張 磊

(西山煤電集團(tuán)公司 官地礦，山西 太原 030022)

綜采工作面回采巷道受采動(dòng)影響，極易出現(xiàn)頂板下沉量大、兩幫收縮嚴(yán)重、支護(hù)體失效數(shù)量多、底鼓等非線性大變形破壞現(xiàn)象，巷道維護(hù)十分困難，尤以底鼓問題最為突出[1].底鼓的發(fā)生將會(huì)導(dǎo)致巷道斷面形狀發(fā)生變化。首先是巷道的斷面面積變小，不利于通風(fēng)；其次底鼓后巷道底板變得不平整，不利于運(yùn)輸，行人也不安全，嚴(yán)重情況下有可能使得巷高不能滿足轉(zhuǎn)載機(jī)拉移；另外底鼓還會(huì)影響頂板和兩幫的應(yīng)力狀態(tài)及穩(wěn)定性，使得整個(gè)承載結(jié)構(gòu)及支護(hù)構(gòu)件的受力方式產(chǎn)生一系列的變化，進(jìn)而使巷道整體的穩(wěn)定性發(fā)生改變。

目前，各種防治底鼓的工程措施按照機(jī)理的不同，可分為3大類型[2-4]，即：支護(hù)加固法、卸壓法及聯(lián)合支護(hù)法。支護(hù)加固法常用的有封閉式支架加固法、底板注漿加固法、底板錨桿加固法和混凝土反拱等；卸壓法包括切縫、打鉆孔、松動(dòng)爆破及卸壓煤柱等；聯(lián)合支護(hù)法通常是兩種方法的結(jié)合。盡管這些方法都具有較好的支護(hù)效果，但是常使用在開拓巷道中，由于回采巷道服務(wù)年限相對(duì)較短，這些控制底鼓的方法工序多、難度大、成本高，在回采巷道中使用較少。官地礦綜采工作面推進(jìn)速度為4～5 m/d，服務(wù)年限為6～8個(gè)月，在實(shí)際回采作業(yè)中，回采巷道底鼓往往采用人工放炮拉底的方式進(jìn)行處理，不僅影響采面正常推進(jìn)速度，也給安全生產(chǎn)帶來不利影響。

針對(duì)官地礦綜采工作面，建立回采巷道薄板底鼓力學(xué)模型并理論分析了底板巖層的撓度與承載力q、巷道底鼓段的長(zhǎng)寬比b/a以及底板巖層的材料參數(shù)的關(guān)系，提出回采巷道底鼓控制手段，確保綜采工作面回采巷道的正常使用。

1 回采巷道底鼓變形機(jī)理

1.1 回采巷道底鼓力學(xué)模型分析

把底板巖層簡(jiǎn)化為四邊固支板受均布載荷的力學(xué)模型，彈性薄板的幾何特征為：0.012 5<δ/min(a，b)<0.5，并且撓度小于厚度的1/5，稱為小撓度板。假設(shè)底板巖層為彈性小撓度板，根據(jù)彈塑性板殼理論知：四邊固支板受力分析應(yīng)用疊加原理把板受力分解成兩個(gè)部分，受均布載荷q的四邊簡(jiǎn)支板和四邊作用連續(xù)分布彎矩的簡(jiǎn)支板[5-6]，四邊固支板力學(xué)模型見圖1，以模型中心為原點(diǎn)，分別建立x、y軸。

矩形板四邊連續(xù)分布彎矩為：Mx、My展開成三角函數(shù)級(jí)數(shù)有：

圖1 均布載荷作用下四邊固支板力學(xué)模型圖

(1)

式中：

Em，F(xiàn)n—待定系數(shù)；

a—底鼓段巷道寬度，m；

b—巷道軸向底鼓段長(zhǎng)度，m.

假設(shè)四邊固支板的彎曲面方程為：

(2)

式中：

Amn—待定系數(shù)，可根據(jù)虛功原理進(jìn)行求解。

四邊固支板的邊界條件為：

(3)

利用虛功原理及廣義胡克定律，可解得四邊固支板的彎曲面方程為：

(4)

式中：

h—模型厚度。

由于該方程求解較復(fù)雜，此處假設(shè)矩形板為正方形板，因此四條邊上的彎矩分布相同，即Em=Fn，只考慮E1、E3、E5、E7等4個(gè)基本系數(shù)，利用Matlab進(jìn)行求解多項(xiàng)式，求解得出E1=0.372 2K，E3=-0.038 0K，E5=-0.017 8K，E7=-0.008 5K，把近似得到的值代入式(1)，可得到正方形板邊中點(diǎn)彎矩和中心撓度表達(dá)式：

(5)

式中：

E—材料彈性模量，MPa.

從式(5)可以看出，當(dāng)巷道寬度一定時(shí)，底板巖層的撓度與承載力q、巷道底鼓段的長(zhǎng)寬比b/a以及底板巖層的材料參數(shù)等有密切關(guān)系，即巷道底鼓變形與承載力q成正比關(guān)系，與底板巖石彈性模量和厚度成反比關(guān)系。

1.2 回采巷道底鼓變形控制技術(shù)

根據(jù)理論分析結(jié)果可知，受采場(chǎng)采動(dòng)影響，當(dāng)兩巷超前段底板深部巖層作用在上部巖層上的合力q增加時(shí)，薄板模型中心點(diǎn)的彎矩和撓度也隨之增長(zhǎng)。因此，對(duì)回采巷道底鼓的控制可以從這一點(diǎn)進(jìn)行考慮，針對(duì)性地提出控制手段。目前，回采巷道在開挖后，支護(hù)范圍為頂幫，底板為自由面，導(dǎo)致兩幫底角的壓力傳遞至底板，增加了合力q，由于底板未進(jìn)行任何支護(hù)，最終導(dǎo)致底板變形量不斷增大，影響正常生產(chǎn)。

基于此理論，提出回采巷道底鼓變形控制技術(shù)，其基本原理是給底板巖層施加一定支護(hù)反力，減少巷道底板深部巖層作用在上部巖層上的合力q，防止底板巖層向上撓曲變形。具體手段為結(jié)合回采巷道的斷面呈現(xiàn)、推進(jìn)速度、底鼓量等，提出在巷道底鼓段超前加打反底梁的控制技術(shù)。

該控制技術(shù)具體施工工藝如下：

1)在原支護(hù)中間加打一梁三柱單體工字鋼棚反底梁；采用底梁?jiǎn)误w倒置的方法進(jìn)行鋪設(shè)。底梁使用與巷道寬度匹配的工字鋼梁，梁上加焊單體柱窩，中間柱窩距梁端不小于0.8 m，以保證行人通道暢通，單體初撐力不低于煤礦安全規(guī)程要求。

2)作業(yè)前，將施工段底板平整，確保鋼梁與底板接底嚴(yán)實(shí)。

3)鋪設(shè)好底梁后，先加打中間柱，然后在梁兩端加設(shè)單體，單體頭朝下卡住工字鋼柱窩，單體必須穿柱鞋，柱底朝上垂直頂板，柱鞋檐長(zhǎng)不少于50 mm.

4)棚梁架設(shè)完成后，必須加設(shè)軟硬連接，防止倒柱傷人。

5)棚梁距轉(zhuǎn)載機(jī)頭5 m范圍內(nèi)進(jìn)行回撤，回撤棚梁循環(huán)架設(shè)。

6)單體尾部必須加設(shè)柱帽，增加單體受力面積，防止單體滑倒傷人。柱帽必須用8#鐵絲與頂網(wǎng)連接，防止掉落傷人。

通過加套一梁三柱反底梁，可有效控制回采巷道底鼓變形，且操作簡(jiǎn)易，成本低，安全可靠。

2 工程應(yīng)用

官地礦33415綜采工作面位于北四新區(qū)東南部，工作面西南部為33413工作面(采空區(qū))，西北部為未采區(qū)，切眼外側(cè)為未采區(qū)，工作面上部為22425、22427工作面采空區(qū)及刀柱式采空區(qū)，工作面標(biāo)高為1 071～1 112 m，所采水平為1 051 m，蓋山厚度231～380 m.

在工作面回采過程中，礦壓觀測(cè)表明，正巷順槽270～300 m處底鼓量明顯，為保證轉(zhuǎn)載機(jī)及電纜平臺(tái)順利拉移，不影響安全生產(chǎn)，制定專項(xiàng)安全技術(shù)措施，在該段加套反底梁20架，棚距為1 m，在期間等距布置1#、2#、3#三個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距為5 m，每?jī)商焓褂檬植键c(diǎn)法對(duì)巷道變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)點(diǎn)布置見圖2.

圖2 “十字”布點(diǎn)法(面向采空區(qū))示意圖

通過對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)加套反底梁前后巷道收斂量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析比較，得出布設(shè)測(cè)點(diǎn)在加固前后底鼓量變形曲線圖,見圖3.

圖3 布設(shè)測(cè)點(diǎn)在加固前后底鼓量變形曲線圖

從圖3可以得出：

1)未打設(shè)反底梁前，隨工作面的推進(jìn)，不同測(cè)點(diǎn)的底鼓量均呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)形式，最大變形量達(dá)到480 m，占頂?shù)装逡平康?5%，此時(shí)巷道變形劇烈，必須進(jìn)行整巷后方可繼續(xù)生產(chǎn)，且越靠近工作面，受采動(dòng)影響越明顯，底鼓量也越大。

2)打設(shè)反底梁后，隨工作面的推進(jìn)，底鼓量仍呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，但不同測(cè)點(diǎn)的底鼓量均大幅降低，最大變形量為210 m，僅為打設(shè)反底梁前的31.8%.

3)施工反底梁后，圍巖整體力學(xué)性能得到改善，頂板下沉量由前20天的160 m降低至后20天的49 m，減少了69%；兩幫移近量由前20天的131 m降低至后20天的96 m，減少了26.7%.推進(jìn)至底鼓段3 m時(shí)，巷道最終高度2.73 m，不需拉底，兩幫未進(jìn)行擴(kuò)刷，能夠滿足綜合機(jī)械化采煤的要求。

3 結(jié) 論

1)提出回采巷道薄板底鼓力學(xué)模型并進(jìn)行理論分析，得出底鼓量變形方程，并分析了底板巖層的撓度與承載力q、巷道底鼓段的長(zhǎng)寬比b/a以及底板巖層材料參數(shù)的關(guān)系，即巷道底鼓變形與承載力q成正比關(guān)系，與底板巖石彈性模量和厚度成反比關(guān)系。

2)基于理論分析提出回采巷道底鼓變形控制技術(shù)，采用在巷道底鼓段超前加打反底梁的支護(hù)手段。

3)該控制技術(shù)在官地礦33415綜采工作面成功應(yīng)用。觀測(cè)結(jié)果表明，反底梁支護(hù)對(duì)回采巷道底鼓控制可靠有效，巷道滿足使用要求，減少了對(duì)底鼓地段拉底造成的人力、物力的投入，同時(shí)反底梁的打設(shè)改善了巷道圍巖的整體力學(xué)性能，減少了兩幫和頂板變形量。