復雜應力下巷道底鼓控制關鍵技術研究

王 祥，譚維佳

(1.川藏鐵路有限公司，四川 成都 610094； 2.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

隨著我國煤炭開采深度不斷增加，深部地應力也越來越大，導致工作面開采環境惡化，受力復雜出現圍巖難以維護的現象。尤其是巷道圍巖為泥巖等軟巖時，更容易出現大變形破壞現象[1-3]。在軟巖巷道圍巖變形破壞中，底鼓破壞占據了很大的比例[4]，底鼓現象影響因素眾多，機理較為復雜，治理難度較大，巷道底鼓占頂底板移近量的一半以上[5]。巷道底鼓嚴重影響著巷道運輸能力及工作面安全開采，成為迫在眉睫的問題[6]。

王炯[7]針對巷道圍巖進行研究，得到巷道底角軟巖在兩幫應力傳遞下易產生剪切變形，提出了底板隔水、加固的治理原則；何滿潮[8-10]采用了底腳錨桿控制底鼓，取得了良好的應用效果；陸士良[11]采用相似模擬實驗研究了巷道底鼓的機理，將底鼓分為撓曲褶皺型、剪切錯動型、擠壓流動型、遇水膨脹型；常聚才[12-13]針對深部軟巖巷道圍巖變形進行了研究，采用了超挖錨注回填技術治理底鼓現象；李樹清[14]研究了巷道圍巖塑性區分布，提出采用全斷面注漿、幫腳錨桿治理底鼓；張農[15]對巷道圍巖受力的非對稱性、不均勻性進行了研究，提出了以主動支護治理底鼓技術。以往針對巷道圍巖控制方面多集中于巷道破壞特征及支護手段研究，而對受力狀態的分布研究較少，因此需對巷道受力狀態進一步深入分析。

本文針對復雜應力下巷道對巷道圍巖應力分布進行了研究，揭示了非對稱受力下巷道底鼓變形特征，提出了采用卸壓+充填相結合的技術方案，通過現場應用，巷道底鼓現象得到了有效控制。

1 工程概況

回坡底煤礦位于山西省洪洞縣，目前正在開采11號煤11-102綜采工作面，平均煤層厚度為3.35 m，11號煤與上部10號煤層間距為7 m，直接頂為厚3.5 m的泥巖，基本頂為厚2.5 m的粉砂巖，直接底為厚0.6 m的泥巖，基本底為厚2.5 m的鋁質泥巖，巷道沿煤層底板掘進，用錨網梁、錨索聯合支護形式，尺寸為4.6 m×3.3 m。

目前，11-1021工作面運輸巷上方的10-102工作面已全部回采結束，11-1021巷屬于內錯式10 m布置，具體位置如圖1所示。巷道處于采空區的下方，處于卸壓區狀態，從理論上而言，11-1021巷道的頂底板或者兩幫，應更容易維護，但根據目前現場的實際情況，11-1021工作面運輸巷頂板破碎較為嚴重，兩幫也存在一定的移近量，同時，在巷道的某些局部位置，存在著較為嚴重的底鼓現象，現場圍巖破壞情況如圖2所示。巷道頂底板均為泥巖親水巖層，泥巖的物理力學性質較差，更容易發生大變形情況。早在11-1021巷的掘進期間，巷道就發生過較為嚴重的底鼓現象，該礦就曾采用臥底法進行底鼓治理，而目前11-102工作面已進入正常生產階段，11-1021巷內已布置膠帶輸送機，但該巷底板仍以一定速度發生底鼓現象，該礦仍采用臥底法進行底鼓治理，不僅消耗大量人力，且臥底法治標不治本，需要頻繁臥底，嚴重影響礦井的正常生產。因此研究11-1021工作面運輸巷的圍巖穩定性以及底鼓機理，對保證礦井正常生產具有重要意義。

圖2 1021巷現場圍巖破壞情況

2 巷道圍巖受力非對稱性研究

2.1 基于滑移場理論的巷道圍巖穩定性分析

11-1021巷道存在上部10號煤10-102工作面孤島遺留煤柱，采用經典的滑移線場理論分析煤柱受力，建模如圖3所示。遺留煤柱承受的支承壓力向底板巖層傳遞，使底板產生一定的破壞范圍，在水平方向上可以分為3個區域：主動應力區、過渡應力區、被動應力區。由于煤柱傳遞應力隨著水平距離的增大不斷減弱，因此應力大小1區域>2區域>3區域。11-1021巷道距離孤島煤柱越遠，圍巖穩定性越好，根據滑移線場理論[10]，可知滑移線場下方的底板破壞深度公式(1)為：

圖3 孤島煤柱引起的底板滑移線場

(1)

式中，φ為底板巖層內摩擦角。

根據11-1021巷道所處具體地質條件各項物理參數，由式(1)可計算得到底板破壞最大深度為14.4 m，大于10號煤與11號煤的層間距7 m，因此，巷道處于上層煤開采的底板破壞深度之內，且大范圍處于2區域中，巷道圍巖穩定性差，過渡應力區中滑移線切線方向與速度方向存在一個φ的角度，如圖4所示。巷道產生非對稱底鼓現象，遠離煤柱的一側位移速度更快。

圖4 11-1021巷底板速度場

2.2 巷道圍巖穩定性現場監測

(1)圍巖變形量監測。此次監測在1021巷道中布置2排各4個鉆孔，1號、2號、3號、4號鉆孔設置于煤柱側底板，5號、6號、7號、8號鉆孔設置于巷道中線處，鉆孔間距2 m，深2 m，直徑為32 mm。在鉆孔深0.4、1.1、1.8 m處放置3個監測裝置，進而研究巷道底板圍巖水平方向變形。采用便攜式應力應變儀收集現場測點數據，處理可以得到如下規律：①鉆孔變形。開挖鉆孔后，鉆孔周圍圍巖卸荷，擠壓力導致鉆孔斷面縮小，隨時間增加，鉆孔累計變形量增加。②近煤柱側和近巷道中線側鉆孔數據。靠近煤柱側巷道圍巖水平變形量普遍大于靠近巷道中心側的鉆孔，最大是其的1.5倍。這是由于巷道受上部煤柱影響，近煤柱側產生應力集中。

(2)底板圍巖鉆孔窺視結果。根據鉆孔監測數據可知，由于上部采空區遺留煤柱的影響，近巷道中心側鉆孔變形量小于煤柱側。為進一步探查清楚巷道底板圍巖的實際情況，對巷道底板圍巖進行鉆孔窺視，如圖5所示。

圖5 1021巷道底板圍巖窺視

由圖5可知，近煤柱側巷道底板圍巖完整性較差，近膠帶側巷道底板圍巖完整性較好，與鉆孔監測數據一致，表明靠近煤柱側巷道圍巖變形量普遍大于靠近巷道中心側。

由上述現場實測數據分析可知，由于上部采空區存在遺留煤柱，應力傳遞到底板巖層，使得下部1021巷道靠近煤柱側圍巖水平應力較大，底鼓呈現非對稱現象。

2.3 巷道圍巖穩定性數值模擬計算

采用FLAC3D建立了工作面的地層模型，模型尺寸(長×寬×高)為280 m×200 m×133 m。針對工作面開挖過程中下部巷道圍巖受力及變形情況進行檢測。分別對底板不同位置及深度的垂直、水平方向位移量進行監測分析。

由圖6(a)可知，1021巷道底鼓量從煤柱側至膠帶側近似線性增長，巷道底鼓量在近膠帶側變形量最大，約為煤柱側的1.5倍，呈現出非對稱底鼓現象，和滑移線場理論分析結果較為一致。隨著深度增大，底鼓量隨之減小，說明巷道底板穩定性主要受淺部圍巖影響較大。

由圖6(b)可知，1021巷道水平變形量從煤柱側至膠帶側近似線性增長，近煤柱側水平變形量最大，約是膠帶側的1.2倍，結果與第二節現場實測一致。由數值模擬結果可知，巷道表面圍巖變形量在不同位置差別較大，而在巷道較深部的圍巖變形量差別較小，可知巷道的非對稱變形主要表現在巷道淺部圍巖中。

圖6 巷道底板不同位置變形量

由以上現場實測和數值模擬結果可知，巷道底板圍巖水平變形量近膠帶側小，近煤柱側大，但是垂直變形量近膠帶側大，近煤柱側小。這是由于總變形量一致時，水平方向變形量較大時，則垂直方向變形量較小。巷道圍巖的總變形量如圖7所示，箭頭方向代表總位移量方向，大小代表總位移量大小，可知巷道底板表面箭頭大小相近，而箭頭方向不同，越靠近煤柱側，箭頭方向與水平夾角越小，因此水平位移越大，垂直位移越小。

圖7 巷道圍巖位移矢量

3 底鼓治理技術研究

3.1 底鼓治理技術方案

1021巷道底鼓受到殘留煤柱影響，巷道兩幫圍巖中的應力大小差異較大。基于1021巷道底板變形特征，制定如下初步方案：靠近煤柱側由于應力傳遞影響受力較大，采用卸壓法改善應力環境，近膠帶側采用加固法控制圍巖變形，如圖8所示。

圖8 1021巷底鼓控制初步方案

3.2 卸壓法參數設計

回坡底煤礦1021巷道靠近煤柱側幫部圍巖受到應力較大且完整性較差，若將卸壓孔布置在圍巖完整性較差的幫部位置，則鉆孔穩定性會受到較大影響，不能完全發揮卸壓的作用。因此，將卸壓孔布置于底板近煤柱側。根據相似工程經驗，卸壓孔長度取值應大于巷道寬度的一半，取2.5 m，孔徑100 mm，間距500 mm。

3.3 加固法參數設計

對于鉆孔充填加固深度的確定，理論上該深度應達到塑性區最大半徑，根據煤柱半平面無限體理論可知，11-1021巷處于雙向不等壓的應力環境中，即存在一定的側壓系數，根據現行彈性力學可知，在雙向不等壓環境中，某點的應力狀態應滿足式(2)：

(2)

在摩爾—庫侖假設條件下，由極限狀態下的摩爾—庫倫圓，塑性條件為式(3)：

(3)

結合式(2)、式(3)可得雙向不等壓塑性區邊界隱性方程，即式(4)：

f(r，θ)=

(4)

根據彈性半平面無限理論可以計算得11-1021巷最大主應力、最小主應力。根據現場實際參數，在式(2)中，P=11.19 MPa，k=σ1/σ3=1.9，對于巷道半徑R0的取值，可近似取11-1021巷外接圓半徑，因此R0=2.8 m；對于θ角取值，由于最大主應力偏轉角度為20°，因此，在計算遠離煤柱一側底板塑性區最大深度時取15°，即θ=15°；巖層內摩擦角系數取值為11號煤頂底板巖層平均值，因此φ=30°；巖層黏聚力同樣也取為11號煤頂底板巖層平均值4 MPa。

將上述各參數取值代入(4)式可計算得到遠離煤柱一側底板的塑性半徑r=5.23 m，該深度減去在1/2的巷道高度，得到底板鉆孔充填加固深度，即2.98 m，理論上可取充填加固深度為3 m。

加固孔參數：①加固孔直徑。基于加強底板物理力學強度的考慮，加固孔越大，加固效果越好。根據回坡底煤礦機械設備情況，確定加固孔直徑75 mm。②加固孔深度。根據上述理論分析得到加固孔深度為3 m，保留0.5 m富余空間，將加固孔垂直深度定為3.5 m。③加固孔排距。由理論分析可知加固效果隨排距減小而增大，考慮成本效應，將加固孔排距與錨桿支護排距保持一致，設為1 m。因此，巷道底板加固孔與卸壓孔布置方案如圖9所示。

圖9 卸壓孔和充填加固孔布設方案

4 現場應用

4.1 巷道支護及加固方案

1021巷道頂錨索采用φ18.9 mm、長5.5 m的預應力錨索，間排距為2 400 mm×1 600 mm；頂錨桿采用長2 m、直徑φ20 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×900mm，幫錨桿采用同型號的錨桿，間排距為900 mm×900 mm，金屬網尺寸為φ10 mm×3 050 mm×950 mm。由上文分析可知，1021巷道底板采用卸壓加固孔結合方案。由于現場巷道加固孔受膠帶影響原位置無法施工，現將加固孔改為巷道中線處，角度為45°方向朝著膠帶側，由于垂直深度3.5 m，45°角孔深度為5 m。

4.2 應用效果分析

為驗證此技術方案能否取得良好的底鼓防治效果，在井下1021巷道部分區域進行實踐研究，觀測比較防治段與未防治段的底鼓量。結果如圖10所示。防治段底板變形量與未防治段相比大幅減小，并在20 d后變形趨于穩定，而未防治段底板變形量還在繼續增大。

圖10 底鼓防治效果對比

5 結論

(1)通過滑移線場理論分析得到，11-1021巷道處于底板破壞范圍內，圍巖穩定性及完整性較差，在水平應力的影響下巷道極易產生底鼓現象。根據滑移線場速度場關系，距離煤柱遠的一側位移速度更快，位移量更大，會產生非對稱性底鼓現象。

(2)現場監測和數值模擬揭示了巷道底板圍巖受力的非對稱性，導致巷道底板圍巖的非對稱變形，其中，巷道底板兩側的垂直變形量相差1.5倍(靠膠帶側底板變形量大于煤柱側底板)，巷道底板兩側的水平變形量相差1.2倍(靠煤柱側底板變形量大于膠帶側底板)。

(3)根據巷道底板受力變形狀態，采用卸壓孔和加固孔相結合的技術方案，并確定了相關技術參數，現場應用分析認為，巷道防治段與未防治段相比底板變形量較小，底鼓得到了控制。