深部大傾角煤巷底鼓控制技術(shù)研究

柏亞輝，常 雁，楊緒東，孟德健，高貫林

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.山東科技大學(xué) 安全學(xué)院，山東 青島 266590； 3.泰安泰爍巖層控制科技有限公司，山東 泰安 271000)

隨著煤炭資源的持續(xù)開發(fā)，煤礦開采深度逐年增加，深部巷道受高應(yīng)力影響其底鼓問題愈發(fā)突出。針對巷道受高應(yīng)力及水理作用而產(chǎn)生的大變形問題，有關(guān)研究人員提出了以“協(xié)調(diào)圍巖非均稱變形、控制擠壓流動底鼓、強(qiáng)化圍巖承載結(jié)構(gòu)”為核心的支護(hù)理論[1-6]；針對在大傾角煤巷中由多種因素導(dǎo)致巷道圍巖復(fù)雜變形且底鼓嚴(yán)重的問題，學(xué)者們以協(xié)調(diào)圍巖非均稱變形理論為基礎(chǔ)提出了采用底板開挖卸壓槽的方式來控制巷道底鼓[7-11]；針對大傾角引起巷道應(yīng)力非均稱性分布，導(dǎo)致巷道底板塑性區(qū)的惡性擴(kuò)展問題，研究指出其主要原因是由于巷道底板中倒棱錐塊體的賦存情況造成的[12-15]；通過松動圈厚度值測算、分類情況測試，以及對側(cè)向支承壓力分布規(guī)律的研究，為控制巷道底鼓治理提供了依據(jù)[16-20]。

王家山煤礦401工作面回風(fēng)平巷因圍巖軟弱且處于非均勻?qū)ΨQ(以下簡稱“非均稱”)應(yīng)力環(huán)境狀態(tài)，致使巷道底板塑性區(qū)惡性擴(kuò)展，其底板成為整個巷道的薄弱點(diǎn)，而嚴(yán)重的巷道底鼓會給巷道穩(wěn)定支護(hù)帶來不利影響。因此，解決該巷道底鼓問題對于王家山煤礦的正常生產(chǎn)接續(xù)具有重要意義。

1 工程概況

401綜放工作面回風(fēng)平巷位于侏羅系窯街組底部4號煤層中，其沿煤層底板按3‰的坡度掘進(jìn)，巷道斷面為直墻半圓拱形，埋深660 m左右。4號煤層平均厚度8.3 m，傾角32°，煤層整體松軟破碎，多為末狀，堅固性系數(shù)低，且內(nèi)含多層夾矸，夾矸最大累計厚度達(dá)6 m左右且分布無規(guī)律。4號煤層頂?shù)装鍘r層均以低強(qiáng)度的巖層為主，其中：煤層偽頂為強(qiáng)度低的泥巖，易與直接頂之間形成離層而垮落；直接頂和基本頂分別為泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖，滑面接觸，強(qiáng)度低，整體性較差；煤層直接底和基本底分別為粉砂巖和中粗砂巖，含有膨脹性礦物，遇水后易出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，極易發(fā)生底鼓。

2 巷道底鼓原因分析

由于4號煤層整體較為軟弱且受采空區(qū)積水軟化影響明顯，進(jìn)一步會加大殘余側(cè)向支承應(yīng)力影響范圍。為明確47407綜放工作面采空區(qū)對周圍煤巖體產(chǎn)生的殘余側(cè)向支承應(yīng)力峰值位置，采用式(1)和式(2)進(jìn)行估算[21]。

煤體的極限強(qiáng)度σt計算公式如下：

σt=2.792(ηK1σc)0.792

(1)

式中：η為煤巖軟化系數(shù)，取0.5；K1為煤巖力學(xué)修正系數(shù)，取0.45；σc為煤巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，取 12 MPa。

側(cè)向支承應(yīng)力峰值與煤壁邊緣距離x0計算公式如下：

(2)

式中：M為煤層開采厚度，m；λ為煤體極限強(qiáng)度所在面的側(cè)壓系數(shù)；γ為上覆巖層平均重度，MN/m3；C為煤體黏聚力，MPa；φ為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦角，(°)；α為煤層傾角，(°)；Px為煤壁的側(cè)向約束力，MPa。

對公式(2)中各量分別進(jìn)行賦值，其中M取 8.3 m，λ取0.5，γ取2.230 7 MN/m3，Px取0.3 MPa，C取4.5 MPa，φ取30°，α取32°。經(jīng)計算，側(cè)向支承應(yīng)力峰值與煤壁邊緣距離約為17 m，而留設(shè)煤柱寬度為15 m左右，導(dǎo)致401回風(fēng)平巷開掘位置正好處于47407綜放工作面采空區(qū)殘余側(cè)向支承應(yīng)力的峰值區(qū)域附近。采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力分布與巷道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力分布與巷道位置關(guān)系圖

3 應(yīng)力分布規(guī)律

為研究4號煤層側(cè)上方采空區(qū)應(yīng)力作用對煤巷的影響，同時對401回風(fēng)平巷底鼓原因進(jìn)行科學(xué)分析，以401回風(fēng)平巷為建模對象，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立長×寬×高為300 m×100 m×200 m的數(shù)值分析模型，并且將模型上部邊界設(shè)定為自由邊界，四周及底部邊界采用位移約束。根據(jù)4號煤層埋深大小對模型頂部施加15 MPa的垂直載荷，模型設(shè)定為莫爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

巷道底板加固前的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布云圖如圖2所示。

(a)垂直應(yīng)力分布

(b)水平應(yīng)力分布

(c)垂直位移分布

(d)塑性區(qū)分布

由圖2可知，401回風(fēng)平巷開掘后其原巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力增高區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的非均稱性，其中：垂直應(yīng)力最大值(25 MPa)在距離左幫角約3 m處且影響范圍達(dá)到了19 m左右，時刻影響著巷道左幫角的穩(wěn)定；水平應(yīng)力最大值(10 MPa)在距離巷道左幫約4 m處，時刻影響著底板的穩(wěn)定；底板最大垂直位移約500 mm，其整體塑性區(qū)范圍較大，巷道兩底角處存在剪切區(qū)，拉伸區(qū)延伸至巷道底板1 000 mm深度以內(nèi)。

通過上述分析可知，處于大傾角煤層內(nèi)的401回風(fēng)平巷圍巖較松軟，整體性差，蠕變現(xiàn)象較明顯，從而導(dǎo)致巷道出現(xiàn)較嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象，且巷道圍巖在應(yīng)力的作用下不斷地向自由面擴(kuò)張。

4 回風(fēng)平巷底板松動圈探測

401回風(fēng)平巷底板在高應(yīng)力影響下破壞嚴(yán)重，為了探查巷道底板的具體破壞深度，為底板加固方案提供依據(jù)，采用CXK-7.4型礦用鉆孔成像儀對該巷道底板進(jìn)行松動圈探測，其結(jié)果如表2和圖3 所示。

表2 巷道底板破壞深度探測結(jié)果

(a)裂隙 (b)離層

從探測結(jié)果得知，401回風(fēng)平巷底板在應(yīng)力影響下出現(xiàn)了不同程度的破碎區(qū)和塑性區(qū)，破碎區(qū)主要集中在巷道底板表面距圍巖內(nèi)部1.0 m范圍內(nèi)，且部分地方巖石遇水崩解泥化較嚴(yán)重。1.0 m位置到鉆孔孔底為塑性區(qū)，存在大量的裂隙。

5 底板加固方案

根據(jù)401回風(fēng)平巷圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及圍巖松動圈測試結(jié)果，決定對巷道底板實施反底拱處理并配合錨注措施對底板進(jìn)行綜合加固，加固方案如圖4 所示。

(a)底板錨桿布置斷面圖

(b)頂板、兩幫斷面展開圖

首先對巷道底板進(jìn)行反底拱處理，然后鋪設(shè)金屬網(wǎng)安裝錨桿，之后進(jìn)行底板注漿。

1)錨桿參數(shù)。采用MSGLW-500/22×2 800型礦用高強(qiáng)抗剪切讓壓錨桿配合150 mm×150 mm×10 mm 高強(qiáng)弧形托盤，錨桿間排距900 mm×900 mm。

2)注漿加固。注漿加固采用一次注漿加固和二次復(fù)注加固方式進(jìn)行。一次注漿與二次復(fù)注均采用適用于高泥質(zhì)巖的親泥性注漿材料，通過注漿管進(jìn)行注漿。

6 加固效果分析

6.1 模擬對比

建立長×寬×高為300 m×100 m×200 m的加固數(shù)值模型，并在開挖巷道周邊建立注漿加固區(qū)，如圖5所示，采用全錨支護(hù)方法配合注漿加固區(qū)材料參數(shù)替換法，錨注加固厚度2 m。參照礦山提供的實測資料和親泥性注漿材料試驗資料，通過理論計算[22]，得出注漿加固區(qū)的體積模量為4.5 GPa，切變模量為3.7 GPa，內(nèi)摩擦角為30°，黏聚力為8 MPa，抗拉強(qiáng)度為5.15 MPa。

圖5 錨固注漿巷道模型

對回風(fēng)平巷加固前后的底板圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)進(jìn)行模擬對比分析。巷道底板加固后的圍巖應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布云圖如圖6所示。

(a)垂直應(yīng)力分布

(b)水平應(yīng)力分布

(c)垂直位移分布

(d)塑性區(qū)分布

由圖2分析可知，加固前的垂直應(yīng)力最大值約為25 MPa，主要集中在距離巷道左幫底角3～19 m的范圍內(nèi)；水平應(yīng)力峰值約為10 MPa。底板最大垂直位移約為500 mm，其影響范圍約占巷寬的60%；底板垂直位移為0～500 mm，約占巷寬的40%。底板整體塑性區(qū)范圍較大。

對比圖2和圖6可知，加固后的巷道周邊圍巖內(nèi)部垂直應(yīng)力最大值約為45 MPa，比加固前增大了約80%；水平應(yīng)力峰值約為12 MPa，比加固前增大了約20%。底板最大垂直位移約為25 mm，比加固前降低了約95%。加固后的底板整體塑性區(qū)范圍比加固前降低了約33%。

通過上述對比分析得出，底板反底拱處理配合親泥性注漿材料錨注加固的控制方法，對巷道底鼓治理效果較好。

6.2 現(xiàn)場監(jiān)測

在加固巷道50 m處布置觀測斷面,對巷道底板位移進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖7所示。

圖7 巷道底板位移變化曲線

由圖7可以看出，前10 d巷道圍巖應(yīng)力變化較大且底板位移變化量較大；20～50 d底板位移變化量呈明顯的下降趨勢；50 d以后底板位移變化量較小，巷道圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)；80 d以后底板位移變化量基本不變，巷道底鼓得到了較好的控制，巷道支護(hù)狀態(tài)穩(wěn)定。

7 結(jié)論

1)王家山煤礦中二401回風(fēng)平巷為深部大傾角高泥質(zhì)軟巖巷道，巷道處于高應(yīng)力狀態(tài)且非均稱性較明顯，巷道底鼓較嚴(yán)重，現(xiàn)場采用頻繁挖底的方法來維持巷道的基本使用。但頻繁挖底易造成巷道底板整體性越來越差，導(dǎo)致兩幫與頂板支護(hù)系統(tǒng)失效，降低了巷道圍巖的穩(wěn)定性，有嚴(yán)重的安全隱患。

2)通過理論計算、數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場實測得出，該巷道底鼓以應(yīng)力型底鼓為主，膨脹型底鼓為輔。針對巷道底鼓嚴(yán)重的問題，提出對巷道底板采用反底拱處理配合錨注加固方法來解決。

3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用反底拱處理措施并且配合注漿加固方案，對巷道底鼓治理效果最為明顯。結(jié)合現(xiàn)場試驗巷道底板位移實測數(shù)據(jù)分析，反底拱處理配合親泥性注漿材料錨注加固的控制方法，能夠有效降低巷道底鼓量，保持巷道的基本穩(wěn)定。