礦井巷道底臌變形機理與控制研究

栗芃鵬

（潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046000）

隨著礦井的開采，地質條件不斷復雜化，巷道圍巖穩定性變差，特別是對山西省的一些衰老煤礦而言，開采年限不斷縮短，開采深度快速延伸，采掘銜接困難頻繁出現[1-3]。為此多數礦井采用高強度支護系統，而底板是敞開式的無支護體系，加上圍巖裂隙水和生產用水的影響，其泥化效應加劇巷道底板變形破壞[4]。

1 工程背景

常村煤礦位于山西省屯留縣，煤種為中灰、特低硫磷、特高發熱量的優質煤。3#煤位于山西組的中、下部，為全井田可采，煤層埋深為470m。根據兩巷探煤厚點統計確定該工作面煤層總厚為5.62～6.12m，平均厚度為5.66m，含夾矸0～1層，平均厚度為0.05m。工作面頂底板巖性為：基本頂為中粒砂巖，平均厚度3.85m，直接頂為粉砂巖，平均厚度3.15m，直接底為中粒砂巖，平均厚度1.33m，基本底為粉砂巖，平均厚度1.33m。

2101工作面采用“一進一回”的巷道布置方式，兩條巷道均由南向北布置（圖1）。2101工作面傾向長度為245m，走向長度1272.4m。運輸巷道和回風巷道斷面呈矩形，巷道寬5m，凈高 3.5m，凈斷面積17.5m2。巷道采用高預應力讓壓錨桿+雙鋼筋托梁+網+錨索聯合支護形式。

圖1 工作面布置情況

2 巷道現狀

2.1 現有巷道支護系統

（1）頂板支護：每排6根頂錨桿，錨桿間距900mm，排距900mm；錨索每排2根，小三花布置，間距1200mm，排距1200mm。鋼筋托梁規格型號為：Φ16×4300mm×1000mm×120mm（5眼）。金屬網規格：4600×1100mm。

（2）巷道兩幫：每排3根錨桿，錨桿間距1300mm，排距1000mm，幫頂角錨桿距離頂板為400mm，幫底角錨桿距底板為500mm。

（3）底板無支護。

圖2 現有巷道支護系統

2.2 巷道變形量

支護體可以較好地控制頂板下沉和兩幫收斂，但是對于防止底鼓還不夠。

為了觀測巷道底鼓量，采用十字交叉方法測量巷道移近量。發現巷道兩幫移近量不大，而無支護的底板變形量較大，達到700～1200mm，已經嚴重影響到工作面正常生產。

3 數值模擬

為更加清楚底鼓變形的機理，建立FLAC3D數值模型進行分析。模型采用M-C本構模型，具體的巖石力學參數見表1。采用模擬模型尺寸：長30m，寬10m，高21m，巷道斷面5m×3.5m。煤層埋深470m，容重25kN/m3。限制模型前后左右和底面五個面的位移，上部為自由面，施加11.75MPa垂直應力，側邊施加12MPa的水平應力（見圖3）。

表1 巖石力學參數

圖3 初始狀態的數值模擬

圖4 巷道位移量和塑性區

通過觀測巷道的位移量，可明顯看到在垂直應力和水平應力的共同作用下，巷道底臌量達到1000mm。從巷道的塑性區可以看到，底板有較大部分進入塑性狀態，造成巷道底板更加易破壞（圖4），從而驗證了礦井實際生產中，巷道底板無支護底臌的移近量較大。巷道底板若不采取支護措施，必然會導致礦井生產活動受限。

4 巷道底板加固

圖5 底板加固效果

考慮到巷道底板控制的重要性，采用整體進行反底拱澆筑作業，開挖掉失效巖體形成強力基礎梁結構，繼而進行錨桿注漿加固（圖5），增加底板的抗剪切能力，減小水平應力和垂直應力下的底板破壞。水平應力Fx1和垂直應力Fz1通過底角錨桿的作用，化為軸向方向的合力抵消部分作用；錨桿法向方向的合力增強，限制底板向中間涌出破壞，使得底板具有一定的抗彎特性。

5 結論

現有的支護體系主要是對頂板和兩幫進行控制，而對底板控制較少。隨著采深和機械化程度的增高，底板破壞量越來越大，礦井實際的底臌量達到700～1200mm，嚴重影響正常礦井生產。通過模擬法也驗證在地應力的作用下，巷道底鼓量較大。為此，應當采用底板“反底拱+注漿+錨桿”支護，有效控制巷道的底臌。