正善煤礦底鼓機理與治理技術研究

劉應龍

（山西汾西正善煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

隨著礦井開采深度的增加與地質條件的日趨復雜，巷道圍巖所承受的應力逐漸增大。圍巖應力的增大會導致礦山壓力顯現明顯，巷道出現底鼓、冒頂和沖擊地壓等安全問題，影響礦井的安全生產。巷道底鼓是由于上覆巖層自重應力、構造應力和水平應力等共同作用下，在巷道底板應力集中，當集中的應力超過巷道所能承受的極限時，巷道會出現底鼓[1-4]。工作面的采深、構造情況和底板巖層性質等是影響巷道出現底鼓的主要因素。巷道底鼓影響礦井的生產效率，對礦井的安全有一定的影響。因此，對于底鼓應當采用有效的措施進行治理，使礦井能夠安全生產。

1 概況

山西汾西正善煤業有限責任公司位于孝義市西南直距約20km處，井田呈規則四邊形，南北長約3.203km，東西寬約3.298km，批準開采2、3、4號煤層，井田面積10.5602km2。全礦井工業儲量為2368萬t，礦井可采儲量為1689.4萬t，服務年限14.4a。礦井地質構造屬簡單類型，水文地質條件為中等類型，屬自燃煤層，煤塵有爆炸危險性，為低瓦斯礦井。

全井田劃分一個水平開拓，水平標高+724m，劃分為兩個采區，裝備1個綜合機械化采煤工作面，即2201首采工作面，工作面走向長度1698m，傾向長度176.5m，平均采高2.2m。

2 底鼓發生機理

巷道開掘之前，煤巖體是處于三向應力的平衡靜止狀態[5-6]。巷道的開掘使其平衡狀態破壞，應力重新分布，受到高集中應力的作用，主要表現為應力范圍的增大和應力的峰值向煤壁深部轉移，在巷道邊緣前方形成應力增高區，部分圍巖的應力進入塑性狀態分布。由于塑性區內的巖體的粘聚力已經基本消失，主要依靠巖塊間的摩擦力維持穩定，煤體的承載能力大幅下降，處于極不穩定的狀態，在外界擾動的作用下，圍巖的塑性的范圍會逐漸擴大，會導致巷道圍巖發生頻繁的剪切破壞。

由于正善煤礦采深大，底板巖層強度低，巷道掘進時，上覆巖層的高集中應力經過兩幫向巷道底板傳遞，在水平應力與自重應力的共同作用下，會在巷道底板形成高集中應力區，在該區域巷道底板應力由彈性狀態轉化為塑性狀態。隨著巷道的不斷掘進，底板所承受的集中應力不斷增大，底板巖層發生頻繁的剪切破壞，當集中應力超過巷道所能承受的極限時，巖層不斷剪切破壞出現的斷裂面延伸到巷道底板，巷道底板出現底鼓。其發生機理如圖1所示。

圖1 底鼓發生機理示意圖

3 數值模擬

3.1 模擬方案

（1）對不同采深下巷道底板底鼓量進行數值模擬，來判定自重應力對巷道底板量的影響。

（2）分析構造應力對巷道底板底鼓量進行數值模擬，來判定構造應力對巷道底板量的影響。

3.2 自重應力對巷道底鼓影響數值模擬

通過RFPA數值模擬軟件分別模擬巷道200m、400m、600m、800m埋深時，自重應力對巷道底板的破壞情況，模擬結果如圖2所示。

圖2 不同采深巷道底板破壞模擬圖

由圖2數值模擬結果可知，巷道在不同埋深時底板底鼓量不同，隨著巷道埋深的逐漸增加，巷道底鼓量越來越大。當巷道埋深為200m時，巷道底板的兩幫底角區域為薄弱區域，底板受到水平應力的作用開始出現剪切破壞，由底角區域逐漸向巷道底板延伸，斷裂面延伸到巷道底板區域底板出現倒三角現象。隨著埋深的增大，倒三角區域逐漸增大，底鼓現象越發嚴重。因此，由模擬結果可知，巷道開采深度增加會導致自重應力增大，巷道底鼓現象也越發明顯。

3.3 構造應力對巷道底鼓影響數值模擬

在地質構造復雜的地方開掘巷道，巷道開掘所承受的應力以構造應力為主，構造應力為主應力，不同的地質構造條件巷道所承受的構造應力的方向和大小有所不同[7-8]。不同于自重應力場中自重應力作為巷道主應力的情況，在構造應力場中水平應力大于垂直應力，因此水平應力作為巷道的主應力，通過RFPA數值模擬，在巷道埋深一定的情況下（400m），分析不同水平應力系數K=1.2、K=1.8、K=2.0時，巷道底板底鼓量。數值模擬結果如圖3所示。

圖3 構造應力場不同水平應力系數巷道底鼓量

由圖3可知，隨著水平應力的增大，在巷道埋深一定的情況下，巷道底鼓量越來越大。在巷道開掘過程中，自重應力和構造應力是影響巷道底鼓量的兩個重要因素，不管是自重應力還是構造應力都會加大巷道的底鼓量。

4 巷道底鼓治理措施

4.1 開掘卸壓槽

在巷道底板開掘槽，可以降低巷道底板的集中應力，卸壓槽的挖掘，破壞了巷道底板應力傳遞的連續性，使巷道所承受的水平應力向深部轉移，避免了應力在巷道底板集中，卸壓槽的挖掘吸收巷道出現底鼓的能量。圖4為巷道底板開掘卸壓槽示意圖，由圖4可以看出，泄壓槽的開掘，巷道底板的應力由C向深部D轉移，減少巷道底板所承受的應力，避免巷道出現底鼓。

在2201首采工作面運輸巷與回風巷掘進過程中，為了避免巷道底板出現底鼓，在巷道掘進過程中挖掘一條沿著巷道走向布置的卸壓槽進行底板卸壓，卸壓槽的寬為0.5m，深為1.8m，巷道掘完后，采用矸石對卸壓槽進行人工充填，避免影響礦井行車、行人安全。

圖4 開掘卸壓槽巷道底板應力轉移圖

4.2 底板支護

2201首采工作面運輸巷與回風巷掘進過程中采用底板錨桿和錨索對巷道底板進行支護，通過錨桿來提高巷道底板的抗剪切能力，阻止底板巖層由于應力集中而出現相對滑動，加固底板巖層的強度，提高巷道底板的穩定性。巷道底板通過錨桿進行支護后，巷道底板巖層形成組合拱結構，組合拱結構能加固底板巖層強度，控制底板變形。支護參數為：錨桿選用Ф20×3000mm（MSGLD-500/20）左旋等強度全螺紋錨桿，錨桿間排距為1000×1000mm；錨索選用Φ17.8×5000mm鋼絞線（SKP18-1/1860）錨索，斷面間排距為1500×2700mm。其底板支護布置示意圖如圖5所示。

圖5 底板支護布置示意圖

4.3 底板注漿

底板注漿的原理是通過注漿加固底板由于剪切破壞而導致的破碎巖層，注漿液可以增強巖層間的粘聚力，提高底板圍巖的強度，增強巷道底板抗變形能力，保持巷道底板的完整性，避免巷道出現底鼓現象。底板注漿可以在控制底板變形過程中形成一個控制底板鼓起的反拱。

在2201首采工作面運輸巷與回風巷底板無注漿時，底鼓量為241mm，巷道底鼓量較大，對礦井的安全生產有一定的影響；在礦井采用注漿加固底板時，巷道底鼓量明顯減小，底鼓量為123.5mm。因此，采用底板注漿的措施能有效地減小底板的底鼓量。

底板注漿不僅可以降低減小巷道的底鼓量，其對底板的加固作用在一定程度上也可以防治底板欲裂水，降低發生底板型沖擊地壓的危險性。因此，礦井底板注漿能夠降低發生災害的危險性，對礦井的安全生產具有重要的意義。

5 結論

（1）分析了巷道底鼓發生的機理，是在自重應力、構造應力和水平應力等作用下，在巷道底板形成應力集中區，當集中的應力超過底板所能承載的極限時，巷道底板會發生底鼓。

（2）采用RFPA數值模擬分析了自重應力與構造應力對巷道底鼓的影響，通過模擬結果可知，巷道埋深越大，巷道所處位置地質構造越復雜，巷道底鼓量越大。

（3）采用開掘卸壓槽、底板錨桿、錨索支護、底板注漿加固的的措施治理巷道底鼓，實踐證明具有良好的效果。