深部巷道底鼓機理與控制技術(shù)

楊紅宇

(山西保利裕豐煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100)

隨著煤炭開采行業(yè)的發(fā)展，開采活動逐步向深部轉(zhuǎn)移，圍巖地應力的增加，使巷道支護難度及破壞程度也不斷增加，底鼓作為巷道經(jīng)常發(fā)生的動力現(xiàn)象之一［1］，會使巷道斷面縮小，給運輸、通風和人員行走等帶來一定的困難。因底鼓造成的巷道報廢現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重影響安全生產(chǎn)，故對深部巷道底鼓進行有效控制成為亟待解決的技術(shù)難題。

1 巷道底鼓的機理

從巷道底板所處的地質(zhì)條件、圍巖特征及地應力3方面考慮，可以將底鼓機理概括為以下幾種類型［2－4］:

1.1 擠壓流動型

直接底板為破碎軟弱巖層，且強度相對于兩幫和頂板明顯較小時，容易發(fā)生擠壓流動型底鼓。

此類巷道底鼓破壞表現(xiàn)為流狀態(tài)的凸起，且與巷道圍巖體的應變軟化區(qū)即松動圈關(guān)系密切。在松動圈范圍內(nèi)，圍巖呈破碎狀態(tài)且節(jié)理裂隙隨機分布而沒有明顯的優(yōu)勢方向。巷道圍巖發(fā)生流狀型破壞就是由松動圈范圍內(nèi)的薄弱圍巖導致的。

1.2 撓曲褶皺型

在中硬層狀巖體的條件下，巷道底板很可能發(fā)生撓曲褶皺型底鼓。因為方向和節(jié)理垂直的3條主要裂紋的存在，使原本較為完整的巖層斷裂形成鉸接結(jié)構(gòu)，由此導致底板巖層向巷道內(nèi)部凸出，從而發(fā)生底鼓破壞。

1.3 剪切錯動型

巷道直接底的巖性和厚度是判斷巷道是否發(fā)生剪切錯動型底鼓的重要因素。當巖性為厚層巖體，且相對厚度超過巷寬1/3時，在一定應力條件下，厚巖層易發(fā)生剪切破壞，使巖層被切割成破壞楔塊而鼓起。

1.4 遇水膨脹型

一般的巷道圍巖在遇水后，導致圍巖強度變小，體積并不會有較大變化。對于一些具有膨脹性的特殊黏土層來說，如伊利石、蒙脫石，其浸水后巖體體積將嚴重增加，此種情況下，這類圍巖將發(fā)生膨脹性底鼓。

2 巷道底鼓的控制技術(shù)

控制巷道底鼓的技術(shù)，主要可分為防止和清除兩大類型。由于清除底鼓不僅耗費時間、資金和人力，而且不能從根本上治理巷道底鼓，給礦井的正常安全生產(chǎn)帶來嚴重影響［5－7］。故應從根本上采取措施來控制巷道底鼓。

2.1 加固法

目前，防治底鼓最常用的是加固法。此法通過提高對巷道底板的支護強度及其自身的強度來實現(xiàn)控制底鼓的目的。

采用砌筑底拱、砌暄、底板衍架、全封閉式巷道支架等方式可提高巷道底部的支護強度;采用安裝底板錨桿、注漿或反拱支護的方式可增強底部圍巖強度;還可通過采用錨網(wǎng)全封閉混凝土、噴網(wǎng)全封閉金屬可縮性支架、全封閉錨噴等聯(lián)合支護方式來控制底鼓。

2.2 卸壓法

目前，防治底鼓較為廣泛使用的是卸壓法。此法通過將巷道圍巖的應力向深部轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)控制底鼓的目的。

對于撓曲褶皺型底鼓可采用切縫卸壓的方式;對于圍巖巖性較硬且應力集中系數(shù)大的底鼓類型，可采用松動爆破或在底板中部打鉆孔的卸壓方式;除此之外，也可采用在底鼓巷道附近新開保護巷道的方式，以降低被保護巷道底板的應力，從而達到控制底鼓的目的。

2.3 聯(lián)合法

將加固法和卸壓法聯(lián)合使用進行底鼓防治的方法稱為聯(lián)合法［8］。加固措施的作用是使圍巖的自承能力增強或提高外部的支護力;卸壓措施的作用是使應力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。這種方法較為適用于應力集中系數(shù)大，底鼓相對嚴重的巷道。

2.4 對巷道幫部、底角進行加固

當巷道的應力集中程度過高，且圍巖兩幫及底角的自承能力偏弱時，可以采用在巷道幫部和底角位置注漿、安裝錨桿的方法進行加固。此方法還能減少因兩幫破壞而導致的頂板下沉。因此，也能在一定程度上減少巷道底鼓量。

3 工程實例

3.1 工程概況

東海煤礦五采區(qū)32#煤層左十二副巷，開采深度達到1 160 m，所在煤層傾角 13°～ 15°，層厚 1.5 m，煤層柱狀圖見圖1。巷道圍巖變形嚴重，特別是巷道底鼓后引起兩幫變形量大，嚴重影響正常安全生產(chǎn)。巷道開挖短期內(nèi)底鼓達到1 000 mm以上，甚至出現(xiàn)前掘后臥底的情況?；夭蛇^程中巷道底鼓現(xiàn)象嚴重，不能進行正常的生產(chǎn)，而且巷道維護費用高，需要投入大量的人力物力，嚴重影響煤礦的經(jīng)濟效益。

圖1 32#煤層頂?shù)装逯鶢顖D

在地質(zhì)力學調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合該礦高瓦斯的實際情況進行分析，可利用32#煤層左十二回風的專用排瓦斯尾巷作為卸壓巷道，并結(jié)合底板錨固的方式達到控制巷道圍巖變形的目的，特別是巷道底鼓問題。

3.2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

為研究深部回采工作面周圍煤體的應力分布規(guī)律、對回采巷道的影響及與開采之間的關(guān)系，依據(jù)該礦195采煤工作面實際情況建立有限模型。模型長120 m、寬度取200 m，厚度取72 m。巷道寬3.0 m，左十二副巷與卸壓巷道(排瓦斯尾巷)間距5 m，瓦斯尾巷與采空區(qū)之間煤柱寬5 m，相關(guān)力學參數(shù)見表1。模型圖及底板mises應力分布規(guī)律部分數(shù)值模擬圖見圖2，圖3。

表1 32#煤層力學性能參數(shù)表

由圖2，圖3可知，左十二副巷以外、靠近瓦斯尾巷位置為應力集中區(qū)，頂板垂直應力和水平應力峰值均出現(xiàn)在兩巷間煤柱中部偏上位置，頂板下沉量由采空區(qū)至煤體內(nèi)逐漸降低?；仫L巷支護時應充分考慮巷道靠近上幫外頂板支護及上幫的支護。

圖2 分析模型圖

圖3 底板mises應力分布規(guī)律部分數(shù)值模擬圖

左十二副巷底板靠近瓦斯尾巷側(cè)處于水平應力和垂直應力峰值區(qū)，且圍巖水平變形量及豎直變形量在這個位置也處于峰值區(qū)。因此，在圍巖水平力及豎直力的作用下，此處的巷道底板和上幫變形破壞程度也會很大，需要對底板及上幫加強支護，該巷道下幫也處于大變形區(qū)間，對其支護也應著重考慮。

3.3 巷道底錨支護方案

卸壓巷與回風巷均采用矩形斷面，掘進寬度3.8 m。兩條巷道均采用錨桿+錨索及網(wǎng)鋼帶聯(lián)合支護，支護參數(shù)相同，僅是卸壓巷道沒有進行巷道底錨工作。

1)卸壓巷道相關(guān)參數(shù)。

經(jīng)理論分析與數(shù)值模擬可知，卸壓巷道寬度d，支承煤柱寬度Lu及讓壓煤柱的寬度Ln等3個基本參數(shù)的合理選取是卸壓巷取得預期效果的關(guān)鍵。

卸壓巷道寬度:d=3.8 m。

支承煤柱寬度:卸壓巷道應該在煤壁側(cè)支撐壓力的峰值附近，才能達到卸壓的目的。根據(jù)東海煤礦巖石力學測試參數(shù)與開采條件，采空區(qū)煤柱側(cè)塑性寬度R為6.7 m左右，但是考慮到煤柱損失及防止沖擊地壓的發(fā)生，承載煤柱寬度Lu取5.0 m?；仫L巷道受到一定的支撐壓力影響，使承載煤柱處在塑性范圍內(nèi)，降低沖擊地壓發(fā)生的可能性。

讓壓煤柱寬度:根據(jù)理論分析，讓壓煤柱的寬度為6.2 m，為防止沖擊地壓發(fā)生，不能大于6.2 mm。綜合考慮實際生產(chǎn)條件，讓壓煤柱寬度Ln確定為5.0 m。

2)底鼓巷道支護參數(shù)。

底板:將巷道底板由水平設(shè)計改為弧形設(shè)計，目的是為改變底板受力狀態(tài)，同時也為處理底板錨桿與錨索外露部分留有空間。弧形半徑為6 167 mm，實際施工中以底板中心低于兩幫幫底300 mm為準。

底角:為避免底角處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，對兩底角做圓弧處理，圓弧半徑為300 mm。

兩幫:兩幫最下部管縫錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿長度為2 200 mm，與水平方向呈20°夾角，距巷道底板400 mm，樹脂藥卷為2卷，錨固長度為700 mm。兩幫上部采用錨索支護，采用長度3 000 mm鋼絞線，樹脂藥卷為3卷，錨固長度為1 050 mm，與水平保持45°夾角，目的是為增加懸吊作用，減少頂板對幫的作用力，同時也使應力向深部轉(zhuǎn)移。

底錨:采用d22 mm左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿長度為2 200 mm，樹脂藥卷為2卷，錨固長度為700 mm，錨桿外端距巷幫500 mm，錨桿垂直打設(shè)。巷道底板中部采用長度3 600 mm錨索，樹脂藥卷為3卷，錨固長度為1 050 mm。同時加掛橫向連接錨桿、錨索鋼筋梯帶，間、排距為1 000 mm，完成之后對底部進行充填，見圖4(錨桿、錨索托盤使用大托盤)。

圖4 控底支護參數(shù)設(shè)計圖

3.4 效果監(jiān)測

采用上述方案對底板錨桿進行加固，在施工完成后設(shè)立了2個礦壓觀測站，監(jiān)測該控制技術(shù)對底鼓的控制效果并進行了記錄。從監(jiān)測結(jié)果可知:從監(jiān)測之日起10 d之內(nèi)，底鼓量約達到46 mm;30～90 d，底鼓量約增加到116 mm;90～150 d，底鼓量約增加到128 mm，之后基本保持不變。由此可見，該加固方案提高了底板巖層的整體性和承載能力，有效地控制了深部高應力巷道的底鼓量，同時兩幫的收縮量也明顯減少，保證了巷道的穩(wěn)定和礦井的正常安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1)底板錨桿能有效控制深部回采巷道底板變形，且施工工藝簡單，成本低，與其它支護方法相比更容易被現(xiàn)場接受。

2)數(shù)值模擬及工程實踐表明，巷道開挖后及時加固巷道軟弱的幫、角圍巖，能有效控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展和松動破裂圍巖的體積膨脹。采用卸壓巷道+底角錨索+底角錨桿支護相結(jié)合的技術(shù)，不僅能控制巷道兩幫圍巖收縮，也能控制巷道底鼓，從整體上改善了圍巖應力狀況。

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