采動(dòng)影響下巷道底鼓現(xiàn)象防治研究

孫 亮

（霍州煤電集團(tuán)云廈建筑工程有限公司白龍礦建分公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

隨著煤炭資源不斷向深部開采，導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力惡化，底鼓問題尤其突出，在受采動(dòng)影響的情況下更為普遍和嚴(yán)重，因底鼓發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，受力情況變化較大，影響因素較多，因此，需針對(duì)具體條件進(jìn)行研究[1-2]。郭玉[3]采用FLAC3D模擬了巷道底板圍巖塑性區(qū)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，優(yōu)化了巷道支護(hù)密度，保證了圍巖穩(wěn)定；王襄禹[4]針對(duì)近斷層采動(dòng)巷道提出了非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)，圍巖變形得到了有效控制。現(xiàn)針對(duì)回坡底煤礦采動(dòng)影響下巷道底鼓治理進(jìn)行研究。

1 工程概況

回坡底煤礦位于山西省洪洞縣北西部和汾西縣西南部，礦井設(shè)計(jì)規(guī)模為1.20 Mt/a，全井田開采10、11 號(hào)煤層劃分為一個(gè)水平開采，水平標(biāo)高+556 m。回坡底煤礦東一采區(qū)11-102 綜采工作面所采煤層為11 號(hào)煤，開采順序采用后退式順序進(jìn)行回采。老頂為粉砂巖，厚度2.2～2.6 m，平均厚度2.5 m，f=6～10；直接頂為泥巖，厚度3.3～3.6 m，平均厚度3.5 m，；直接底為鋁質(zhì)泥巖，平均厚度2.5 m，f=4～6。10 號(hào)煤與11 號(hào)煤層間距為6~7 m。

根據(jù)11-1021 巷具體所處的位置，可得出圖1 的巷道空間位置剖面圖，從圖中可以看出，在10 號(hào)煤上方，存在著寬度范圍約為25 m 的區(qū)段保護(hù)煤柱，11-1021 巷與10 號(hào)煤的區(qū)段保護(hù)煤柱邊緣的錯(cuò)距約為10 m。雖然11-1021 巷已處于10-102 工作面的采空區(qū)卸壓范圍，但區(qū)段煤柱成為了應(yīng)力集中區(qū)域，在煤柱上方會(huì)形成側(cè)向的高支承壓力，煤柱必會(huì)對(duì)下方的巖層產(chǎn)生一定的高應(yīng)力作用，且隨著與煤柱豎直方向距離越遠(yuǎn)的位置，其應(yīng)力作用影響較小，或者在煤柱下方的同一層位，水平方向距離煤柱越遠(yuǎn)，受到的應(yīng)力影響作用也越小。

圖1 11-1021 巷空間位置剖面圖

因此，10 號(hào)煤層存在的區(qū)段保護(hù)煤柱成為11-1021 工作面運(yùn)輸巷圍巖穩(wěn)定性的重要影響因素，根據(jù)目前11-1021 工作面運(yùn)輸巷的底板破碎情況與底板底鼓情況，推斷11-1021 巷處于煤柱產(chǎn)生的高應(yīng)力影響區(qū)域，正是由于11-1021 巷處于煤柱產(chǎn)生的高應(yīng)力影響區(qū)，所以該巷才會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象，因此研究保護(hù)煤柱下方不同位置處的應(yīng)力集中狀態(tài)具有重要的工程意義。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性研究

11-1021 巷上方的10 號(hào)煤10-102 工作面回采結(jié)束后，不僅使煤柱產(chǎn)生支承壓力，還會(huì)使底板產(chǎn)生一定的破壞范圍，因開采而引起的底板破壞范圍，可采用滑移線場(chǎng)理論進(jìn)行分析。孤島煤柱所產(chǎn)生的底板滑移線場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 孤島煤柱引起的底板滑移線場(chǎng)

由煤柱支承壓力產(chǎn)生的滑移線場(chǎng)，在水平方向上可根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)、速度場(chǎng)劃分為3 個(gè)區(qū)域其中圖2 中的1 區(qū)域?yàn)橹鲃?dòng)應(yīng)力區(qū)，2 區(qū)域?yàn)檫^渡應(yīng)力區(qū)，3 區(qū)域?yàn)楸粍?dòng)應(yīng)力區(qū)。3 個(gè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力大小順序?yàn)? 區(qū)域＞2 區(qū)域＞3 區(qū)域，應(yīng)力場(chǎng)的大小順序說明在孤島煤柱下方同一層位時(shí)，應(yīng)力大小隨著與煤柱之間的距離增大而減小。也就是說，11-1021 巷若距離孤島工作面越遠(yuǎn)，巷道圍巖穩(wěn)定性越好。但根據(jù)11-1021 巷目前所處的位置，很有可能處于滑移線場(chǎng)的范圍內(nèi)，因此導(dǎo)致11-1021 巷處于圍巖不穩(wěn)定狀態(tài)，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象。

根據(jù)滑移線場(chǎng)理論，可知滑移線場(chǎng)下方的底板破壞深度公式為：

式中：φ為底板巖層內(nèi)摩擦角。

根據(jù)11-1021 巷底板巖層物理參數(shù)，可計(jì)算得底板破壞最大深度Dmax=14.4 m，已知11-1021 巷位于10 號(hào)煤層下方7m 處，說明11-1021 巷極有可能處于底板破壞范圍帶，因此，根據(jù)滑移線場(chǎng)性質(zhì)，得到圖3，從圖中可明顯看出，11-1021 巷處于滑移線場(chǎng)破壞帶范圍內(nèi)，這說明巷道圍巖穩(wěn)定性以及完整性會(huì)較差，在水平應(yīng)力作用下，巷道底板容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，且巷道大部分面積區(qū)域在過渡應(yīng)力區(qū)域，小部分處于被動(dòng)應(yīng)力區(qū)域，根據(jù)滑移線場(chǎng)的速度場(chǎng)關(guān)系，主動(dòng)應(yīng)力區(qū)域的速度為豎直向下；過渡應(yīng)力區(qū)內(nèi)的速度方向則與滑移線的切線方向成φ的角度（圖中箭頭所示），即繞著A 點(diǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)；被動(dòng)應(yīng)力區(qū)域速度方向也與滑移線的切線方向成φ的角度；因此，不難發(fā)現(xiàn)，11-1021 巷底板位移速度方向?qū)?huì)如圖3 所示，底板速度傾斜向上，同時(shí)，距離煤柱越遠(yuǎn)一側(cè)的底板位移速度更快，所以，11-1021 在10 號(hào)煤層孤島煤柱產(chǎn)生的滑移線場(chǎng)影響下，將會(huì)產(chǎn)生非對(duì)稱性的底鼓現(xiàn)象，如圖4 中的虛線所示，在遠(yuǎn)離煤柱一側(cè)的底板位移量更大。

圖3 11-1021 巷底板與煤柱底板滑移線場(chǎng)位置關(guān)系

圖4 11-1021 巷底板速度場(chǎng)示意圖

3 巷道底板控制技術(shù)

3.1 底板卸壓與加固防治底鼓技術(shù)

根據(jù)上述研究理論表明，結(jié)合回坡底11-1021 巷發(fā)生底鼓現(xiàn)象呈現(xiàn)出的非對(duì)稱性，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，參考底鼓防治卸壓槽原理以及鉆孔充填加固技術(shù)，擬在巷道底鼓關(guān)鍵部位采用鉆孔充填加固底板的底鼓治理方案。該方法其優(yōu)點(diǎn)在于相對(duì)卸壓槽技術(shù)而言，其工程量更小，經(jīng)濟(jì)上更節(jié)約成本。

針對(duì)11-1021 工作面運(yùn)輸巷的底鼓現(xiàn)象，運(yùn)用上述的底板鉆孔充填加固技術(shù)進(jìn)行Flac3d 數(shù)值模擬驗(yàn)證，各巖層物理參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室力學(xué)實(shí)驗(yàn)取得，所建立的模型大小為40.5 m×5 m×21.8 m（長×寬×高），模型底面、左右面、前后面均為固定邊界，頂面施加載荷10 MPa，側(cè)壓系數(shù)取為1。各巖層均選用摩爾庫倫模型。

該數(shù)值模擬采用5 種方案，一種為底板不采用任何支護(hù)技術(shù)的模擬方案，而另一種為采用了底板鉆孔充填加固技術(shù)的模擬方案，5 種方案前期均為地應(yīng)力平衡，然后進(jìn)行巷道開挖，不采用底鼓防治技術(shù)的方案直接再開挖之后繼續(xù)運(yùn)算至平衡，而進(jìn)行底板加固方案的巷道，在開挖完巷道之后需繼續(xù)在距離巷道兩幫 1m 處開挖直徑為 0.25 m、深度為 1、2、3、4、5 m 的底板鉆孔，每個(gè)鉆孔均注入與鉆孔深度相對(duì)應(yīng)的漿料。另外，由于該模型寬度為5 m，所以在數(shù)值模擬模型中只開挖5 排鉆孔，鉆孔排間距為1 m×2.5 m。圖5 為底板開挖鉆孔分布圖。

圖5 底板鉆孔分布圖

另外，在模型中巷道寬度范圍內(nèi)的底板巖層中，進(jìn)行單元豎直位移的監(jiān)測(cè)，通過比較6 種方案的底板位移量來直觀的看出最優(yōu)的鉆孔充填加固深度，以下為數(shù)值模擬結(jié)果的曲線。

圖6 不同鉆孔注漿深度與底鼓量關(guān)系

通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)巷道底板為裸露情況時(shí)，巷道底板最大底鼓量達(dá)到139 mm，產(chǎn)生的底鼓現(xiàn)象較為嚴(yán)重。而當(dāng)對(duì)底板加固鉆孔進(jìn)行底板加固后，巷道底鼓量均有所減小，且隨著充填深度的不斷加深，巷道底鼓量減小程度也有所不同，而在這其中，鉆孔充填加固深度為3 m 時(shí)，巷道底鼓量僅為54 mm，相對(duì)于鉆孔充填加固深度為1、2 m 時(shí)有較大程度的改善，底鼓減少量分別達(dá)到54%和44%。而在鉆孔充填加固深度為3 m 的基礎(chǔ)上繼續(xù)加大加固深度，此時(shí)，巷道底鼓減小程度不明顯，甚至可以忽略；因此3m 的鉆孔充填深度控制底鼓無論在經(jīng)濟(jì)上，還是在底鼓控制效果上，都是較為合理的選擇，該數(shù)值模擬結(jié)果與上述塑性區(qū)破壞深度范圍所得結(jié)果2.98 m 基本吻合。因此針對(duì)回坡底11-1021 巷的鉆孔注漿深度，可確定為3 m。

由于10 號(hào)煤層102 工作面采空區(qū)及其殘留煤柱的影響，回坡底煤礦11 號(hào)煤1021 巷道出現(xiàn)了嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象。根據(jù)前面分析知，受10 號(hào)煤層殘留煤柱作用而產(chǎn)生的集中應(yīng)力使得1021 巷道兩幫圍巖中的應(yīng)力出現(xiàn)了非對(duì)稱分布特征，其中，靠近煤柱側(cè)巷幫及底板圍巖中的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力均大于另一側(cè)，由于兩側(cè)應(yīng)力相差較大，低應(yīng)力側(cè)對(duì)圍巖變形的阻礙作用較差，從而加速了高應(yīng)力側(cè)對(duì)底板圍巖變形影響的活化作用。應(yīng)力的非對(duì)稱分布也直接導(dǎo)致巷道底板圍巖的非對(duì)稱變形。

3.2 底鼓治理技術(shù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)皮帶側(cè)底板變形量較大并且圍巖較為破碎的現(xiàn)象，為達(dá)到更好的底鼓防治效果。回坡底煤礦采用一側(cè)巷道布置卸壓孔、另一側(cè)布置加固孔的技術(shù)方案。

由于1021 巷道與上覆煤層殘留煤柱的水平錯(cuò)距為10 m，并且應(yīng)力峰值點(diǎn)一般位于煤柱中心處或距離煤柱表面一定距離（取決于煤柱寬度），因此，若想對(duì)1021 巷道底板圍巖的垂直應(yīng)力進(jìn)行卸壓處理，在鉆孔水平布置的前提下，需要保證卸壓鉆孔長度大于10 m。在回采巷道內(nèi)施工長度大于10 m 的鉆孔難度較大，并且，長度越大鉆孔的穩(wěn)定性越差，成孔率越低，鉆孔失穩(wěn)或閉合后難以保證長期卸壓效果。基于上述考慮，沒有對(duì)1021 巷道底板圍巖的垂直應(yīng)力進(jìn)行卸壓處理。

通過工程經(jīng)驗(yàn)確定加固方案技術(shù)參數(shù)：①加固孔直徑：該裝置中的充填加固部分可以增強(qiáng)該礦底板巖層物理力學(xué)強(qiáng)度，因此，基于加強(qiáng)底板物理力學(xué)強(qiáng)度的思想，在不影響礦井正常生產(chǎn)情況下，該防治裝備直徑越大，對(duì)于底板的加固效果越好，回坡底煤礦底板鉆孔機(jī)目前所能達(dá)到的最大鉆孔直徑為75 mm，因此加固孔直徑即定為75 mm；②加固孔深度為3 m，結(jié)合抗讓結(jié)合底鼓防治裝備原理，將加固孔垂直深度定為3.5 m，充填加固部位定為鉆孔中部，裝置上、下各留25 mm 的水平變形空間，從而達(dá)到“抗讓結(jié)合”的效果；③加固孔排距：加固孔排距越小，對(duì)底板充填加固效果更好，其加固間排距設(shè)計(jì)原理與錨桿支護(hù)底板設(shè)計(jì)原理相同，同時(shí)考慮到最大化減小底板加固成本，將底板加固孔排距與1021 巷頂板支護(hù)排距設(shè)為相同，即排距設(shè)定為1m。

對(duì)1021 巷道進(jìn)行卸壓和加固處理后，可有效改變底板應(yīng)力傳播路徑，如圖7 所示。卸壓孔的存在可以將煤柱側(cè)底板圍巖中較高的水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移到更深部巖層中，靠皮帶側(cè)底板圍巖加固可以阻隔高應(yīng)力對(duì)該區(qū)域底板的破壞。

圖7 防治前后底板圍巖應(yīng)力路徑對(duì)比

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證本項(xiàng)目所提方案的底鼓防治效果，在1021 巷道部分區(qū)段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。在巷道內(nèi)共設(shè)置了4 個(gè)圍巖表面位移觀測(cè)站，觀測(cè)了回采期間和非回采期間采用本項(xiàng)目措施后的巷道底板變形情況，并將受采動(dòng)影響和不受采動(dòng)影響2 種條件下采用底鼓防治措施和不采用底鼓防治措施的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。分析數(shù)據(jù)可知當(dāng)巷道不受采動(dòng)影響時(shí)，與未經(jīng)過底鼓防治處理段巷道相比，防治段巷道底板變形量大幅減小，并且20 d 后防治段巷道底板變形速度減緩，變形趨于穩(wěn)定，而未經(jīng)防治處理段巷道變形量持續(xù)增加，變形速度近似恒定；當(dāng)巷道受到采動(dòng)影響時(shí)，防治段巷道與未經(jīng)過底鼓防治處理段巷道相比底板變形量較小。

5 結(jié)束語

針對(duì)回坡底煤礦1021 巷道巷道受煤柱應(yīng)力傳遞影響出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象等問題，采用理論分析和數(shù)值模擬研究了巷道圍巖受力情況，并針對(duì)性采取了底鼓防治措施。

1）采用滑移線場(chǎng)理論分析得到距離煤柱越遠(yuǎn)一側(cè)的底板位移速度更快，所以巷道底板將會(huì)產(chǎn)生非對(duì)稱性的底鼓現(xiàn)象。

2）采用數(shù)值模擬模擬了底板鉆孔充填加固不同深度5 個(gè)方案，確定加固深度為3 m 效果最好，確定了具體的底鼓防治方案參數(shù)。

3）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得到在此方案下可以有效降低巷道的底鼓變形量，保證巷道安全穩(wěn)定。