三軟沿空掘巷底鼓機理及治理研究★

褚 福 永

(麗水學院，浙江 麗水 323000)

1 概述

沿空掘巷施工及維護一直以來都是采礦工程領域的研究熱點，其中，巷道底鼓控制是迫切需要解決的技術難題。近幾十年來，國內很多學者針對巷道底鼓的機理和底鼓治理進行了大量研究，并取得一定的成果[1-8]。

如韓磊[1]針對龐龐塔煤礦5-107工作面回采巷道底鼓嚴重這一問題，分析了采動影響下回采巷道底鼓機理，建立了回采巷道受采動影響的底鼓力學模型。同時，通過利用Flac3D數值模擬發現，采用底板開挖卸壓槽的方式控制回采巷道底鼓效果顯著；王鵬等[2]通過對余吾煤業S1202工作面底板受力情況進行分析，得出巷道底板巖層塑性區發展深度公式，并分析了動壓巷道底板變形破壞特征，得出了巷道底板巖層呈非對稱性變形的結論，由此提出合理的底鼓控制技術；包正明等對國投新集劉莊煤礦121102工作面軌道順槽沿空掘巷底板采用底板錨桿加固后發現，底板加固后,減弱了巷道角部應力集中程度并在兩幫和底角強化了圍巖的強度,防止和減少了因底板圍巖塑性變形、粘滯性流動和破裂圍巖體體積膨脹造成的底鼓。

然而，目前針對三軟沿空掘巷底鼓機理及治理的研究還很少。為此，本文利用Flac3D數值模擬的方法，針對某深井三軟煤層，分析底鼓的機理，并采用兩個對比方案(即普通錨桿全斷面支護和普通錨桿全斷面支護+高強錨桿底板支護)，并根據分析結果確定了合理的支護方式，為類似工程提供了參考。

2 計算模型與計算參數

本次計算的煤層為某三軟煤層，其埋深為500 m，煤層傾角14°，煤厚5 m，沿工作面走向方向進行開采。模型總長140 m，工作面的走向長度120 m，高度87 m，巷道長4 m，寬3.4 m。

上區段工作面開挖和巷道開挖后的三維有限差分網格如圖1所示。這里需要指出的是，為增強計算的精確性，巷道左右10 m的范圍內進行了加密，單元格間距為0.5 m。煤層、煤層頂板及煤層底板的單元格間距分別為0.5 m,0.8 m和0.6 m。其中，煤層頂板和底板分別為泥巖和砂質泥巖層。

采用應力和位移結合控制邊界條件，模型的上面施加均勻的垂直應力，按上覆巖體(500 m)自重考慮，σZ=12.5 MPa，側壓系數取1，即水平方向的應力均為12.5 MPa。計算采用的本構模型采用摩爾—庫侖模型，模型參數由試驗得到，列于表1中。

本次計算首先計算了巖(煤)層的初始應力狀態，然后，對上一區段工作面開挖，每8 m開挖一次，對于頂板冒落充填的模擬，采用改變模型類型及改變巖石力學參數的方式，最后，進行巷道開挖和支護的模擬。其中，巷道支護采用兩種形式，即頂板和兩幫均采用直徑為12 mm、長度為1.8 m的普通錨桿支護，底板分別采用普通錨桿和直徑為20 mm、長度為2.6 m的高強錨桿支護，以下對兩種方案分別稱底板支護前和底板支護后。

表1 摩爾—庫侖模型參數

巖層名稱密度kg/m3彈性模量×104 MPa泊松比抗拉強度MPa內摩擦角(°)內聚力MPa頂板細砂巖2 56564.20.2491.91329泥巖1 97419.10.2051.33337細砂巖2 93378.10.2671.29339泥巖1 97419.10.2051.13347細砂巖2 46815.10.1830.81338泥巖2 5318.680.1180.66324煤層1111-3煤層1 3811.510.2810.16293底板泥巖2 52117.10.1920.5935.68粉砂巖2 58150.00.1581.85349砂質泥巖2 60917.60.1483.61368

3 計算結果分析

3.1 三軟沿空掘巷底鼓機理分析

圖2給出了三軟沿空掘巷底板位移矢量圖，從圖2可以看出，底板A區、巷道底角深部C區及兩幫B區的位移矢量箭頭方向分別為正向上、斜向上指向巷道及斜向下指向巷道。由此可以見，造成底鼓主要是底板A區的巖石向上運動、底角C區的巖石斜向上向巷道中心流動及幫部B區近水平及斜向下流動共同造成的，而兩幫和底板大范圍的巖層流動是大量級底鼓產生的主要原因。

另一方面，巷道底鼓的產生是隨時間逐步演化的過程，巷道在支承壓力的作用下，整體下沉。由于兩幫煤柱、實體煤及底板巖性軟弱，兩幫煤體不斷嵌入底板，造成了兩幫的煤體及底板向巷道大量位移，導致底板中間一定范圍逐漸產生拉應力，底板巖石拉裂破壞，并產生向上的塑性變形，對于三軟沿空巷道可以認為在底板一定深度范圍形成了貫通到地面的連續滑裂面，即發生了整體剪切破壞。

3.2 兩種方案控制底鼓效果比較

為對比分析底板采用普通錨桿和高強錨桿對底鼓治理的效果，圖3和圖4分別給出了底板加固前后的垂直位移云圖，圖5和圖6分別給出了底板加固前后的塑性分布圖。

由圖3和圖4可以看出，底板加固前，巷道頂板的下沉量和底鼓量分別為159 mm和257 mm，兩幫的移近量為367 mm；加固后巷道頂板的下沉量分別為108 mm和141 mm，兩幫的移近量為288 mm，較加固前的減幅分別為32%,45%和22%。

由圖5和圖6可以看出，加固后，巷道頂板和兩幫的塑性區域均有一定程度的收斂，圖5和6同時顯示，加固后的底板塑性區分減小程度顯著。由此可見，采用高強錨桿加固底板可以有效地控制了三軟沿空巷道的底鼓。

為研究底板錨桿傾角對底鼓治理效果的影響，整理出長度為2.6 m的錨桿，不同傾角時控制底鼓巷道的變形情況，并列于表2中。

從表2中可以看出，隨著錨桿傾角的增加，巷道底變形呈先減小后增大的規律，錨桿傾角為30°,45°和60°時，巷道底鼓量、兩幫移進量和底板下沉量分別為179 m,152 m和312 m，152 m,120 m和291 m。可以認為，錨桿傾角為45°時控制底鼓的效果最好。

表2 錨桿不同底角時巷道的變形情況mm

為研究錨桿長度對底鼓控制的效果的影響，取1.8 m，2.0 m，2.2 m，2.4 m，2.6 m，2.8 m，3.0 m長度的錨桿進行模擬，模擬結果如表3所示。從表3可以看出，錨桿長度在1.8 m～2.6 m時，隨著錨桿的增加，底鼓量的減小值較大，錨桿長度為2.6 m的底鼓量較1.8 m時的相應值的增幅為70.3%，而2.6 m～3.0 m的范圍內，巷道底鼓量變化很小，幾乎趨于平坦的曲線。因此，2.6 m為比較適宜的錨桿長度。

表3 底板錨桿不同長度效果 mm

4 結語

利用Flac3D軟件對某三軟沿空巷道不同支護方案下底鼓治理效果進行了對比分析，并探討了三軟沿空巷道底鼓的機理及底板錨桿角度和長度對支護效果的影響。其中，巷道支護頂板和兩幫采用普通錨桿支護，底板支護采用兩種形式，即普通錨桿和高強錨桿，通過計算本文主要得到了以下主要結論：

1)巷道底鼓的產生是隨時間逐步演化的過程，巷道在支承壓力的作用下，整體下沉，兩幫煤體不斷嵌入底板，造成了兩幫的煤體及底板向巷道大量位移，導致底板中間一定范圍逐漸產生拉應力，底板巖石拉裂破壞，并產生向上的塑性變形，最終發生了整體剪切破壞；

2)頂板加固后的巷道變形明顯優于加固前，加固后巷道頂板的下沉量分別為108 mm和141 mm，兩幫的移近量為288 mm，較加固前的減幅分別為32%,45%和22%。同時，加固后的底板塑性區分減小程度顯著。可以認為，采用高強錨桿加固底板可以有效地控制了三軟沿空巷道的底鼓；

3)隨著錨桿傾角的增加，巷道底變形呈先減小后增大的規律，錨桿傾角為30°,45°和60°時，巷道底鼓量、兩幫移進量和底板下沉量分別為179 m，152 m和312 m，152 m,120 m和291 m。可以認為，錨桿傾角為45°時控制底鼓的效果最好；

4)隨著錨桿的增加，底鼓量的減小值較大，錨桿長度為2.6 m的底鼓量較1.8 m時的相應值的增幅為70.3%，而2.6 m～3.0 m的范圍內，巷道底鼓量變化很小，幾乎趨于平坦的曲線。因此，可以認為，2.6 m為比較適宜的錨桿長度。