大斷面煤巷底鼓機理分析與控制措施研究

郭建平

摘要：在煤礦生產中，深部巷道的底鼓是經常遇到的問題。由于煤礦深部巷道的巖石性質不同，因此對巷道底鼓的機理進行分析十分必要。本文圍繞這一議題進行了探討，以涌鑫礦業安山煤礦為例，對大斷面煤巷底鼓機理作了分析并提出了處理及防控措施，供相關人士參考。

關鍵詞：巷道底鼓;大斷面;控制措施

一、引言

涌鑫礦業安山煤礦巷道寬度均采用5m，根據煤層實際揭露情況，三盤區31煤膠運巷、輔運巷、回風巷，巷道均采用5m的寬度，現場底板底鼓嚴重，導致膠運、輔運巷巷道硬化底板破損、影響行人、運輸，回風順槽底鼓，導致回風順槽斷面縮小，增加通風系統阻力、作為安全出口影響行人，增加了巷道維修費用。

二、煤巷底鼓機理及穩定性分析

巷道開掘后煤巷圍巖應力平衡被打破，出現重新分布的過程。這一過程中煤巷底板巖層承受上層傳遞下來的軸向壓力，在梁的各個截面上產生彎矩，使底板巖層完曲變形，一旦底板巖層承受的軸向壓力超出承載的極限強度就會使底板巖層失去穩定形成底鼓。底板巖層彎曲變形的方程式如下：

公式中代表，代表巷道寬度;I代表組合梁抗彎曲截面模量;E代表抗剪層剪切模量;N代表底板巖層受到的軸向作用力;q代表重力;代表彎曲變形量。

三、煤巷底鼓控制技術模擬分析

根據煤巷道的地質資料，采用離散元軟件建立煤巷模型。模型的構建其基本原理是圍巖視為微小塊的集合體，通過定義微小塊之間的力學接觸行為來模擬煤巷底鼓彎曲變形的過程。模擬的過程中采用與巷道最近測點的圍巖應力測量數據。其中最大主應力和最小主應力利用水壓致裂法測得。根據圍巖最大主應力和最小主應力的數值判斷出煤巷圍巖整體屬于中等地應力礦井。據此，將模型劃分為6層，每一層分別劃分成不同尺寸大小的微小塊體，包括矩形和三角形塊體。建立起分析模型后，對煤巷圍巖的應力變化情況進行分析。將圍巖應力的釋放劃分為5個階段以更好地貼合實際開挖過程中圍巖應力演變過程。5個階段對應的應力釋放系數分別設置為0～0.2;0.2～0.4;0.4～0.6;0.6～0.8;0.8～1.0。從模擬軟件的模擬分析結果看，隨著圍巖應力釋放系數的增大，巷道圍巖受到應力干擾的區域逐漸增大，從表面擴展到深層。當圍巖應力釋放系數為0.4時，兩幫表面出現明顯破壞區。之后隨著應力釋放系數的增加，兩幫破壞區相對穩定，巷道底板破壞程度加劇。為了控制煤巷底鼓，模擬采用錨桿錨索支護技術。采用同樣的模擬分析方法對錨桿錨索支護后的圍巖應力變化情況進行分析。結果發現在模擬了錨桿錨索支護巷道底板后，底板的圍巖應力演變情況發生了變化。與未經過錨桿錨索支護的圍巖應力釋放區域相比，在經過錨桿錨索支護后的底板圍巖應力釋放區域減小。在進行錨桿錨索支護技術的前提下，再對底板進行注漿，增加底板厚度，底板圍巖應力釋放區域明顯減小。由此說明，在采用底板注漿加厚和錨桿錨索支護的情況下，煤巷底板破壞范圍將縮減。

四、大斷面煤巷底鼓控制技術措施

根據煤巷底鼓模擬分析結果，實施了以下控制技術：巷道斷面采用錨網（索）支架，頂部打Φ17.8 mm ×6000 mm鋼筋錨索，間排距 2000 mm × 3000 mm，頂部兩端打 Φ20mm × 2200 mm錨索加固，錨索打設位置為距兩幫 300 mm 處各布置一根。兩幫各打Φ20 mm ×1800 mm鋼筋錨索，間排距 1000 mm × 1000 mm。底角錨桿與幫成75°夾角向底板下扎，其余錨桿垂直巷道輪廓線布置。另外在煤巷底板進行注漿加厚，厚度200mm。

巷道斷面圖如下：

為了進一步檢驗煤巷支護效果，對煤巷斷面相對位移進行觀測。設置三個測量斷面，分別采用十字交叉法設置監測點，在巷道底板位置設置兩個監測點，利用經緯儀測量巷道底板隆起的位移值，然后分析得到巷道表面位移累計情況。

由巷道表面位移累計量可知，在監測的75天內，巷道底板、頂板、兩幫的相對位移量整體呈現出先急劇上升，后平緩上升，最后趨于平衡的情況。相對位移的最大值在設計要求的合理范圍內，說明采用上述控制技術是可行的，具有良好效果。

另外，施工集中回風巷、集中輔運巷時擴大巷道寬度，從原來的5m寬度擴大為5.4m。根據現場掘進實際情況，擴大巷道斷面后（增加寬度），也緩解了巷道底鼓的問題，保證了后期輔助運輸、及通風安全。

五、結語

綜上所述，在煤礦生產中，深部巷道底鼓是經常遇到的問題。由于煤礦深部巷道巖石性質不同，因此本文對巷道底鼓的機理進行了分析。通過建立模型模擬煤巷圍巖應力變化情況，探索了巷道底鼓控制措施。通過錨桿錨索支護技術和底板注漿加厚技術，擴大巷道寬度等技術措施，獲得了良好的現場應用效果，為煤礦后期生產安全創建了有力條件。

參考文獻：

[1]煤巷底鼓破壞特征及支護技術研究，張宇旭，王科，工礦自動化，2019（06）

[2]巷道底板軟弱巖層底鼓治理技術研究，匡林，商品與質量，2019（7）