煤巷復合底板破壞機理及防治技術研究

陳 宮 李逢祥 劉 浩

(1. 北京昊華能源股份有限公司大安山煤礦，北京市房山區，102419；2. 山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266590)

當回采巷道底板為復合底板時，巷道圍巖破壞通常發生在底板，造成生產系統運轉不暢或停產。復合底板是含有軟弱夾層的底板，在復雜的采動應力環境中，底板很容易受到剪切、彎曲、屈曲等破壞，產生較大的底鼓變形，有時還會瞬間釋放動能，給煤礦安全生產帶來極大隱患。長期以來國內外學者對于巷道底鼓的研究多集中于單一軟底巷道的破壞，認為底鼓變形有利于巷道圍巖能量的釋放，對于復合底板的破壞研究較少，因此復合底板產生的沖擊破壞需要進一步提高認識。

1 軸10槽煤層地質條件

大安山煤礦軸10槽煤層為復雜結構煤層，分為軸10上煤和軸10下煤，中間含有粉砂巖夾矸，軸10下煤層的底板也是粉砂巖但強度較夾矸小。由于軸10上煤層平均厚度2.8 m，軸10下煤層平均厚度1 m，其間夾矸厚度為0.3～4.5 m，為了降低開采難度，選擇只開采軸10上煤層。軸10上煤層回采巷道沿著軸10上煤層頂底板掘進，夾矸和軸10下煤層就組成了軸10上煤層巷道的復合底板。在巷道高應力區掘進和回采過程中，現場多次發生底板破壞并釋放能量，一定程度上對生產系統造成了破壞，威脅著軸10槽上煤層安全高效開采，所以必須對軸10槽夾矸底板采取防治措施，保證生產與人員安全。

2 軸10槽煤層巷道底板夾矸破壞的力學模型分析

2.1 巷道底板夾矸受水平力作用的屈曲模型

在原巖應力作用下，巷道開挖引起巷道應力的重新分布，垂直應力向兩幫轉移，形成垂直支承壓力區，主要顯現于巷道兩幫煤體，水平應力向巷道頂板和底板中轉移，形成水平支承壓力區，主要顯現在巷道頂板和底板煤巖體中，且由開挖引起的應力重新分布在巷道開挖后很快就會完成，如圖1所示。

當垂直支承壓力大于煤層支承強度時，該區域內煤體產生剪切滑移，進而在煤體內部產生水平擠壓力，將塑性區煤體向外推移。由于煤層頂底板巖層的約束，外觀上沒有將塑性區煤體大量推入巷道，但在這一塑化過程中塑性區煤體在煤層的頂底板上也產生了水平推力。因此，軸10上槽煤層夾矸底板上除了巷道掘進期間煤層中應力轉移傳遞的水平應力之外，還有巷道兩幫軸10上槽煤層支承壓力區煤壁破壞傳遞的水平推力。這種應力將在巷道煤開挖后的煤壁塑化過程中緩慢增大。

巷道兩幫煤體中的支承壓力繼續向下傳遞，在夾矸下軸10下煤層中也產生支承壓力區，當該區域支承壓力大于軸10下槽煤層的強度時，在軸10下槽煤層中也會產生水平應力推力，其中的一部分也將傳遞至軸10下煤層頂底板。因此，在巷道底板夾矸上也承受著軸10下煤層支承壓力區產生的水平推力。該水平推力的產生也有一個逐漸增大的過程。

在3種水平推力的作用下，薄層狀的夾矸呈屈曲受力狀態，如果在巷道軸向方向取出1 m單元體來分析，薄層狀夾矸受水平力擠壓的狀態可以簡化為受軸向壓的壓桿結構模型，如圖2所示。

圖1 底板屈曲失穩示意圖

圖2 底板梁結構簡化模型

根據壓桿穩定原理，不同時期巷道復合底板巖層夾矸發生屈服破壞的條件為：

(1)掘進期間：

(1)

式中：K3——水平集中系數，軸10上槽工作面在寬緩向斜的軸部，因此取0.5；

γ——巷道上覆巖層的平均體積力，取25 kN/m3；

H——煤層采深，取900 m；

a——巷道底板寬度，取4 m；

E——夾矸底板的彈性模量，經實驗室測試取4 GPa；

h——底板夾矸厚度，0.3～4.5 m。

(2)服務期間：

(2)

式中：K1——軸10上槽煤層支承壓力區應力水平集中轉化系數，考慮所轉化的力只有一半傳遞到夾矸底板，因此取0.4；

K2——軸10下槽煤層支承壓力區應力水平集中轉化系數，考慮所轉化的力只有一半傳遞到夾矸底板，因此取0.15；

k1——掘進期間巷道煤壁支承壓力集中系數，取1.3；

k2——采動期間巷道煤壁支承壓力集中系數，取2。

(3)采動期間：

(3)

根據式(1)、(2)和(3)計算夾矸底板巖層發生屈服破壞的臨界厚度為：掘進期間為1.3 m；服務期間為2.07 m；采動期間為2.5 m。當夾矸厚度小于相應的厚度時，夾矸底板難以承受水平擠壓力的作用，容易發生屈曲破壞。

2.2 軸10上槽煤層巷道底板夾矸受軸10下槽煤層破壞時的鼓脹模型

巷道復合底板結構強度較低的巖層容易先破壞碎脹，在碎脹力對上部強度較高的巖層產生鼓脹擠壓并達到一定強度時，可以造成上部強度較高巖層的彎曲，進而使巷道底板產生底鼓破壞，如圖3所示。

圖3 底板夾矸破斷示意圖

對于軸10上槽煤層巷道來說，復合底板中強度較低的軸10下煤層在高支承壓力的作用下將產生塑性滑移線，其中的煤塊會沿著滑移線產生滑移，如圖4所示。由圖4可以看出，Ⅰ區為巷道兩側煤壁支承壓力向下傳遞產生的垂直應力塑性區，最大主應力方向為垂直方向，Ⅱ區為滑移線轉向塊，將Ⅰ區中的滑移線方向轉為水平方向，同時也將最大主應力方向轉為水平方向，Ⅲ區為最大主應力方向為水平方向的塑性區，其間煤塊沿著滑移線滑移將產生的垂直應力。根據賴斯納(Reissner)提出的極限承載力理論，當Ⅰ區的垂直主應力值達到滑移線滑移的強度極限時，會發生塑性破壞，并在水平方向產生擠張力，推動Ⅱ區；隨后Ⅱ區也推動Ⅲ區使其在水平擠壓力的作用下塑性化，在巷道底板夾矸下軸10下槽煤層中Ⅰ區的垂直應力是軸10上槽煤層巷道兩側煤壁支承壓力下傳的結果，因此軸10下槽煤層產生塑性變化的條件為式(4)所表達的數學關系。

(4)

式中：C0——軸10下槽煤層的內聚力，實測值為13 MPa；

φ——軸10下槽煤層的內摩擦角，實測值為24°。

當Ⅰ區的垂直主應力值超過滑移線滑移的強度極限時，Ⅲ區就會向上移動，在巷道底板夾矸上產生向上的擠脹力q，進一步加劇了夾矸底板斷裂破壞。其大小可用下式所示的關系表達：

(5)

由式(5)可以看出，夾矸底板因軸10下槽煤層剪脹破壞所受的擠壓載荷q與軸10上槽煤層巷道煤壁支承壓力大小、軸10下煤層內聚力C和軸10下煤層內摩擦角φ有關。

圖4 底板煤體破壞模型

在擠壓載荷q的作用下巷道底板夾矸會產生彎曲變形，這種受力結構可以簡化為兩端固支的均布載荷梁。當q增大達到式(6)所表達的關系時，巷道底板夾矸就會彎曲斷裂，巷道產生嚴重的底鼓。

(6)

式中：[σ]——軸10上槽煤層巷道底板夾矸的單向抗拉強度，實測為6 MPa。

將式(6)做以下變化可以得到式(7)：

代入軸10上、10下槽煤層的力學參數，可得夾矸底板抵抗軸10下槽煤剪脹破壞的最薄厚度為2.5 m。

3 軸10上槽煤層巷道復合底板的破壞特征分類

上述分析表明，軸10上槽煤層巷道板的破壞分為兩種情況：當煤層厚度較薄時，容易發生屈曲破壞，這種破壞形式將瞬間釋放出較大的能量，產生沖擊地壓；當夾矸厚度較大時，容易產生緩慢的彎曲破壞，這種破壞是由軸10下煤層底板逐步滑移變形產生的，能量的釋放分階段緩慢進行，有利于沖擊地壓的防治。當煤層巷道受到工作面采動影響時，煤壁兩側的支承壓力將進一步增大，這時底板的彎曲破壞可能向屈曲破壞轉化。

根據上述力學分析，軸10上槽煤層底板可分為3類，在巷道掘進期間3類底板的劃分指標如下：當夾矸底板厚度h小于1.3 m時為第一類底板，屬于易屈曲破壞底板；當夾矸底板厚度h大于1.3 m，而小于2.5m時為第二類底板，屬于容易彎曲破壞的底板，表現為有較大的底鼓量；當巷道底板大于2.5 m時為穩定底板，在不受采動的情況下是穩定的。

上述分類指標在受采動影響的情況下應做如下調整，即：當夾矸底板厚度h小于2.5 m時為第一類底板，屬于易屈曲破壞底板；當夾矸底板厚度h大于2.5 m，而小于5.5 m時為第二類底板，屬于易彎曲破壞底板，表現為有較大的底鼓量；當巷道底板大于5.5 m時為穩定底板，在不受采動影響的情況下是穩定的。由于采動影響時間短，煤層底板發生瞬時屈曲破壞的可能性較大；而彎曲破壞時間較短，可能發展過程還未完成全巷道就被采空了。

4 巷道復合底板破壞防治技術

4.1 巷道兩幫卸壓

由上述分析可知，復合底板發生破壞的最主要因素是巷道圍巖的高應力。為了避免高應力對復合底板破壞產生不利影響，可以對巷道兩幫實施大直徑鉆孔卸壓，目的是弱化巷道兩幫煤體，減少應力集中，使集中應力往深部轉移，避免兩幫高支承壓力使復合底板煤體發生滑移，根據大安山煤礦10上槽煤層情況，在巷道兩幫距離底板1.5 m處，各打一排長度為18 m、直徑為110 mm的大直徑鉆孔，鉆孔間距為1.5 m，如圖5所示。

4.2 巷道底板斷底

由于第一類巷道底板易發生屈曲破壞，易瞬間釋放能量，對于不受采動影響的巷道需對厚度小于1.8 m的夾矸底板進行斷底；對于受采動影響的巷道，需對厚度小于2.5 m的夾矸底板進行斷底，使夾矸不能形成壓桿結構，消除應力集中。具體方法如下：在巷道兩底角處向底板打垂深2.5 m、直徑為40 mm的爆破鉆孔，鉆孔沿巷道軸向傾斜，爆破后在巷道兩側分別形成深度為2.5 m的深溝，然后回填，實現巷道底板與煤壁支承壓力區斷開。

圖5 巷道圍巖卸壓布置圖

4.3 巷道復合底板加固技術

由于在實際開采中，底板夾矸厚度不一，當夾矸厚度大于2.5 m時，此時雖然底板夾矸能承載底板高應力，但仍存在危險隱患，所以此時不僅要采用大直徑鉆孔卸壓，還要對底板夾矸進行加固控制，避免其在回采過程中以及外界動力干擾下，發生瞬間破壞。

具體參數如下：巷道兩幫采用兩根長2.5 m的錨桿，錨固長度1.5 m；1根長5.5 m的錨索，錨固長度2 m，間距800 mm，其中最底部錨桿距底板600 mm。頂板采用兩根長2.5 m的錨桿，錨固長度1.5 m；3根長6 m的錨索，錨固長度2 m，間距800 mm，其中肩部錨索距煤幫400 mm。在巷道底板施加底角錨桿，切斷底板滑移線，底板角錨桿采用長度3 m、直徑22 mm的左旋高強螺紋鋼錨桿，全長樹脂錨固，間排距800 mm×1000 mm，與底板平面呈45°夾角，在巷道兩底角處均布置兩根底角錨桿。在巷道中部施加兩根長3 m、直徑22 mm的全長錨固錨桿，間排距800 mm×1000 mm，控制底板煤層被動滑移區，避免煤層滑移后擠脹底板夾矸，提高底板夾矸抗剪強度。

5 復合底板工業性試驗效果

由于大安山煤礦礦壓顯現明顯，在西一工作面開采前，對西一工作面的底板進行了分類支護措施。根據底板夾矸厚度，進行分類支護，夾矸厚度小于2.5 m時，對兩幫采用大直徑鉆孔卸壓，同時利用爆破技術進行斷底；夾矸厚度大于2.5 m時，對兩幫采用大直徑鉆孔卸壓，同時在底板布置錨桿，阻止煤體滑移。為檢驗支護方案的支護效果，在西一工作面下巷中，選取兩個測點，測點1設置在底板夾矸厚度0.5 m處，距切眼110 m，測點2設置在夾矸厚度2.6 m處，距切眼310 m，監測在工作面影響范圍下測點的位移量，并進行分別記錄。監測結果如圖6所示。

圖6 底板位移量監測曲線

由圖6可以看出，測點1的底板位移量要略高于測點2的底板位移量，測點在距工作面60 m以外，底板位移量變化緩慢，均在25 mm以下。此時底板位移可以看作是由底板的彈性變形引起的。在距工作面20 m以內，底板位移量均在85 mm以上，且變化不大，處于穩定狀態，測點1位移量最高為94 mm，測點2位移量最高為86 mm。在距工作面20～60 m范圍，測點1底板位移量要略高于測點2的位移量，這是由于測點1夾矸較薄，雖然夾矸承載能力較小，斷底卸壓的作用非常明顯。在工作面影響范圍內，底板位移量相對會較大，這是由于工作面超前支承壓力對底板煤層產生了影響。

6 結論

(1)復合底板破壞形式主要有屈曲破壞和彎曲破壞，在條件滿足的情況下，屈曲破壞先于彎曲破壞發生，具有一定的突然性，而彎曲破壞是應力持續緩慢變化產生的，有利于聚集能量的釋放。

(2)針對大安山礦軸10槽煤層夾矸厚度不一的情況，當夾矸厚度小于1.3 m時掘進期間容易發生夾矸的屈曲破壞；當夾矸厚度小于2.5m時，回采期間也可能發生夾矸的屈曲破壞

(3)軸10上槽煤層巷道底板夾矸容易因軸10下槽煤層碎脹擠壓而產生彎曲破壞，最終表現為巷道的大量底鼓，特別是受采動影響的巷道底鼓量很大，只有夾矸厚度大于5.5 m時巷道采表現出較好的穩定性。

(4)對巷道兩幫進行大直徑鉆孔，對底板進行爆破斷底有較好的卸壓效果，減小兩幫的高應力對底板煤體的影響，同時切斷復合底板煤體滑移路徑，減小底板深部較厚巖體形成的高水平應力。

(5)布置底角錨桿阻隔底板煤層發生滑移，在巷道底板中部施加錨桿增加底板夾矸的穩定性，能一定程度上阻止10下槽煤層煤體沿著滑移線擴大破壞程度，減小了10下槽煤層對夾矸底板的擠壓力，使之保持穩定，有一定的控制效果。