，，，

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

城郊煤礦高應(yīng)力巷道底鼓成因及控制技術(shù)研究

楊森，鄭建彬，宋浬永，朱琦

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116)

針對(duì)城郊煤礦二水平東翼軌道巷底鼓成因及控制技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗(yàn)等手段進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：高地應(yīng)力、高膨脹性礦物含量和支護(hù)形式的不合理是導(dǎo)致巷道底鼓強(qiáng)烈的原因。巷道采用反底拱支護(hù)，底板呈現(xiàn)“單峰鼓起”變形，以開(kāi)挖卸壓槽進(jìn)行底鼓治理，底板呈現(xiàn)“雙峰鼓起”變形，“雙峰鼓起”變形曲線(xiàn)相較于“單峰鼓起”，其最大斜率和平均斜率較小，更能滿(mǎn)足巷道的使用要求。以加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù)作為巷道支護(hù)方案的基礎(chǔ)，并針對(duì)高膨脹性礦物含量的特征，制定應(yīng)對(duì)措施。礦壓觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，支護(hù)方案有效地控制了二水平東翼軌道巷的底鼓變形。

高應(yīng)力巷道；底鼓；控制技術(shù)

FloorHeaveReasonandControllingTechnologyofRoadwaywithHighStressinChengjiaoColliery

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度增加，高應(yīng)力巷道的底鼓問(wèn)題變得越來(lái)越突出[1]。底鼓使得巷道斷面縮小，妨礙通風(fēng)、運(yùn)輸和行人，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)。對(duì)于高應(yīng)力巷道底鼓防治，目前主要分為2種方法：一是加固圍巖法[2]，即通過(guò)加裝反底拱梁或底角錨桿(索)等措施加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，減小底鼓變形；二是應(yīng)力轉(zhuǎn)移法[3-4]，即通過(guò)開(kāi)挖底板卸壓槽或松動(dòng)爆破等措施將巷道圍巖附近因開(kāi)挖形成的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖較深部。

本文針對(duì)城郊煤礦二水平東翼軌道巷底鼓成因開(kāi)展深入研究，在此基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)比加裝反底拱梁和開(kāi)挖底板卸壓槽2種不同方案的治理效果，提出開(kāi)挖卸壓槽后巷道底板所呈現(xiàn)的“雙峰變形”更能滿(mǎn)足巷道使用需求，礦壓觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，該方案有效地控制了二水平東翼軌道巷的底鼓變形。

1 工程概況

城郊煤礦二水平東翼軌道巷垂直埋深約731m，巷道全長(zhǎng)1120m，掘進(jìn)層位主要位于泥巖和砂泥巖互層中，巖石破碎、裂隙較發(fā)育，且處于高地應(yīng)力區(qū)，屬于典型的高地應(yīng)力巷道。巷道全長(zhǎng)范圍內(nèi)礦壓顯現(xiàn)十分強(qiáng)烈。具體表現(xiàn)為噴網(wǎng)層剝離，頂部下沉，底鼓嚴(yán)重。其中底鼓問(wèn)題最為突出，該礦實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巷道底鼓量部分地段高達(dá)1400mm，最小350mm，平均550mm，使得巷道斷面收縮嚴(yán)重，無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。

2 底鼓變形原因分析

2.1 高地應(yīng)力

二水平東翼軌道巷的埋深已接近深井臨界值800m，這使得巷道處于高地應(yīng)力場(chǎng)中。上覆巖層所產(chǎn)生的垂直主應(yīng)力及水平主應(yīng)力分別為：

σ1=γH=25×103×731=18.3(MPa)

式中，γ為巷道上覆巖層的平均容重，取為25kN/m3；H為巷道埋深，m；μ為巖石泊松比，根據(jù)表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果取0.2；K為側(cè)壓力系數(shù)，取決于巖石的泊松比。

表1 巖石試樣抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于巷道所處圍巖(頂?shù)装寰鶠樯罨疑百|(zhì)泥巖)松軟破碎，其圍巖整體力學(xué)性能較差，巷道所處巖層的圍巖強(qiáng)度較低。同時(shí)，因環(huán)境因素作用造成巖石軟化和破壞，其實(shí)際強(qiáng)度相較于表1中結(jié)果，可能會(huì)更低。因此，取泥巖作為圍巖單向抗壓強(qiáng)度的代表值：RC=44.17MPa，所以圍巖穩(wěn)定性指數(shù)S[5]為：

S=γH/RC=0.414

由于巷道圍巖穩(wěn)定性指數(shù)0.4

2.2 未對(duì)巷道底板和底角有效加固

高應(yīng)力巷道自身特征決定了其具有變形量大的特點(diǎn)[6]。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，收斂量一般為數(shù)十毫米至數(shù)百毫米，最大可達(dá)1000mm以上，嚴(yán)重者可封堵整個(gè)巷道。變形主要以水平收斂為主，其表現(xiàn)形式有側(cè)墻內(nèi)移(或稱(chēng)內(nèi)鼓)、尖頂和底鼓等。而在未封底或未設(shè)置仰拱的局部地段，因側(cè)墻和頂拱的支護(hù)，阻礙了相應(yīng)部位圍巖的繼續(xù)變形和圍巖應(yīng)力的進(jìn)一步調(diào)整，底板成為最薄弱環(huán)節(jié)，于是應(yīng)力釋放和巖體擴(kuò)容變形就在底板發(fā)生，從而普遍產(chǎn)生底鼓。二水平東翼軌道巷中僅鋪設(shè)有作為平整底板目的的混凝土底板，并未與側(cè)墻一起構(gòu)成封閉環(huán)，在底鼓變形作用下，厚度僅100mm左右的混凝土板沿中線(xiàn)或墻根部將被折斷并翹起。

2.3 膨脹性礦物含量較高

對(duì)二水平東翼軌道底板巖性采用D/Max-3B 型X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行礦物組分分析。測(cè)試條件Cu靶，K輻射，石墨彎晶單色器；掃描方式為連續(xù)掃描。利用粉末衍射聯(lián)合會(huì)國(guó)際數(shù)據(jù)中心(JCPDS--ICDD)提供的各種物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射資料(PDF)，并按照標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)行對(duì)照分析。

分析結(jié)果表明，巖樣含有較多的高嶺石、石英，有部分伊蒙混層、伊利石和少量的長(zhǎng)石、菱鐵礦、方解石、蒙皂石等礦物。在伊蒙混層中伊利石成分較多。礦物成分詳情見(jiàn)表2。

表2 各樣品的礦物定量分析結(jié)果(重量百分比)

伊蒙混層與高嶺石均具有較強(qiáng)的膨脹性與吸水性，故巷道底板屬膨脹性軟巖。在底板遇水軟化和高地應(yīng)力﹑高膨脹力的共同作用下，巷道底鼓嚴(yán)重。

3 底鼓控制技術(shù)

3.1 關(guān)鍵部位支護(hù)

大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐均證實(shí)，巷道開(kāi)挖后，巷道圍巖兩幫及頂?shù)装逦灰屏坎⒉皇蔷鶆虻?，而是首先從巷道某一個(gè)或者某幾個(gè)部位開(kāi)始破壞，從而導(dǎo)致整個(gè)巷道支護(hù)體失穩(wěn)，這些首先破壞的部位稱(chēng)為支護(hù)的“關(guān)鍵部位”[7]。高應(yīng)力巷道數(shù)值模擬結(jié)果(圖2)顯示巷道肩角和底角均出現(xiàn)應(yīng)力集中，此處的巖體將會(huì)首先達(dá)到強(qiáng)度極限，進(jìn)而破壞，導(dǎo)致其他部位失穩(wěn)，最終使得巷道全斷面失穩(wěn)破壞。因此底角作為高應(yīng)力軟巖巷道底鼓控制的“關(guān)鍵部位”必須加強(qiáng)支護(hù)。

圖1 巷道關(guān)鍵部位數(shù)值模擬結(jié)果

3.2 支護(hù)方案及參數(shù)

首先，通過(guò)底鼓成因分析，確定支護(hù)設(shè)計(jì)以頂板和兩幫的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)形成的組合拱來(lái)保證巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為底鼓控制提供良好條件。其次，在關(guān)鍵部位加裝底角錨桿，以限制底板圍巖塑性剪切滑移，提高底角的剪切強(qiáng)度，削弱兩幫對(duì)底板的作用力[8-9]。針對(duì)巷道底板巖體含有較高的高嶺石、伊利石與蒙皂石，為防止底板遇水后膨脹，均勻鋪一層 100mm 干石灰粉并壓實(shí)，封閉底板。

在此基礎(chǔ)上，提出2個(gè)支護(hù)方案。方案一：“底角錨桿+反底拱梁”(見(jiàn)圖2(a))；方案二：“底角錨桿+底板卸壓槽”(見(jiàn)圖2(b))。具體支護(hù)參數(shù)為: 頂、幫部錨桿為φ22mm×2400mm高強(qiáng)錨桿，間排距890mm×900mm，錨桿安裝扭矩不小于400N·m；φ20mm×7.0m錨索3根，間排距1500mm×1800mm，錨索預(yù)緊力140kN；鋪設(shè)φ6.5mm鋼筋網(wǎng)(網(wǎng)格100mm×100mm)；底角采用φ22mm×2400mm高強(qiáng)錨桿，安裝角度30°，排距900mm。方案一中，反底拱梁間距為1200mm，采用36U型鋼加工，2根鋼梁弧長(zhǎng)分別為3073mm和3071mm，每根鋼梁一端用36U型鋼各焊1條長(zhǎng)300mm的卡槽；方案二中，在巷道底板中心線(xiàn)位置開(kāi)掘深度為2000mm，寬度為500mm的卸壓槽，待底板變形穩(wěn)定后回填混凝土，澆筑時(shí)使用風(fēng)動(dòng)振搗器振搗夯實(shí)，以抵抗底板巖石的流變變形。

圖2 巷道支護(hù)方案

3.3 支護(hù)方案底鼓控制模擬效果

采用二維有限差分軟件 FLAC5.0建立城郊煤礦二水平東翼軌道巷數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬=50m×50m，底部限制水平和垂直移動(dòng)，上部施加覆巖等效載荷，模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，整個(gè)模型由40000 個(gè)單元組成，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 3。

表3 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

為分析掌握巷道底板變形規(guī)律，在模型中沿底板設(shè)置1條3.8m長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)線(xiàn)。監(jiān)測(cè)線(xiàn)均勻布置15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)處理得出2種支護(hù)方案下二水平東翼軌道底板變形破壞曲線(xiàn)圖(圖3)。

圖3 底板變形曲線(xiàn)

從圖3所反映的底板變形情況可以看出，方案一中，底板垂直方向最大位移為194mm，出現(xiàn)在中心線(xiàn)位置，兩幫側(cè)垂直方向位移最小為101mm，底板整體成“單峰鼓起”變形，變形曲線(xiàn)的最大斜率為117.9mm/m，發(fā)生在巷道靠近兩幫側(cè)，曲線(xiàn)平均斜率為48.9mm/m；方案二中，底板垂直方向位移最大值為175mm，發(fā)生在距離中心線(xiàn)0.7m附近，兩幫側(cè)垂直方向位移最小為116mm，底板整體成“雙峰鼓起”變形，變形曲線(xiàn)的最大斜率為109.5mm/m，發(fā)生在巷道靠近兩幫側(cè)，曲線(xiàn)平均斜率為41.6mm/m。對(duì)比方案一與方案二中的底板變形曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)方案二中底板無(wú)論在底鼓量還是底板變形曲線(xiàn)斜率上都要小于方案一，因此選取方案二作為二水平東翼軌道巷的支護(hù)方案。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為了掌握二水平東翼軌道巷支護(hù)方案的底鼓控制效果，對(duì)該巷道底板進(jìn)行了變形測(cè)定。觀(guān)測(cè)時(shí)間從2012年10月31日至2013年2月20日。巷道底板變形曲線(xiàn)如圖4所示，巷道底板變形速率曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖4 二水平東翼軌道底板變形曲線(xiàn)

圖5 二水平東翼軌道底板變形速率曲線(xiàn)

巷道在返修后的20d以?xún)?nèi)，底鼓速度較大，平均速率為1.6mm/d，期間取得變形速率的最大值3mm/d，在這個(gè)階段巷道底鼓變形量增加較快；20～41d，底鼓速度變慢，平均速率為0.9mm/d，巷道底鼓變形量緩慢增加；41d以后，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，但由于深部煤巖體的蠕變特性使得巷道仍有較小的變形量。巷道的最大底鼓變形量為70mm，相較于修復(fù)前的平均水平，底鼓變形量下降了87.3%，說(shuō)明修復(fù)方案對(duì)巷道底鼓起到了很好的控制作用。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)分析城郊煤礦二水平東翼軌道巷的圍巖變形及賦存特征，提出高地應(yīng)力、高膨脹性礦物含量和支護(hù)形式的不合理是導(dǎo)致巷道底鼓強(qiáng)烈的原因。

(2)在巷道加裝反底拱梁進(jìn)行底鼓治理，底板呈現(xiàn)“單峰鼓起”變形，以開(kāi)挖卸壓槽進(jìn)行底鼓治理，底板呈現(xiàn)“雙峰鼓起”變形，“雙峰鼓起”變形曲線(xiàn)相較于“單峰鼓起”，其最大斜率和平均斜率較小，更能滿(mǎn)足巷道的使用要求

(3)以加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù)作為巷道支護(hù)方案的基礎(chǔ)，并針對(duì)高膨脹性礦物含量的特征，制定應(yīng)對(duì)措施。礦壓觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，該支護(hù)方案有效地控制了二水平東翼軌道巷的底鼓變形。

[1]陳炎光，陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，1994.

[2]付國(guó)彬，姜志方.深井巷道礦山壓力控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，1986.

[3]李庶林.應(yīng)力控制技術(shù)及其應(yīng)用綜述[J].巖土力學(xué)，1997，18(1)：90-96.

[4]陳壽峰，劉殿書(shū)，王樹(shù)仁.爆破卸壓法維護(hù)巷道靜光彈實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(6).

[5]馬世志，張茂林，靖洪文，等.巷道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)方法評(píng)述[J].建井技術(shù)， 2004，25(5)：24-27.

[6]姜耀東.巷道底鼓機(jī)理及其控制方法的研究[D].徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，1993.

[7]劉 剛，靖洪文.深井軟巖巷道變形和加固對(duì)策[J].礦冶工程， 2005，25(3)：5-7.

[8]楊生彬，何滿(mǎn)潮，劉文濤，等.底角錨桿在深部軟巖巷道底鼓控制中的機(jī)制及應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(S1)：2913-2919.

[9]孫曉明.煤礦軟巖巷道耦合支護(hù)理論研究及其設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2002.

[10]劉 高，聶德新，韓文峰.高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000(6)：726-730.

[11]李琰慶，陳同虎，宋友良，等.深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化及工程實(shí)踐[J].煤礦支護(hù)，2009(1)：23-27.

[12]王 輝，高群山.“三錨”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)巷道支護(hù)中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2006，38(1)：26-27.

[責(zé)任編輯：林健]

2014-04-01

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.014

楊 森(1991-)，男，陜西咸陽(yáng)人，在讀碩士研究生，從事巷道圍巖控制方向的研究。

楊 森，鄭建彬，宋浬永，等.城郊煤礦高應(yīng)力巷道底鼓成因及控制技術(shù)研究[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(6)：50-53.

TD327.3

B

1006-6225(2014)06-0050-04