通。

圖6 采取治理措施后巷道底板位移曲線

5 結(jié)論

1)工程實(shí)踐表明，采用卸壓法(底板卸壓槽)與加固法(底角錨桿)相結(jié)合的底鼓控制措施，充分發(fā)揮兩者的各自優(yōu)勢(shì)，能明顯降低回采巷道底板變形量，確保巷道整體穩(wěn)定。

2)開挖卸壓槽防治底鼓的技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)在:該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了底板水平應(yīng)力向槽內(nèi)轉(zhuǎn)移，而且能阻止底板水滲入到深部巖層而造成的底板巖石遇水膨脹鼓起。卸壓槽的開鑿和巷道開挖應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，即把開槽作為開挖巷道的一部分，充分發(fā)揮開槽的卸壓作用。

3)運(yùn)用數(shù)值模擬方法，可以較為全面地揭示不同底鼓控制措施下巷道底板應(yīng)力場(chǎng)及變形破壞特征，有利于選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，同時(shí)減少試驗(yàn)時(shí)間，提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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