深部礦井底板破壞深度范圍確定

呂云龍

（開灤集團 蔚州礦業公司，河北 張家口 075700）

0 引 言

巷道開掘后，巷道底板在采動應力擾動下，應力重新分布，底板巖體在擾動應力影響下發生變形，嚴重時出現破壞，造成底板發生底鼓等現象[1-4]。確定底板破壞深度是底板圍巖變形控制的基礎，國內外很多學者進行底板破壞研究，通過數值模擬[5]、積分變換[6]等多種方法確定底板破壞深度解析解。楊仁樹[7]等人將底板假設為橫觀各向同行體，通過理論分析和數值模擬等方法確定底板應力在不同方向分布的差異性，并進行底板損傷破壞深度及損傷區分布求解；陳盼[8]等人針對軟巖巷道底板變形破壞問題，提出巷道整體支護的思想，通過合理優化支護參數，應用反底拱技術進行底板變形控制，并通過現場驗證取得較好效果；王文才[9]等人通過理論分析和數值模擬對棋盤井礦煤層底板變形分析研究，提出“底板注漿幫角錨桿加固+底板表面澆筑混凝土”的方法控制底板變形，通過對比支護條件和無支護條件下的模型位移量、塑性區等因素確定方案控制效果；王憲勇[10]等人利用數值模擬和相似模擬試驗的方法進行不通過推進距離底板破壞特征研究，確定采動作用下的底板破壞特征，并建立底板破壞與工作面推進距離的解析表達式；黃琪嵩[11]等人使用傅里葉變化確定層狀底板采動應力和破壞深度與采動應力間的剛度矩陣關系，并使用Matlab 編程確定底板破壞深度解析解，通過與傳統方法進行對比，確定剛度矩陣分析法更準確預測采動應力下底板破壞深度。

上述學者針對底板破壞進行廣泛研究，通過數值模擬多因素分析，或建立解析式確定底板破壞理論深度，但結果缺少現場驗證，有效性待驗證。本文以首采區一煤西翼工作面為工程背景，通過分析底板圍巖破壞過程，確定底板應力變化規律和巷道底板破壞深度，并進行現場試驗，確定工作面底板破壞深度。

1 概 況

1.1 地 質

首采區一煤西翼工作面地面相對位置為東距西莊村約193 m，南距工業廣場1 471 m，西北距崔家寨村約161 m、北距井田邊界560 m。井下相對位置北部為首采1 煤1104N 設計工作面，南部無采掘活動，東側為首采區1 煤東翼集中皮帶巷，西部無采掘活動；上覆為首采5 煤部分采空區,下伏為煤系基底奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓含水層，巷道采深為607.8～660.3 m。

表1 工作面頂底板巖性Table 1 Lithology of roof and floor

1.2 水 文

巷道掘進期間主要充水水源為煤系基底奧陶系灰巖水，局部受OD2 奧灰富水異常區影響，增強了其局部富水性；導水通道主要是斷層、地質異常體。

因煤層底板與灰巖間距較小，影響涌水量變化因素較多，并且根據實際鉆探單孔涌水量13 m3/h，分析預計，軌道巷、皮帶巷掘進正常涌水量30 m3/h，最大涌水量45 m3/h。

1.3 巷道支護

頂部采用“錨網+鋼帶”聯合支護，幫部采用錨網支護。

1.3.1 頂部支護

頂部每排打設6 根頂錨桿及1 片4.4 mW 型鋼帶，錨桿采用φ20 mm×2 200 mm 右旋等強螺紋鋼錨桿支護。間距900 mm，排距900 mm。每個鉆孔加注2 支K2850 樹脂錨固劑，使用和錨桿配套的等強鐵托盤和螺母，設計錨固力≥70 kN。遇頂板節理發育、松軟、壓力大地段采用錨索加強支護。

1.3.2 幫部支護

根據圍巖穩定性及工作面實際情況采用錨網支護，錨桿采用φ16 mm×2 000 mm 等強螺紋鋼錨桿，每排每幫打設4 根，第一根距頂300 mm，第二根與第一根、第三根與第二根、第四根與第三根、間距均為900 mm，排距為900 mm，第四根幫錨桿呈45°向下打設。另外在第一根與第二根、第二根與第三根之間進行打設五花眼。每個鉆孔加注2 支CK2530 樹脂錨固劑，托盤使用與錨桿配套的等強鐵托盤，設計錨固力≥40 kN。金屬網采用金屬菱形網（12 號鐵絲編織） 7 500 mm×1 060 mm（長×寬）。

總之，將法律認同作為實現“一帶一路”倡議的基礎性工作，這要求我國在充分研究和尊重現有國際商事規則的基礎上，提出既適合中國國情，又適應世界發展潮流的現代商事規則。只有在充分考慮國際社會可接受程度的基礎上，完善我國的商事法律制度并對外推廣才能真正在推動法律趨同的過程中獲得法律認同。因此，在“一帶一路”倡議中向世界推行的商事規則，不可能等到我國商事規則完善之后才進行，我國應當雙管齊下，在現代商法理念的指導下構建與完善國內商事法律制度的同時，積極探尋符合世界商事活動要求的商事規則，從而確保我國“一帶一路”倡議的準確方向和最終目標的實現，提升我國在當代世界商事規則形成上的話語權。

1.3.3 臨時支護

臨時支護是由4 根長3 m 的10 號槽鋼或縱梁及配套吊環、銷子、木板組成的前探梁，每根前探梁用2 個厚度為10 mm 的鐵板制成的吊環固定在靠近迎頭的2 根頂錨桿上，前探梁上鋪設4 塊2 400 mm×200 mm×30 mm 木板，確保有效護頂。

（1） 倒環。將后路備用吊環倒至迎頭第一排頂錨桿上。

（2） 推梁。拆下木板，將前探梁前推800 mm，上齊木板。

（3） 撤梁。打好頂眼后，拆掉木板，后撤前探梁800 mm，將頂網連接好，錨桿機推送頂錨桿、鋼帶至上頂打好。

巷道支護具體如圖1 所示。

圖1 巷道支護示意Fig.1 Roadway support schematic

頂錨桿采用φ20 mm×2 200 mm 右旋等強螺紋鋼錨桿，鉆孔直徑30 mm，藥卷為φ28 mm×500 mm，金屬菱形網采用12 號鐵絲編織，長×寬為7 500 mm×1 060 mm，頂鐵托盤長×寬×厚為120 mm×120 mm×10 mm，錨索采用φ15.24 mm×7 000 mm 高強度預應力低松弛鋼絞線，4.4 mW 鋼帶。

幫錨桿采用φ16 mm×2 000 mm 等強螺紋鋼錨桿，鉆孔直徑26 mm，藥卷為φ25 mm×300 mm，采用12 號金屬菱形網編織，長×寬為7 500 mm×1 060 mm，頂鐵托盤長×寬×厚為120 mm×120 mm×10 mm，錨索托盤長×寬×厚為500 mm×500 mm×10 mm。

頂錨桿采用φ20 mm×2 200 mm 右旋等強螺紋鋼錨桿，鉆孔直徑30 mm，藥卷為φ28 mm×500 mm，金屬菱形網采用12 號鐵絲編織，長×寬為7 500 mm×1 060 mm，頂鐵托盤長×寬×厚為120 mm×120 mm×10 mm，錨索采用φ15.24 mm×7 000 mm 高強度預應力低松弛鋼絞線，4.4 mW 鋼帶。

幫錨桿采用φ16 mm×2 000 mm 等強螺紋鋼錨桿，鉆孔直徑26 mm，藥卷為φ25 mm×300 mm，采用12 號金屬菱形網編織，長×寬為7 500 mm×1 060 mm，頂鐵托盤長×寬×厚為120 mm×120 mm×10 mm，錨索托盤長×寬×厚為500 mm×500 mm×10 mm。

2 底板巖層破壞規律

工作面回采后，底板圍巖受力狀態轉變，在臨空區底板，受煤體支承壓力影響，底板發生微小的應力變化，在采動應力影響下，底板變形劇烈，底板產生底鼓等一系列嚴重變形[12]，具體應力作用規律如圖2 所示。

圖2 支承壓力形成的底板破壞深度Fig.2 Floor failure depth formed by abutment pressure

分析圖2 可知，隨著工作面的持續推進，工作面推進方向一定范圍內，底板及煤體受支承壓力影響，使該區域的圍巖受壓，即圖中A 區，應力沿底板向底板深部轉移。在采空區側，應力沿著節理方向向采空區轉移，即圖中C 區，該區域底板圍巖發生膨脹破壞，即產生底鼓現象，在工作面覆巖關鍵塊破斷后壓實采空區，C 區圍巖處于壓縮狀態，即底板圍巖在先經歷支承壓力壓縮破壞，采后膨脹破壞，覆巖垮落重新壓實的循環狀態。

在膨脹區內底板圍巖裂隙發育，導水能力加強，在壓縮區和膨脹區分界，底板圍巖受到不同程度剪切應力、拉應力作用，在力的綜合作用下，底板形成破壞區域，并存在最大破壞深度hmax，底板圍巖破壞深度最大值為[13]：

式中：x為支承壓力峰值點到煤壁距離；φ為底板巖石的內摩擦角。

基于礦井實際情況，取x=19.36 m，φ=32°，代入式（1） 可得hmax=30.68 m。

當煤層呈近水平分布時，工作面底板破壞區域分布大致如圖3 所示，其中圖3（a） 為工作面沿傾向分布，受兩側煤體支承壓力作用，在巷道兩側近煤體側底板破壞深度大，在中部采空區底板，巷道受膨脹應力的影響，變形向采空區側發育；圖3（b） 為沿工作面推進方向底板破壞情況，即在支承壓力作用下，臨空側煤體底板受壓，采空區煤體膨脹變形，底板破壞范圍受反向單峰狀分布。

圖3 底板裂隙帶分布示意Fig.3 Distribution of floor fracture zone

3 現場試驗

為進一步確定底板破壞深度，礦井采用井下俯孔壓水試驗法。設備布置后現場工作面底板破壞情況如圖4 所示。

通過數據提取分析，獲得表2 壓水數據。

表2 工作面底板壓水數據Table 2 Floor water pressure data in working face

分析表2 可知，當鉆孔深度超過131 m 后，壓水流量急劇下降，說明此時底板圍巖較完整，即使增加壓水壓力，壓水流量變化也不明顯，說明鉆孔深度小于131 m 時，導水裂隙帶較為發育，鉆孔深度大于131 m 時，圍巖完整性較好。

根據鉆探和壓水試驗結果，確定試驗孔處首采區一煤西翼工作面底板采動破壞帶大約在孔深131 m 左右，即底板采動破壞深度31.7 m，與理論計算值30.68 m 相差不大。

4 結 語

通過對首采區一煤西翼工作面底板圍巖破壞規律進行理論分析，工作面回采后，底板圍巖受力狀態轉變，底板產生底鼓等一系列變形。基于礦井實際情況，確定支承壓力峰值點到煤壁距離等參數，根據建立的底板破壞最大深度表達式，得出底板最大破壞深度為30.68 m。通過井下俯孔壓水試驗法得出底板最大破壞深度31.7 m 的實驗數據。理論數據和現場試驗數據相符，證明深部礦井底板破壞深度范圍確定所建立的底板破壞最大深度表達式精度較高，可用于指導井下生產，相似地質和生產條件的礦井可以采用。