堅硬頂板回采巷道底鼓控制相似模擬研究

李忠

（晉能控股煤業集團 潞安煤炭事業部，山西 長治 047500）

0 引言

為保證安全高效生產，礦井巷道要盡量保證其設計斷面尺寸。然而在超前支承壓力的影響下，底鼓現象十分普遍[1-3]。同發東周窯煤礦5103 煤巷在原支護條件下，回采期間巷道累計底鼓量為600 mm，巷道底鼓已影響正常膠輪車運行。因而需在認識底鼓機理的基礎上進行底鼓控制，進而采取措施使巷道斷面滿足要求，對于礦井高效生產有著重要意義。

1 概況

1.1 礦井概況

同發東周窯煤礦位于山西省左云縣東，行政隸屬大同市左云縣所轄。井田面積101.4129 km2，礦井設計規模為10.00 Mt/a。山4 號層8103 工作面走向長度1517 m，傾向長233 m。依據公司命名方式，8103 工作面運輸順槽命名為5103 巷、回風順槽命名為2103 巷。8103 工作面位于一盤區的東部，西部為已回采完畢的8102 采空區，5103 巷與8102 工作面2102 巷間隔6 m 保護煤柱，東部以及南部為實體煤。

1.2 工作面地質概況

經煤巖力學測試，8103 工作面老頂粗砂巖的單軸抗壓強度達到60.12 MPa，直接頂粉砂巖的單軸抗壓強度達到32.76 MPa，煤層頂板強度較大，屬于堅硬頂板。山4 號煤的單軸抗壓強度為9.49 MPa，屬于軟煤。底板泥巖單軸抗壓強度為19.51 MPa，屬于軟巖。

工作面地質條件相對復雜，主要表現為煌斑巖不規則侵入、地應力較大、煤層厚度變化大、斷層構造復雜，不利于巷道穩定性。

2 巷道原支護方案與改進方案

5103 巷原支護采用錨網索支護。頂錨桿為φ22 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，屈服強度400 MPa，距巷道兩幫300 mm 各打1 根錨桿，中間錨桿間距920 mm，錨桿排距2000 mm，垂直頂板，每排5 根。幫錨桿為φ2 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距均為1000 mm。錨索為φ21 mm-1×19-6300 mm 鋼絞線，錨索排距2000 mm（一排錨桿、一排錨索），間距1100 mm、每排5 根。

采用“十字測量法”觀測5103 巷表面位移規律，在5103 巷距離切眼200 m 處布置1 個測站。在采動影響下，該測站的巷道表面變形量如圖1 所示。

圖1 巷道頂底板變形圖Fig.1 Deformation diagram of roadway roof and floor

在整個觀測期間內，巷道底鼓量為600 mm。5103 巷受工作面采動影響時，頂底變形中主要表現為底板的鼓起，底鼓量已嚴重影響了運輸、行人。

通過分析研究，決定通過加強兩幫支護強度，以及布置底角錨桿來增加移動阻力，控制滑移減少底鼓。底板底角錨桿選用BHR400 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2.4 m，與垂直面角度為30°。

3 回采巷道底鼓控制物理相似模擬試驗研究

為驗證回采巷道動壓影響下底板的變形機理及初步控制方案的效果，通過實驗室平面應變相似材料模擬試驗，分析原支護下及初步方案支護下各階段底板巖層位移及應力變化規律。

3.1 相似模擬試驗設計

3.1.1 模型基本參數

3.1.1.1 試驗臺及模擬巷道參數

結合工程實踐，試驗應用平面應變三軸試驗臺進行試驗，試驗臺尺寸長×寬×高為1000 mm×1000 mm×200 mm。巷道尺寸及模型幾何相似比為1∶25。

3.1.1.2 圍巖模擬材料

根據同發東周窯煤礦5103 煤巷實際情況進行模擬材料選擇，實驗中，圍巖及煤層密度均為2.5 kg/m3，模擬材料密度為1.7 kg/m3，因此應力相似比為1∶36.8。試驗配比參數見表1。

表1 試驗材料配比參數Table 1 Ratio parameters of the test material

3.1.1.3 錨桿模擬材料

現場采用BHR400 螺紋鋼錨桿，破斷力為490 MPa，經計算，錨桿模擬材料拉斷載荷理論值為9.4 N。經測定，4A 保險鉛絲直徑為0.8 mm，拉斷載荷為10 N，符合幾何及應力相似比。試驗中采用預埋的方式安設錨桿，錨桿自由段套塑料細管，不考慮預緊力。

3.1.2 試驗方案及加載、測量方案

3.1.2.1 試驗方案

為研究底角錨桿支護對動壓影響下底鼓的控制作用，試驗一為在原支護參數；試驗二為在加強兩幫支護并補打底角錨桿。

3.1.2.2 巷道成型及錨桿安設方案試驗材料晾干后開挖巷道，該試驗通過預埋巷道框架的方法使巷道成型并有效安裝錨桿。

3.1.2.3 加載方案

試驗臺三向六面均可加載，其中垂直、水平、前后三組載荷同方向相等。試驗加載系統為液壓加載，加載范圍為0.35 ～10 MPa。

試驗加載分為2 個階段，第一個階段為原巖應力階段，第二階段為動壓影響階段。

（1） 原巖應力階段。

將模擬材料晾干后的模型加載到原巖應力，模型模擬的垂直原巖應力為σ1=0.27 MPa，按測壓系數1.2 計算，側向應力為σ2=0.32 MPa。由于加載系統所限，垂直方向對模型加載0.35 MPa，水平方向加載至0.42 MPa，并保持壓力1 h，以使模型材料充分壓密。

（2） 動壓影響階段。

由于模型走向方向較短，無法進行工作面的回采模擬，因此動壓階段根據現場實測的支承壓力增高系數進行模擬動壓加載。具體方式為每0.5 h 垂直應力增加0.1 MPa 直到動壓載荷，水平應力及前后走向應力按測壓系數1.2 進行相應加載。若加載到動壓載荷巷道底鼓未達到相應值，則繼續每0.5 h 垂直應力增加0.1 MPa，直到底鼓量達到相應值，記下載荷值。

3.1.3 測量方案

（1） 應力測量。通過放置壓力傳感器測量圍巖應變，再通過公式計算出相應應力。

（2） 巷道表面及深部位移測量。巷道表面及深部位移量可直觀反映底鼓發生時巖層移動情況及初步方案的控制效果。本試驗采用坐標測量法測量巷道圍巖位移量。

3.2 試驗結果分析

打開試驗臺前板，對網格進行測量記錄，巷道變形情況如圖2 所示。

圖2 巷道變形情況Fig.2 Roadway deformation

試驗一各測點應力（實際應力） 與動壓系數關系曲線如圖3 所示，試驗二各測點應力（實際應力） 與動壓系數間關系曲線如圖4 所示。

圖3 試驗一各測點應力與動壓關系Fig.3 The relationship between stress and dynamic pressure of each measuring point in experiment 1

圖4 試驗二各測點應力與動壓關系Fig.4 The relationship between stress and dynamic pressure of each measuring point in experiment 2

由圖3 及圖4 可知，①各點應力加載初期應力穩速增長，加載后期應力恒定或衰減；②試驗一頂底板的水平應力相對大于兩幫水平應力，底板處水平應力隨深度增加而增加，增加幅度基本一致，4～5 m 處相對較大，均為10 MPa 左右，說明應力逐漸向深部轉移，集中于底板4 m 處。底板巖層在動壓系數達3.5 左右開始衰減，承載能力下降，巖層開始發生破壞，產生底鼓。試驗二中應力相對較小，應力也集中于底板4 m 處，4 ～5 m 處相對較大為9.7 MPa 左右。2 組試驗底板深部1 m 巖層左右兩處應力與3 m 巖層左右兩處應力均大于相應深度巖層應力，說明兩幫應力傳遞到底板主動應力區，應力作用到被動應力區后隨深度減小而減小。

以距巷道中心線距離為橫坐標，試驗一巷道頂底板巖層位移曲線如圖5 所示，試驗二巷道頂底板巖層位移曲線如圖6 所示。

圖5 試驗一巷道頂底板巖層位移圖Fig.5 Roof and floor strata displacement of roadway in experiment 1

圖6 試驗二巷道頂底板巖層位移圖Fig.6 Roof and floor strata displacement of roadway in experiment 2

由圖5 及圖6 可知，在加載作用下，試驗一底板產生向上垂直位移625 mm，兩幫壓入底板200 mm，底板深部1.25 m 巖層中位于煤幫下方處下沉50 mm，表明底板主動應力區向下滑移，被動應力區產生向上位移。底板深部圍巖隨深度增加向上位移量逐漸減小，底板下方3.75 m 處巖層位移量125 mm，相對較小，底板下方7.5 m 處巖層基本穩定。試驗二底板巖層位移規律與試驗一相似，但位移值較小，底板產生向上垂直位移300 mm，兩幫壓入底板125 mm，底板深部1.25 m 巖層中位于煤幫下方處下沉25 mm，底板下方3.75 m 處巖層位移量75 mm，底板下方7.5 m 處巖層基本穩定。

通過相似模擬試驗可知，安裝底角錨桿及加強兩幫支護可有效控制巷道圍巖移近量，底鼓的控制率達52%，控制效果較顯著。

4 工業性試驗

在5103 巷試驗段按照上述控制技術方案進行工程實踐。在5103 巷布置礦壓監測站。測站距試驗開始位置150 m，測站布置2 個測面，測面間距1.0 m。監測內容為巷道表面位移。測站的巷道表面變形量如圖7 所示。

圖7 巷道頂底板變形曲線Fig.7 Deformation curve of roadway roof and floor

在觀測時間段內，巷道頂板累計下沉量為72 mm，底鼓量為258 mm，兩幫累計移近量為388 mm。與原始支護段底鼓量600 mm 相比，底鼓量減小57%，底板巖層得到有效控制。工業性試驗取得成功。

5 結論

（1） 回采巷道產生底鼓最主要的原因是工作面超前支承壓力的影響，超前支承壓力由頂板通過兩幫傳遞給底板。巷道底板向上隆起，造成底鼓顯現。

（2） 通過物理相似模擬可知，對底板巖層的控制可減小底板主動壓力區的位移，對兩幫支護密度的加強可有效控制兩幫及頂板的下沉。

（3） 采用加強兩幫支護、安裝底角錨桿可有效控制底鼓，為堅硬頂板條件下的軟巖底板回采巷道提供實踐經驗。