安山煤礦淺埋煤層巷道底鼓控制技術(shù)

謝 沛

（陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

巷道發(fā)生底鼓現(xiàn)象，輕者巷道起伏不平，嚴重時導致巷道整體報廢，對煤礦的安全高效生產(chǎn)造成巨大影響［1-3］。

擬針對安山煤礦掘進巷道底板破壞的控制技術(shù)，以提高掘進效率，降低生產(chǎn)成本。通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等方法尋找一條快捷、有效、低成本的底板破壞及底鼓治理技術(shù)方案。既能為礦井安全高效生產(chǎn)及礦區(qū)的可接續(xù)開采提供技術(shù)保障，又能夠在類似工作面推廣運用，具有廣泛的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 工程地質(zhì)概況與巖性分析

1.1 工程地質(zhì)概況

通過地質(zhì)資料以及1165水平大巷揭露情況，四盤區(qū)輔運巷范圍內(nèi)3-1煤層厚1.6～2.5 m，煤層穩(wěn)定，屬中厚煤層，結(jié)構(gòu)簡單，底板標高的變化較小，在1 137～1 179 m之間，平均埋深147 m。直接頂為中粒砂巖，厚度22.26 m。直接底為粉砂巖，厚度3.4 m，遇水即泥化；老底為泥質(zhì)粉砂巖，厚度24.21 m。

1.2 巖性分析

通過采用煤巖樣試塊加工儀、萬能試驗機、點載荷儀測試，煤樣、巖樣的物理力學性質(zhì)見表1。

表1 四盤區(qū)大巷圍巖力學參數(shù)

試驗結(jié)果表明，大巷直接底巖層為灰黑色泥巖，裂隙和裂紋發(fā)育。巖石組成成分中高嶺石含量15%、石英含量71%、伊利石含量11%、鉀長石含量3%，其它未檢測出的礦物顆粒占1%，底板巖層吸水后有明顯的軟化崩解現(xiàn)象［4-6］。底板巖層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，裂紋在縱橫方向上交錯切割，巖層內(nèi)部裂隙、構(gòu)造裂隙發(fā)育，構(gòu)造裂隙具有明顯的方向性，裂隙面平直。由現(xiàn)場工程調(diào)研可知，巷道圍巖結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，屬一般穩(wěn)定性巖層。

2 巷道底鼓類型及原因分析

2.1 底鼓類型

由地質(zhì)資料可知，四盤區(qū)膠運大巷埋深147 m埋深較淺，不屬于高應(yīng)力巷道，且直接底為粉砂巖，厚3.4 m，也非厚巖層，故而排除剪切錯動性底鼓；因此排除擠壓流動性底鼓與撓曲褶皺性底鼓；由巷道圍巖力學試驗可知，頂板巖樣平均抗壓強度為18.26 MPa，抗拉強度平均為1.56 MPa，彈性模量為3.28×103MPa；底板巖樣抗壓強度平均為5.49 MPa，抗拉強度平均為0.93 MPa，彈性模量為2.37×103MPa；煤樣飽水狀態(tài)下的單軸抗壓強度平均為3.65 MPa，抗拉強度平均為0.38 MPa，彈性模量為1.18×103MPa，頂板巖層強度遠大于底板巖層強度，底板巖石遇水有明顯的崩解和軟化，隨時間的推移，充分吸水后，軟化成泥狀，對巖石整體強度有顯著的影響，在水作用下的軟化效應(yīng)明顯。因此，四盤區(qū)膠運大巷底鼓類型是屬于擠壓流動性底鼓與遇水膨脹性底鼓的復(fù)合型底鼓。

2.2 底鼓原因

底鼓原因主要由兩個方面決定，即自然因素和人為因素［7-9］。自然因素即巷道所處的地質(zhì)條件環(huán)境、圍巖的物理力學性質(zhì)等；人為因素即巷道的布置形式、斷面尺寸、施工方式及支護形式等。因此，影響巷道底鼓的因素有多種，不同巷道表現(xiàn)的底鼓也不盡相同。針對安山煤礦四盤區(qū)膠運大巷的底鼓，對四盤區(qū)膠運大巷底鼓的影響因素分析如下。

巷道布置：安山煤礦四盤區(qū)膠運大巷位于輔助運輸巷與回風大巷之間，保護煤柱20 m，處于中間位置的膠運大巷兩幫煤柱受疊加應(yīng)力作用明顯。保護煤柱處于高應(yīng)力狀態(tài)，煤柱中的高應(yīng)力將傳遞至巷道底板，當?shù)装鍘r層強度較低時，在疊加應(yīng)力的作用下更容易發(fā)生破壞，造成巷道底鼓。

支護形式：巷道底板的支護形式也是影響巷道底鼓的重要因素之一，四盤區(qū)膠運大巷在掘進過程中并未對底板采取加固措施，也沒有及時封閉底板，導致底板浸水。

底板巖性：四盤區(qū)膠運大巷直接底為粉砂巖，老底為泥質(zhì)粉砂巖，這兩張巖層均含有伊/蒙混層礦物，具有吸水膨脹的特點。

水的影響：水和底板巖體是相輔相成、相互影響的，水對底板巖體的影響主要通過水理作用影響巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.3 底鼓力學模型

底鼓力學模型及底鼓深度的計算：巷道底板受力模型如圖1所示。選取右半側(cè)底板為研究對象，此時的底板受均布載荷q的作用，CIJ區(qū)和MCJ區(qū)的底板巖層分別位于主動塑性區(qū)和被動塑性區(qū)。主動壓應(yīng)力P2將在被動塑性區(qū)MCJ內(nèi)沿MJ產(chǎn)生切向力T和法向力N，此時MCJ區(qū)域有沿MJ滑動的趨勢，當?shù)装鍘r層提供的摩擦力小于T時，被動塑性區(qū)MJC將向巷道自由空間內(nèi)滑動，導致MC區(qū)域的底板破壞，形成底鼓。

可由式（1）計算得到底鼓破壞深度

圖1 巷道底板載荷簡化圖

式中：L—巷道高度，取2.5 m；h—壓力拱高度，取1.2 m；φ—巖層內(nèi)摩擦角，取22°?？傻玫坠纳疃葃≈2 m。

底鼓控制措施：安山煤礦回采巷道底鼓變形主要是由于巷道底板巖性為遇水膨脹性泥巖，在巷道掘進和使用過程中均受水體作用，底板遇水膨脹，產(chǎn)生底鼓［10-12］。且巷道頂板和兩幫巖石強度大于底板，在應(yīng)力作用下，底板軟巖以擠壓流動變形為主。而最新的錨注式聯(lián)合支護新技術(shù)由于錨桿本身其抗剪切能力較弱，并不能對本巷道擠壓流動變形起到有效地抑制作用，同時厚度較大的軟巖造成錨桿的長度較大，成本較高，維護失敗會造成難以清理的嚴重后果。

因此，為了減輕對底板的擠壓流動性變形造成的影響，在對比上述的底鼓控制技術(shù)方法后，決定采用切槽卸壓以形成“強弱強”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而達到控制底鼓的目的。

3 底鼓切槽控制措施

3.1 切槽卸壓機理

巷道未切槽時的受力如圖2所示。此時的被切割層為原有巷道，作用在巷道圍巖周邊作用的應(yīng)力會向圍巖深部移動，巷道表面圍巖則處于應(yīng)力降低區(qū)中。

切槽后，底板的切槽增大了被切割巖層的厚度，切槽使得巷道底板形成一定尺寸的空間［13-14］，卸壓槽空間的收縮將吸收巷道鼓起的變形量。

3.2 卸壓槽參數(shù)確定

當切槽的深度大于巷道的一半時，卸壓槽的兩幫即為短懸臂梁結(jié)構(gòu)。在短懸臂梁結(jié)構(gòu)情況下，梁的彎曲變形主要是受到被切割巖層剪切應(yīng)力而不是彎曲應(yīng)力的影響，因此在卸壓槽深度超過巷道寬度時，底板抵抗下層巖層變形的能力大大增強。

圖2 巷道受力示意圖

參考針對于安山煤礦回采巷道應(yīng)力分布研究，該礦運輸大巷所受應(yīng)力較小，同時考慮施工可行性，因此選取小于巷道寬度一半的切槽深度并取整數(shù)為2.0 m。

卸壓槽的寬度選擇應(yīng)考慮能充分吸收巷道底板的鼓起變形量，同時也不能尺寸過大而影響到巷道圍巖整體的穩(wěn)定性以及巷道正常的功能需求。參考目前統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，對于中等強度的底板巖層，切槽寬度約為0.3～0.4 m，對于軟巖則應(yīng)大于該值，可選取0.5 m。

3.3 數(shù)值模擬

切槽位置模擬：對底板幫部和中部實施0.5 m×0.5 m（寬×深）的切槽，分析巷道變形量。得出，當卸壓槽尺寸為0.5 m×0.5 m時，底板中部切槽相比幫角切槽，底鼓量減少70 mm，兩幫移近量減少25 mm，頂板下沉量幾乎保持不變。底板中部切槽較幫角切槽更能控制大巷的變形。因此，卸壓槽位置應(yīng)布置在大巷底板的中部。圖3為巷道變形量示意圖。

切槽深度模擬：由圖4可知，隨著切槽深度的增大，底板垂直應(yīng)力釋放效果越好，垂直應(yīng)力向底板深部轉(zhuǎn)移。深度越大，切槽閉合的趨勢越明顯。

圖3 巷道變形量示意圖

切槽寬度模擬：當切槽深度為2 m，切槽寬度為0.5 m時，最大底鼓量為130mm；當切槽寬度為0.4 m時，底鼓量最大值為118 m，底鼓最嚴重區(qū)域同樣位于卸壓槽兩側(cè)附近處的底板位置；當切槽寬度為0.3 m時，底鼓量最大值為128 m。底鼓量變化如圖5所示。

圖4 底板垂直應(yīng)力釋放效果示意圖

圖5 底鼓量變化示意圖

通過數(shù)值模擬分析可得，合理的切槽參數(shù)為0.5 m×2 m（寬×深）。

4 工程實踐

4.1 測站布置

切槽試驗巷道長度100 m，另選擇相鄰的100 m無切槽巷道作對比。每段各布置3個測點，兩測點間距30 m，測站布置如圖6所示。

圖6 測站布置示意圖

4.2 觀測結(jié)果

底鼓量：由底鼓量曲線圖（圖7）可以看出，未切槽巷道底鼓量約為415 mm，切槽段巷道底鼓量約為121 mm，較未切槽巷道，底鼓量減少70%，底鼓現(xiàn)象得到了有效控制。

兩幫移近量：由兩幫移近量曲線圖（圖8）可以看出，未切槽巷道兩幫移近量約為62 mm，切槽段巷道兩幫移近量約為74 mm，較未切槽巷道，兩幫移近量增大12 mm。

頂板下沉量：觀測得，3個測站頂板下沉量平均為63 mm；未切槽段巷道3個測站頂板下沉量平均為55 mm。頂板下沉量增大8 mm，表明底板切槽對頂板巖層的穩(wěn)定性影響較小。

離層量：觀測得，切槽段巷道3個測站離層量平均為23.6 mm；未切槽段巷道頂板巖層3個測站離層量平均為20.1 mm；頂板離層量增大3.5 mm，因此，底板切槽對巷道頂板上覆巖層離層量的影響微乎其微，可忽略不計。

圖7 底鼓量變化曲線

圖8 兩幫移近量變化曲線

5 結(jié)論

（1）通過對四盤區(qū)膠運大巷圍巖進行物理力學參數(shù)測定得出，底板屬于軟弱類底板，并且吸水易膨脹軟化。

（2）安山煤礦軟巖巷道底鼓一方面是由于上覆巖層在重力作用下產(chǎn)生的載荷傳遞導致底板的破壞；另一方面是由于巷道直接底以粉砂巖為主，夾有泥巖，底板巖石吸水后，巖石黏結(jié)力減小、強度降低，使得底板載荷作用下更容易發(fā)生底鼓。

（3）通過數(shù)值模擬分析了在切槽寬度為0.5 m的條件下不同切槽深度時巷道圍巖應(yīng)力與位移變化規(guī)律，模擬表明切槽深度與釋放底板應(yīng)力效果呈正相關(guān)關(guān)系，但當切槽深度大于2 m時，底鼓量的減少幅度不再發(fā)生顯著變化。同時，頂板下沉量也與切槽深度呈正相關(guān)，也就是切槽深度越大頂板下沉量也越大，只有二者兼顧才能有效避免選取切槽參數(shù)的盲目性。

（4）在安山煤礦3-1煤四盤區(qū)膠運大巷中部400～500 m段進行切槽防治底鼓試驗，切槽寬0.5 m，切槽深2 m，切槽后對底板進行硬化處理。通過切槽并進行硬化段對比只進行底板硬化但未切槽段表明，切槽段巷道較未切槽巷道底鼓量降低70%，切槽后底板未發(fā)生底鼓現(xiàn)象，采取的切槽參數(shù)可有效防止巷道底鼓。