石 磊

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

近些年，我國煤礦巷道底鼓問題日益凸顯，由于掘巷過程引起的底板破壞造成很多井下設(shè)備損壞和人員傷亡事故，一部分底鼓現(xiàn)象強(qiáng)烈的巷道甚至導(dǎo)致回采工作面廢棄，因此，沿空掘巷的底鼓控制技術(shù)成為大家研究的重點(diǎn)問題。目前國內(nèi)外學(xué)者對于沿空掘巷底板破壞機(jī)理及治理措施展開相關(guān)研究：康紅普[1]認(rèn)為底板巖層變形量占總底鼓變形量的67%，擴(kuò)容位移和彈塑性位移分別占總底鼓量的11.2%和11.8%，底板巖層向巷內(nèi)擴(kuò)容和壓曲是底鼓破壞的主要原因；侯朝炯、馬念杰[2-3]認(rèn)為荷載從頂板傳遞到兩幫，又從兩幫傳遞到底板，使底板發(fā)生嚴(yán)重變形，不同巖層深度發(fā)生不同的程度的變形，距離工作面越遠(yuǎn)，變形量越小。本文主要針對S1202工作面瓦排巷實(shí)際情況，通過數(shù)值模擬研究掘巷底板破壞機(jī)理，并提出底鼓控制技術(shù)，確定沿空留巷的支護(hù)方案，為相似工程情況提參考和指導(dǎo)作用。

1 工程概況

圖1 S1202工作面平面布置圖

S1202工作面主采3#煤層，工作面傾斜長度為150m，平均傾角4.3°，煤層均厚為6.4m，煤質(zhì)較為松軟，煤層間存在一層厚均厚為0.7m的泥巖夾矸層。3#煤層偽頂為粉砂巖，均厚4.3m，直接頂為粗砂巖，均厚10m，直接底為泥巖，均厚3.3m，老底為10.6m粉質(zhì)砂巖，均厚10.6m。S1202工作面采用雙巷布置方案，S1201采空區(qū)與S1202回風(fēng)巷之間區(qū)段煤柱寬45m，在距S1201采空區(qū)5m煤柱的位置處，掘進(jìn)S1202瓦排巷，巷道斷面為矩形，尺寸寬×高=3.8×3.2m，如圖1所示。在S1202瓦排巷掘進(jìn)期間出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全，急需采取有效措施控制底板變形。

2 沿空掘巷底板破壞機(jī)理

傳統(tǒng)彈塑性力學(xué)建立了很多判定圍巖彈塑性狀態(tài)的強(qiáng)度理論，用來描述巖石的變形破壞[4]。由于巖石的微觀結(jié)構(gòu)不規(guī)律，外部受力情況也很復(fù)雜，所以巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特別復(fù)雜，單一的應(yīng)力曲線和應(yīng)變曲線都難以真實(shí)體現(xiàn)巖石的破壞過程。研究巖石的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，影響因素包括巖塊力學(xué)性質(zhì)、圍壓、應(yīng)力應(yīng)變等，因此采用應(yīng)力應(yīng)變來分析巖石的破壞過程具有相當(dāng)大的難度[5]。本質(zhì)上，巷道圍巖由于耗散能的長期積累導(dǎo)致破壞，因此，巷道圍巖底板的穩(wěn)定性可以用耗散能的集聚程度來反映。根據(jù)巷道地質(zhì)條件及巖層賦存條件，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，通過分析沿空巷道掘進(jìn)期間采場耗散能比率的分布規(guī)律，來分析巷道底板破壞機(jī)理和變形破壞特征。在沿空巷道累計(jì)推進(jìn)75m后，底板耗散能比率Rd分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 煤層直接底耗散能比率分布規(guī)律

選取超前掘進(jìn)迎頭15m，5m，0m及掘進(jìn)迎頭后方5m，25m處共5條觀測線，通過數(shù)值模擬對5條觀測線的耗散能比率進(jìn)行分析，并對掘進(jìn)迎頭5m和掘進(jìn)迎頭后方25m剖面進(jìn)行出圖分析；研究煤柱及巷道底板耗散能比率變化規(guī)律，如圖3（a）、（b）所示。

圖3 各剖面耗散能比率（耗散能比率Rd為無量綱量）

掘進(jìn)期間，承壓煤柱左側(cè)耗散能比率幾乎沒有變化，讓壓煤柱底板、沿空巷道、承壓煤柱右側(cè)耗散能比率變化較大。超前掘進(jìn)頭5m，直接底巖層耗散能比率開始產(chǎn)生變化，在采空區(qū)25m范圍內(nèi)，耗散能比率值都大于0.2；掘進(jìn)迎頭，讓壓煤柱和沿空巷道的耗散能比率超過0.9，影響范圍也有所擴(kuò)大，Rd=0.2等值線擴(kuò)至沿空巷道左側(cè)4.6m處；掘進(jìn)迎頭后方5m，Rd=0.2等值線擴(kuò)至沿空巷道左側(cè)4.7m；滯后掘進(jìn)迎頭25m時(shí)，巷道底板深處受耗散能比率影響范圍擴(kuò)大，等值線在沿空巷道左側(cè)5.3m處到達(dá)最終穩(wěn)定。

綜上可知，滯后迎頭25m至超前迎頭5m是巖層耗散能積聚影響的主要范圍。由于讓壓煤柱的變形使得其直接底破壞范圍逐布增加，同時(shí)，沿空巷道右底角處的變形破壞程度遠(yuǎn)小于左側(cè)底角處。由此確定了底板的破壞的機(jī)理和主要影響范圍，通過采取相應(yīng)的圍巖支護(hù)控制技術(shù)，保證底板巖層的穩(wěn)定性。

3 底鼓控制技術(shù)及效果

3.1 底鼓控制技術(shù)

由數(shù)值模擬分析可知，要想對S1202瓦排巷底鼓進(jìn)行有效控制，僅對底板采取措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，巷道頂板、兩幫、底板是一個(gè)整體系統(tǒng)，對底板控制的同時(shí)也需要加強(qiáng)幫頂圍巖的穩(wěn)定性；由數(shù)值模擬分析，還可以看出沿空巷道左側(cè)底角破壞程度大于右側(cè)底角，掘進(jìn)迎頭后方25m范圍內(nèi)破壞程度顯著，所以決定在巷道掘進(jìn)期間對底板采用切槽處理，并加設(shè)底角錨桿支護(hù)。

1）巷內(nèi)基本支護(hù)。布置Φ22mm×2400mm的高強(qiáng)讓壓錨桿，每排6根，間排距720×800mm，并鋪設(shè)4000mm×880mm的金屬網(wǎng)，材料選用40mm×40mm的10#鐵絲加工而成；

2）兩幫布置Φ22mm×2400mm的高強(qiáng)讓壓錨桿，每幫5根，間排距700mm×800mm，并鋪設(shè)3300mm×880mm的金屬網(wǎng)，材料選用40mm×40mm的10#鐵絲加工而成；頂板錨索采用Ф18.9×8300mm的預(yù)應(yīng)力錨索，每排2根，間排距1600×800mm，錨索托盤采用300mm×300mm×12mm的碟形托盤，并配套讓壓管、鎖具、調(diào)心球墊等。

3）底板切槽設(shè)計(jì)。根據(jù)S1202瓦排巷實(shí)際情況，為保證底板的穩(wěn)定性，對底板巖層使用松動炮進(jìn)行破碎卸壓，松動爆破的碎石無須清理，而作為充填材料使用。通過實(shí)驗(yàn)測出巷道直接底的抗拉強(qiáng)度為2.2Mpa，底板懸臂梁長度與底板爆破深度的關(guān)系為：

S1202瓦排巷寬3.8m，設(shè)松動爆破對稱于底板中線，水平方向長度為500mm，當(dāng)爆破深度為t=2m時(shí)，底板巖梁最大懸臂長度L=1.72m，而實(shí)際長度為1.65m，此時(shí)可確保底板不會發(fā)生整體斷裂破壞。

4）底角錨桿支護(hù)。由第2章數(shù)值模擬可知在S1202巷承壓煤柱幫底角處變形量大于讓壓煤柱底角，所以首先對S1202巷承壓煤柱幫設(shè)置Φ22mm×2400mm的底角錨桿，距底板200mm，與水平方向成50°夾角，排距800mm。其次，在承壓煤柱和讓壓煤柱各設(shè)置2根Φ22mm×2400mm的底角錨桿，第一根錨桿距巷幫200mm，與垂直方向呈45°夾角，第二根錨桿與第一根錨桿間距為800mm，方向與底板垂直。

3.2 底鼓控制效果分析

為驗(yàn)證底鼓控制效果，在工作面迎頭方向每隔4m布置礦壓監(jiān)測站，對S1202巷道表面位移量和底板巖層位移量持續(xù)監(jiān)測直至數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果能夠得出巷道表面位移—距掘進(jìn)迎頭距離和底板深基點(diǎn)位移—距掘進(jìn)迎頭距離關(guān)系曲線如圖4所示。

掘進(jìn)初始15天內(nèi)，巷道表面圍巖變形較大，兩幫整體移近速度、底鼓速度、頂板下沉速度分別達(dá)到6mm/d、5mm/d、4mm/d；掘進(jìn) 45 天后，巷道表面圍巖變形速度趨于穩(wěn)定，兩幫累計(jì)移近量，底鼓量、頂板下沉量分別為117mm、83mm、131mm，且讓壓煤柱的位移量大于承壓煤柱幫位移量。在未采取控制措施前，兩幫累計(jì)移近量，底鼓量、頂板下沉量分別為706mm、355mm、143mm，通過前后對比可知，圍巖整體控制效果較為理想。

圖4 掘進(jìn)期間礦壓監(jiān)測結(jié)果

掘進(jìn)應(yīng)力調(diào)整期約為45天，在此期間內(nèi)，底板在2m范圍內(nèi)巖層的變形量呈線性增加趨勢，且底板在2.5m處巖層變形幅度遠(yuǎn)小于2m范圍內(nèi)巖層變形量；掘進(jìn)應(yīng)力穩(wěn)定后，底板在2.5m處的巖層變形量為50mm，底板在2m內(nèi)的巖層變形量約為100～120mm，底鼓控制效果顯著。

4 結(jié) 論

針對S1202瓦排巷底鼓情況，通過數(shù)值模擬對巷道底鼓破壞機(jī)理進(jìn)行分析，得出底鼓主要影響范圍在掘進(jìn)滯后迎頭25m至超前迎頭5m范圍內(nèi)，提出錨桿（索）作為巷內(nèi)基本支護(hù)，并采取“底板切槽+底角錨桿”的聯(lián)合底鼓控制技術(shù)來提高底板的穩(wěn)定性，通過沿空掘巷的礦壓設(shè)備對巷道表面位移量和底板巖層位移量持續(xù)監(jiān)測，可知該種支護(hù)手段能夠有效控制沿空掘巷底鼓。