孤島工作面巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)研究

朱正東

(霍州煤電集團(tuán)，山西 呂梁 033100)

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采向深部發(fā)展，巷道圍巖應(yīng)力狀況進(jìn)一步惡化，圍巖破壞情況也日益嚴(yán)重。受各種因素影響，巷道圍巖破壞形式多樣，而當(dāng)?shù)装鍨檐浫鯉r層或受高應(yīng)力時(shí)，圍巖尤其是底板變形將會(huì)更加劇烈顯著。巷道底鼔是一個(gè)極其復(fù)雜的物理、力學(xué)過(guò)程，與巷道圍巖性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)及維護(hù)方式密切相關(guān)。采動(dòng)影響下的巷道底鼓尤為常見(jiàn)和突出，約占巷道頂?shù)装逦灰屏康?2/3～3/4，嚴(yán)重制約著礦井的高產(chǎn)高效。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在底鼓機(jī)理及防治技術(shù)方面取得了大量的理論成果并積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為巷道底鼓防治提供了重要的指導(dǎo)和參考。侯朝炯[1]通過(guò)加固底板和巷道幫角控制底鼓,采用合理的一次支護(hù)和二次支護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。孫利輝[2]等人通過(guò)巷道原支護(hù)和底鼓治理方案相似模擬試驗(yàn),提出了巷道底板錨索束+底板深淺注漿的治理方案。楊軍[3]等人根據(jù)錨桿控制巷道底鼓力學(xué)分析模型，從有效切斷底板塑性滑移線(xiàn)和有效分解力的作用兩方面，對(duì)底角錨桿控制底鼓的作用機(jī)理進(jìn)行力學(xué)分析，研究特性錨桿解決巷道底鼓問(wèn)題。

但是，不同地質(zhì)條件下不同巷道底鼓的產(chǎn)生都有其區(qū)別于其它底鼓的明顯特征。筆者通過(guò)對(duì)龐龐塔礦底鼓區(qū)域巷道圍巖巖性分析，采用Flac3D軟件對(duì)現(xiàn)有支護(hù)條件及各控制方案分別進(jìn)行模擬分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析驗(yàn)證。

1 巷道圍巖強(qiáng)度分析

采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置，對(duì)龐龐塔礦易發(fā)生底鼓區(qū)域的巷道內(nèi)選取兩點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，在窺視鉆孔內(nèi)對(duì)巷道頂板10 m范圍煤巖層的強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試；巷道內(nèi)選取5點(diǎn)，采集底板巖樣進(jìn)行點(diǎn)載荷試驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理后，見(jiàn)圖1，圖2，表1.

圖1 第1測(cè)點(diǎn)頂板10 m范圍煤巖體強(qiáng)度分布圖

由圖1，2可知，煤體強(qiáng)度平均值為15.21 MPa.

圖2 第2測(cè)點(diǎn)頂板10 m范圍煤巖體強(qiáng)度分布圖

試樣編號(hào)試樣規(guī)格/cm點(diǎn)載荷強(qiáng)度/MPa110×8×634.428×8×539.1639×6×628.51412×10×523.36511×8×736.32

3.2～4.0 m為泥巖，巖層強(qiáng)度平均值為40.21 MPa.4.0～5.8 m為砂質(zhì)泥巖，巖層強(qiáng)度平均值為56.22 MPa. 5.8～10 m為砂質(zhì)泥巖，中間有粉砂巖及細(xì)砂巖夾層，巖層強(qiáng)度平均值為65.20 MPa. 由表1可知，底板強(qiáng)度平均值為32.35 MPa.

2 巷道底鼓機(jī)理分析

2.1 試驗(yàn)工作面基本情況

試驗(yàn)工作面位于礦井的一采區(qū)，工作面全長(zhǎng)1 292 m，寬160 m左右，為南北向布置，為5#煤采區(qū)，煤層厚度為5.5～6.3 m，屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤層產(chǎn)狀為：走向SN，傾向EW，傾角平均為19°. 109、105、103和101工作面都已回采完畢，兩側(cè)都將為采空區(qū)，即為孤島工作面，見(jiàn)圖3.

圖3 工作面四鄰關(guān)系圖

2.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，建立對(duì)應(yīng)的FLAC3D數(shù)值模型，模型中巖、煤層傾斜20°，109工作面長(zhǎng)度170 m，105工作面長(zhǎng)度170 m，1071巷與109工作面的煤柱尺寸30 m，1072巷和105工作面的煤柱尺寸25 m，兩側(cè)分別留65 m、60 m的邊界，模型中巖、煤層傾斜總長(zhǎng)度為700 m. 模型尺寸為658 m×200 m×270 m，劃分為275 680個(gè)單元，286 243個(gè)節(jié)點(diǎn)。分別對(duì)巷道在掘進(jìn)和回采期間應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析。

1) 巷道掘進(jìn)期間應(yīng)力分析及變形情況。

結(jié)合礦井實(shí)際情況，模擬時(shí)先開(kāi)挖臨近工作面，再開(kāi)挖巷道，模擬結(jié)果見(jiàn)圖4.巷道開(kāi)挖前后圍巖垂直應(yīng)力分布曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖5.

圖4 巷道開(kāi)挖后頂?shù)装搴蛢蓭鸵平吭茍D

圖5 巷道開(kāi)挖前后圍巖垂直應(yīng)力分布曲線(xiàn)圖

從圖4可知：巷道頂板下沉量峰值集中在頂板右側(cè)，最大位移量達(dá)到158 mm，巷道底鼓量峰值集中在底板的左側(cè)，最大鼓出量達(dá)到296 mm，底鼓量最大；煤柱側(cè)幫巷道水平位移的峰值集中在巷幫的中部，煤柱側(cè)幫最大移出量達(dá)到133 mm，工作面?zhèn)葞拖锏浪轿灰频姆逯导性谙飵偷闹胁浚ぷ髅鎮(zhèn)葞妥畲笠瞥隽窟_(dá)到46 mm，煤柱側(cè)幫的移出量最大。

臨近工作面開(kāi)挖后，再開(kāi)挖巷道，煤柱側(cè)幫的垂直應(yīng)力35 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.09；107工作面?zhèn)葞偷拇怪睉?yīng)力35 MPa，應(yīng)力峰值位置距離巷道幫部4.0 m，應(yīng)力集中系數(shù)2.09.

煤柱側(cè)的應(yīng)力集中程度與工作面?zhèn)鹊膽?yīng)力集中程度相差不大，在較高的垂直應(yīng)力影響下，巷道側(cè)幫會(huì)發(fā)生較大的變形，因此，需要通過(guò)打錨索加強(qiáng)支護(hù)。

2) 巷道回采期間應(yīng)力分析及變形情況。

巷道掘進(jìn)完成后，對(duì)工作面進(jìn)行回采，回采長(zhǎng)度50 m，分別分析超前支承壓力分布情況、巷道側(cè)向支承壓力分布情況、超前影響范圍內(nèi)巷道的頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟浚ㄟ^(guò)以上分析，判斷支護(hù)強(qiáng)度能否滿(mǎn)足控制圍巖變形的需要。垂直應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6.

圖6 垂直應(yīng)力分布云圖

回采后，工作面前方100 m范圍內(nèi)的超前支承壓力見(jiàn)圖7，在超前工作面前方13 m處，超前支承壓力最大，為49 MPa，此處原始垂直應(yīng)力為16 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3，超前影響范圍約為25 m.

圖7 超前支承壓力分布特征曲線(xiàn)圖

工作面開(kāi)挖后，回采面前方5 m處巷道側(cè)向支承壓力分布情況見(jiàn)圖8，圍巖垂直應(yīng)力分布見(jiàn)圖9.距巷道煤柱幫50 m處，側(cè)向支承壓力峰值60 MPa，距煤柱幫10 m處，側(cè)向支承壓力峰值55 MPa. 側(cè)向支承壓力遠(yuǎn)大于超前支承壓力。煤柱中部支承壓力值在45 MPa以上，煤柱所受的應(yīng)力值較大，比巷道掘進(jìn)期間所受側(cè)向壓力高，一定要保證支護(hù)施工質(zhì)量，保證煤柱的完整性，防止回采擾動(dòng)導(dǎo)致幫部產(chǎn)生大面積破壞。

圖8 距離工作面5 m 處垂直應(yīng)力分布圖

圖9 5 m處巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖

超前100 m范圍內(nèi)，1071巷的底鼓量分布特征見(jiàn)圖10，按照底鼓量增速大小可分為4個(gè)階段：在超前40 m處底鼓量開(kāi)始出現(xiàn)變化，增加量很小；在超前40～20 m內(nèi)底板底鼓量增加幅度有所增加；在超前20～7 m內(nèi)底板底鼓量增加速度最快；在7～0 m內(nèi)增加速度放緩。在回采工作面處巷道底鼓量為425 mm.

圖10 巷道距107回采工作面不同距離下底鼓量曲線(xiàn)圖

3 回采巷道底鼓泄壓治理技術(shù)

經(jīng)過(guò)對(duì)巷道受力及變形的觀測(cè)和理論分析，得出該區(qū)域巷道底鼓屬于典型的擠壓流動(dòng)性底鼓，其底鼓的主要因素是二次動(dòng)壓造成的。根據(jù)龐龐塔煤礦埋藏深、應(yīng)力高、底鼓量大、需求的補(bǔ)償空間較大和 3種應(yīng)變控制方案的適用條件，推薦采用底板開(kāi)挖卸壓槽釋放壓力方式來(lái)維護(hù)巷道。

3.1 卸壓槽槽寬

巷道寬5.0 m，高3.5 m，因此槽寬H不宜過(guò)大也不能太小。H過(guò)大，底板經(jīng)破碎動(dòng)作的震動(dòng)后松散，承受側(cè)壓能力降低，影響穩(wěn)定性和巷道的安全使用；H過(guò)小，則卸壓效果不理想。根據(jù)應(yīng)力控制理論，卸壓槽寬度一般情況為 50～60 cm，考慮龐龐塔煤礦底板巖層強(qiáng)度較低，卸壓槽寬度需要適當(dāng)增加，在工程實(shí)踐中取H為0.6 m.

3.2 卸壓槽槽深

槽深直接影響著卸壓效果，也是影響巷道底板穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。若槽深L過(guò)淺，開(kāi)掘的卸壓槽將起不到消除應(yīng)力的作用，因此本次設(shè)計(jì)開(kāi)槽深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11.

圖11 底板卸壓巷道圍巖垂直位移云圖

從圖11可以看出，開(kāi)設(shè)卸壓槽后，巷道底板巖體向卸壓槽內(nèi)擠壓，導(dǎo)致卸壓槽有閉合趨勢(shì)。開(kāi)槽深度的加大，使支承壓力峰值向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)；另外，沿卸壓槽方向的巷道變形量減少，而垂直卸壓槽方向的巷道變形量增大。原因是此時(shí)垂直卸壓槽方向的巷道變形除了因圍巖破裂在該方向產(chǎn)生的變形外，還有因卸壓槽受壓后逐漸閉合而產(chǎn)生的變形。

圖12 巷道支護(hù)斷面及卸壓示意圖

4 工程試驗(yàn)

試驗(yàn)工作巷道斷面為矩形，巷凈寬5.0 m，高3.5 m，凈斷面17.5 m2，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道支護(hù)斷面及卸壓示意圖見(jiàn)圖12. 結(jié)合數(shù)值模擬分析，進(jìn)行開(kāi)槽卸壓試驗(yàn)，在巷道內(nèi)選取3個(gè)試驗(yàn)段，每段間隔20 m，每段巷道試驗(yàn)長(zhǎng)度30 m，開(kāi)槽寬度為0.6 m，開(kāi)槽深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m. 對(duì)巷道底鼓變形情況進(jìn)行觀測(cè)，時(shí)間為6個(gè)月。不同試驗(yàn)段巷道最大底鼓量觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)圖13. 由圖13可以看出：

圖13 巷道底鼓量和兩幫位移量曲線(xiàn)圖

1) 不采取開(kāi)槽卸壓技術(shù)時(shí)，巷道最大底鼓量453 mm，卸壓槽深度0.5 m、1.0 m、1.5 m對(duì)應(yīng)的最大底鼓量分別為 342 mm、250 mm、189 mm，即采取開(kāi)槽卸壓技術(shù)后，巷道底鼓能夠得到有效控制，且隨著卸壓槽深度增加，最大底鼓量逐漸減小，但開(kāi)槽深度的增加也會(huì)增加施工的難度，因此，深度不宜過(guò)大。

2) 卸壓槽深度 0.5 m、1.0 m、1.5 m對(duì)應(yīng)的兩幫位移量分別為183 mm、150 mm、173 mm，即隨著卸壓槽深度增加，兩幫位移量變化不大，規(guī)律不明顯。

5 結(jié) 論

1) 巷道底鼓變形受多方面因素影響，應(yīng)綜合分析巷道圍巖特性及巷道所處的采動(dòng)環(huán)境，選用合理的治理技術(shù)。

2) 開(kāi)槽卸壓技術(shù)可以有效控制孤島工作面應(yīng)力集中區(qū)巷道底鼓變形。采用開(kāi)槽深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m對(duì)應(yīng)的最大底鼓量分別為 342 mm、250 mm、189 mm，可將底鼓變形量降低到50%左右。

3) 隨開(kāi)槽深度的增大，底板應(yīng)力集中區(qū)向圍巖深部移動(dòng)，巷道底鼓量逐漸減小，但也要考慮到開(kāi)槽深度對(duì)施工的影響，深度越大施工難度越大。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 侯朝炯.深部巷道圍巖控制的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,46(5)：970-978.

[2] 孫利輝. 深部軟巖巷道底鼓機(jī)理與治理試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2017，34(2)：235-242.

[3] 楊 軍，石海洋，齊 干.巷道底角錨桿控制底鼓機(jī)理及選型試驗(yàn)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016,33(4)：643-648.