回采工作面巷道底鼓機理與防治分析

劉利平（開灤錢家營礦業分公司，河北　唐山　063301）

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回采工作面巷道底鼓機理與防治分析

劉利平
（開灤錢家營礦業分公司，河北唐山063301）

摘要：本文簡要概述了礦井巷道底鼓對回采過程造成的影響和威脅，參照錢家營礦的實際情況并以動壓巷道的底鼓機理為研究的原理基礎，最終提出控制底鼓的措施，不僅可以解決現場生產的難題，而且也更加豐富了動壓巷道控制方面的理論，這對煤礦高效生產有重大意義。

關鍵詞：現狀分析；技術研究；預防措施；重大意義

井下巷道中，回采工作面的上下順槽的圍巖條件及應力分布最為復雜，由于底板的相對軟弱和超前壓力的作用，底鼓現象在回采工作面普遍發生。綜合機械化采煤工作面的巷道，由于巷道斷面積大、工作面長度大、推進速度快的特點，能否從根本上控制底鼓維護巷道，對提高煤礦的產量和效率有著現實意義。

一、項目研究現狀

工作面位置：

錢營礦1692回綜采工作面地面位置位于東黃各莊西北340m，地面有農田、溫室、低壓線路和少量溝渠。這一工作面的位置在井田西翼六采區的9煤層，且與該工作面同煤層的傾斜上方1691東工作面以經被采畢，而其傾斜下方卻暫未進行設計工程，其工作面西是1692東回風及運料邊眼；其工作面上的覆8煤層中1683東工作面也已經被采畢，但1682東的設計工作面還未掘；其上覆的7煤層1672東以及1673東工作面也已被采畢；除上述之外，已暫無其他的工程。

二、項目研究過程和研究方法

1.數值模擬計算方法

本次計算研究使用拉格朗日有限差分的方法，有限差分法是最古老的用以驗算微分方程組的給定初值及邊值的一種數值方法。伴隨著計算機技術的迅猛發展，具有獨特計算風格及計算流程的有限差分法在數值方法家族中尤為突出，并應用在科學領域的許多復雜問題的計算分析中。

有限差分法的基本方程組及邊界條件（通常是微分方程）也可類似用差分方程（也成為代數方程）表示，可由空間離散點的場變量（即：應力、位移）的代數表達式來進行代替。該變量在單元內不是確定的，因此求解微分方程要變成求解代數方程。與此相反，有限元法要求場變量（即：應力，位移）于每一個單元內依據一些特殊的參數控制方程進行變化，如圖1所示。

圖1有限差分網格劃分

2.模型設計原則

數值分析首先需要建立數學和力學模型，模型設計是獲得準確結果的前提條件。模型設計的原則：

（1）綜采大斷面巷道底板變形破壞的影響因素有許多，其中自然巖體是一個復雜且多變因素。在模型被設計之初，不可能考慮到所有的影響因素，但必須考慮的是數值的分析需要合理抽象及概化。所以，模型設計必須重點考慮主要因素，并盡可能多地考慮其他次要因素。

（2）模型是實體的簡化，但不是真正的實體。設計模型時，需要很好地反映出材料的物理力學性能，例如材料的不均勻性、不連續性、各向異性以及弱面影響等。

（3）在實際中，因為地下工程是半無限域，而數值模擬只能在有限范圍進行。因此設計模型時，要考慮邊界效應并選擇合適的邊界條件。

（4）所有地下工程問題都具有時空特性，設計模型時要考慮時間因素，以模擬實際工程中的應力應變情況。

（5）數值計算的便利性是設計模型應考慮到的，與此同時也一定要考慮計算機的內存以及處理的速度。

3.數值計算模型的建立

計算采用的巖體力學模型為摩爾—庫倫模型，此模型適合于理想的彈性、塑性體巖石的研究，適合于本工程對回采巷道力學行為的研究。依據巷道的實際狀況，建立數值模型主要有：

矩形巷道，巷道寬5.2m，巷道高3.5m。采用規格為：φ22×2400mm且左旋無縱筋螺紋鋼的頂錨桿，其托盤的規格為150mm×150mm×10mm。幫錨桿用規格為φ18×1700mm的圓鋼錨桿，其托盤規格為200mm×200mm×10mm。而錨索采用規格為φ17.8×7300mm的七芯鋼絞線，其托盤規格為250×250×10mm，另外再增加規格是150mm×150mm× 10mm的改型托盤。鋼帶采用φ12× 4600mm。另外在頂板以及幫部的穩定段，設立頂錨桿的間排距是：900mm× 900mm，且每排6根，另外最外面一根錨桿與幫的距離是：350mm，并且在每排的錨桿上增加一根鋼帶，鋼帶規格為φ12×4600mm；幫錨桿，每幫每排布置3根。而最上面一根需打在頂網與幫網相搭接的地方，同樣在中間一排需打在幫網的搭接處，且下一根需要壓住幫網下邊緣進行布置，其間排距具體是1200×900mm。另外錨索的雙排布置如下：應各布置一根于巷道的正中線的兩邊1.0m處，其排距是：2700mm，而其間排距是：2000mm×2700mm，同時外露長度要小于300mm。

數值模擬簡圖如圖2所示。

4.模型邊界條件的確定

當模擬無限體（井下巷道）時，因為計算機內存和計算時間的限制，不可能對整個物體進行單元劃分。人工邊界應保證足夠遠的距離，且不會對模擬巖層行為造成較大的影響。模型邊界的遠近，對于邊界區域進行的應力、位移計算的誤差有很大影響。為此，合理選擇人工邊界的位置應考慮以下幾點：

（1）固定的邊界導致對應力和位移估計偏低，而對應力邊界估計過高。

（2）巖石的彈塑性行為大多發生在某一切斷距之內，人工邊界只需設在該距離之外，這樣可以避免產生很大的誤差。同時，任何人工邊界不能設置太近，否則，往往會因為塑性流動而造成求解無效。

因此，在進行具體、詳細模型的運算、分析時，應先運行一些邊界位置不同的模型，目的是使邊界效應對所研究模型的影響減到最小。

5.巷道圍巖破壞狀態分析

在圍巖的破壞范圍上，綜采大斷面回采巷道較普通實體煤掘巷要嚴重得多。主要表現在巷道的底板巖層和兩幫煤體破壞深度和分布范圍。在巷道兩幫和底板的左側深部巖層破壞范圍有增大的趨勢。巷道底板下部較深的巖層內部都產生剪破壞。區段保護煤柱的兩端有大部分已進入塑性狀態，由于大結構發生二次回轉及調車硐室的開挖，進而使煤柱邊緣進入破碎狀態，承載能力進一步降低。

三、項目研究結果

綜采工作面回采巷道底鼓防治的數值計算分析表明，在工作面采用寬煤柱護巷條件下，水平應力在巷道頂板上部和底板下部存在著明顯的應力集中，而且底板的應力集中程度要高于頂板，這是造成巷道底鼓量明顯高于頂板下沉量的主要原因。動壓巷道底鼓主要有擠壓流動性底鼓以及撓曲褶皺性底鼓，而發生擠壓流動性底鼓的地質狀況主要為：底板較松軟破碎的動壓巷道內，而發生撓曲褶皺性底鼓的地質狀況主要為：底板呈層狀賦存的動壓巷道內。一般情況下，動壓巷道底鼓為二者的結合。不管是哪一種底鼓形式，動壓巷道的底鼓量主要來自巖體峰后變形。

四、項目展望

隨著我國煤礦開采設備的大型化以及開采效率的不斷提高，對巷道斷面的要求也在不斷地提高。我希望通過對回采工作面的巷道底鼓問題的不斷研究實驗和理論分析，使我們可以對回采巷道底鼓的力學原理有更深入更全面的認識，從而找出更直接更有效的控制措施，從根本上解決回采巷道底鼓所帶來的威脅和影響，為錢家營礦井實現高產高效提供一些參考經驗。

圖2錢家營綜采大斷面回采巷道數值模型

參考文獻

［1］吳玉文，宋選民，歐陽輝.布爾臺礦3-1煤回采巷道底鼓機理分析與防治對策［J］.煤礦開采，2010，15（5）：92-95.

中圖分類號：TD26

文獻標識碼：A