義棠煤業巷道底鼓切槽控制技術研究*

李 龍， 段曉博

(1.山西義棠煤業有限責任公司,山西 介休 032000；2.內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014000)

在煤炭開采過程中,由于巷道位置選擇不合理,礦區構造應力等影響導致部分礦井出現了巷道底鼓變形嚴重、沖擊地壓等問題[1]，尤其是巷道底鼓變形日益成為了礦井現場常見的難題。巷道底鼓的產生嚴重影響礦井的正常接續和安全生產[2]。

近些年,諸多學者在巷道底鼓方面做了大量研究,張乾龍[3]通過分析深部構造應力區域內巷道圍巖發生大變形的原因,通過采用巷道底板切槽+錨索補償等支護技術來控制巷道底鼓,取得了良好的效果。鄭文翔[4]通過力學分析,提出了利用錨桿-混凝土反拱組合結構來控制巷道底板變形。張立輝[5]提出了混凝土預制塊法、反底拱法、加寬隔離煤柱法來治理淺埋深巷道底鼓,在現場取得了良好的應用效果。丁國利[6]通過分析大斷面巷道圍巖應力分布,提出了采用可縮性環形支架與錨桿錨索聯合支護的方法,治理巷道底鼓。張杰等[7]從載荷作用、水理作用的角度出發,研究了兩者同時作用于巖體,導致巷道發生底鼓變形,并提出了相應的治理措施。

本文針對義棠100505工作面回采巷道底鼓問題,結合現場實際情況,提出了切槽卸壓的控制技術,并對卸壓槽尺寸的確定進行了研究。

1 工程概況

義棠100505掘進工作面位于該礦10#煤五盤區,煤層平均厚度5.2 m,傾角1°～3°,工作面推進長度1 356 m,巷道尺寸為5.1 m×4.2 m,煤層平均埋深150 m。頂板采用“錨桿+錨索+鋼梁”聯合支護,直接頂為泥巖、炭質泥巖,平均厚度7.2 m,基本頂為石灰巖,平均厚度為12.5 m,直接底為鋁土泥巖,平均厚度2.7 m。100505工作面皮帶巷在掘進過程中出現了底鼓現象,現場陷入了“掘進→底鼓→起底→再底鼓→再起底”的惡性循環,嚴重影響了礦井正常接續及安全生產。因此,分析該巷道底鼓成因,并制定可行的防治措施是一個亟待解決的問題。

2 巷道切槽尺寸的確定

2.1 切槽深度確定

100505巷道底鼓主要原因為:1)由礦壓理論可知,在埋深150 m～250 m條件下,其原巖應力3.75 MPa～6.62 MPa,在掘進過程中矩形巷道最大應力集中系數可達到5,則巷道集中應力可達18.4 MPa～33.1 MPa。而10#煤底板強度平均為13.5 MPa～17.2 MPa,強度遠遠小于巷道集中應力,在掘進過程中巷道底板必然發生破壞。2)巷道底板以泥巖及炭質泥巖為主,底板下含一層厚度1.2 m～2.8 m厚黏土巖,遇水膨脹,變形嚴重,在掘進過程中生產污水及頂板水滲入底板后,導致巷道底鼓。3)巷道圍巖受力狀態直接導致巷道底鼓破壞嚴重。通過建立力學模型具體分析如下。

取兩巷道之間保護煤柱應力在巷道底板中應力傳播進行分析,受力如圖1所示。巷道一幫受到垂直應力Q的作用下,產生CIJ主動承壓狀態與MCJ被動受壓狀態,當主動承壓區應力大于被動承壓區應力時,底板巖石會產生向上的剪切力T,在T的作用下,MCJ區域內的巖石會沿著MJ面產生滑動,當底板巖石承壓能力超過其強度極限時,底板就會發生底鼓,產生變形。

根據郎肯壓力理論來估算此階段的巷道底鼓變形量, 底板最大破壞深度[7]y1:

(1)

根據義棠煤礦100505工作面實際地質條件,底板上載荷Q取0.21 MPa,γ取25 kN/m3,φ取22°。 將參數代入式(1)可得底板最大破壞深度即底鼓深度:y1≈2.2 m，即切槽深度為2.2 m。

圖1 巷道右側煤柱底板受力簡圖

2.2 切槽寬度的確定

巷道切槽后,不但能夠使底板水平應力得到一定程度的釋放,另外切槽空間還可以緩解部分底鼓變形。切槽就是在巷道底板中部開挖提前開挖一條寬度為L, 深度為h的溝。建立力學模型,可將切槽壁簡化為長度h、截面寬度為b(h/b≥5)的懸臂梁結構。為了讓切槽能夠緩解底板變形,使得底板應力得以釋放,切槽寬度L應滿足:

(2)

(3)

將參數帶入公式(2)可得到切槽寬度[7]:

(4)

將h/b≥5帶入(4)可得:

(5)

式中:k為富余系數。

根據式(1)可以得出巷道底板破壞深度為2.2 m。已知工作面γ=25 kN/m3,H=150 m,實測膨脹應力Ps=0.41 MPa,υ=0.34,E=2 858 MPa,k取1.4。代入式(5)可得切槽寬度L≥0.4 m。為了減小作業現場施工工程量,因此初步設計底板切槽寬度為0.4 m,深度為2.2 m。

3 切槽效果數值模擬研究

3.1 數值模型的建立

采用FLAC3D數值模擬對義棠煤礦100505工作面回采巷道在不同切槽寬度下圍巖變形量進行了模擬。煤巖層主要力學參數見表1。巷道尺寸為5.1 m×4.2 m,建立彈塑性模型,運用Mohr-Coulomb 屈服準則判斷巖體的破壞。根據現場實際地質條件,建立數值模型,模型尺寸長×寬×高=100 m×45.1 m×58.2 m。模型表面施加自重應力邊界,模型上邊界為自由邊界,其它邊界為位移約束。

表1 模型模擬的巖石力學物理參數

3.2 數值模擬方案

控制底鼓的最佳位置應選擇在巷道底板中部,數值模擬主要模擬巷道在無切槽情況,及切槽尺寸為2.2 m×0.2 m、2.2 m×0.4 m、2.2 m×0.5 m、2.2 m×0.6 m、2.2 m×0.8 m,6種情況下,隨掘進工作面的不斷推進,巷道圍巖變形量,從而確定最佳切槽寬度。

3.3 數值模擬結果分析

圖2為無切槽及不同切槽寬度時底鼓量隨掘進工作面的變化。由圖2可以看出,巷道底鼓量隨著工作面的推進而逐漸變大,直至趨于穩定,底鼓量隨切槽寬度的增大而逐漸減小。未切槽時,底鼓量最大為371 mm,底鼓現象明顯。切槽寬度為0.2 m,0.4 m,0.5 m,0.6 m,0.8 m時,底鼓量分別為302 mm,76 mm,72 mm,67 mm,64 mm與未切槽相比,最大底鼓量減小了307 mm;且明顯可以看出,切槽尺寸越寬,底鼓控制效果越好。當切槽寬度增加到0.4 m后,繼續增加切槽寬度,底鼓量降幅較小。因此可以看出切槽尺寸為2.2 m×0.4 m已經完全滿足底鼓控制要求。

圖2 不同槽寬時的底鼓量隨工作面變化曲線

圖3 不同切槽寬度兩幫移近量變化曲線

圖4 不同切槽寬度頂板下沉量變化曲線

圖3、圖4為無切槽及不同切槽寬度是兩幫、頂板變形量隨掘進工作面的變化曲線。由圖可以看出,隨著掘進工作面的不斷推進,兩幫、頂板變形量逐漸增大,最終趨于穩定。切槽后比未切槽時,巷道兩幫移近量及頂板下沉量明顯增加;未切槽時,兩幫移近量最大為112 mm,切槽0.2 m,0.4 m,0.5 m,0.6 m,0.8 m后,兩幫移近量增加到124 mm,138 mm,144 mm,148 mm,159 mm;未切槽時,頂板下沉量最大12 mm,切槽0.2 m,0.4 m,0.5 m,0.6 m,0.8 m后,頂板下沉量增加到15 mm,21 mm,22 mm,23 mm,27 mm。由此可以看出一味增加切槽寬度雖然可以較好的控制底板變形量,但是兩幫及頂板移近量也會隨之增加,不利于巷道保持整體的穩定性。

綜合考慮巷道圍巖穩定性、現場人員施工量等因素, 100505工作面回采巷道選擇最佳切槽寬度為0.4 m。

4 工程實踐

根據理論計算及數值模擬結果,在100505工作面回采巷道中選取50 m進行切槽試驗,切槽深度為2.2 m,寬度為0.4 m,并進行了為時5個月地觀測,在切槽卸壓段巷道布置3個測站對巷道圍巖變形量進行監測,分析切槽效果。觀測結果如圖5所示。

圖5 巷道底鼓量變化曲線

由圖5可以看出,巷道底鼓變形量隨著時間的推移逐漸增加最后趨于穩定。在巷道切槽后,0～90 d巷道底鼓量由0最大增加到61.3 mm,90 d后底鼓量逐漸趨于穩定,到150 d時巷道最大底鼓量僅為73 mm,與未切槽巷道相比,底鼓量明顯降低,充分說明,采用深度2.2 m,寬度0.4 m的切槽對于控制巷道底鼓量效果顯著。

5 結論

1)分析了義棠煤礦巷道底鼓原因,并通過建立力學模型分析了底板破壞的力學機理,上覆巖層通過兩端煤體傳遞的載荷導致底板發生破壞,加之巷道底板下層存在黏土巖遇水容易膨脹,底板巖石強度低等綜合因素導致巷道底板發生底鼓破壞。

2)通過受力分析及理論計算得出巷道切槽深度為2.2 m,通過數值模擬試驗得出,切槽寬度越寬,底鼓控制效果越好,但兩幫及頂板變形量增加。綜合考慮,巷道切槽最佳寬度為0.4 m。

3)在100505工作面回采巷道分別選取切槽深度為2.2 m,寬度為0.4 m的巷道50 m進行圍巖變形觀測,結果表明,切槽后150 d巷道最大底鼓量僅為73 mm,充分說明切槽可以有效地控制巷道底鼓。