厚煤層開采軟巖巷道底鼓控制方法研究

廉建軍

(太原東山煤電集團有限公司， 山西 太原 030043)

近年來，隨著煤炭產能的不斷提高，給煤礦安全高效生產帶來了更大的挑戰，特別是巷道穩定性問題，如巷道底板下沉、片幫及底鼓等，導致巷道變形嚴重，對工作面安全開采造成嚴重威脅[1-3]. 如何有效預防與控制巷道底鼓一直是礦山所面臨的技術難題[4-5]. 針對此，楊軍等通過研究軟巖巷道底鼓機理，提出了錨桿網-錨桿-基底角錨桿-柔性層桁架耦合支護控制底鼓新方法[6]；王建輝等通過分析巷道底板破壞機理，提出底角錨桿+鋼筋混凝土反拱支護技術，有效控制了軟巖巷道底鼓問題[7]；鄧博團等研究了軟巖巷道底鼓主要影響要素，提出 “短挖、短支”巷道施工技術，實現了對巷道底鼓的有效控制[8].

結合上述研究成果，對于底板為泥巖性質的巷道底鼓問題研究較少，底鼓機制較為復雜。為此，本文以東山某礦2#煤層2204工作面為研究背景，采用理論分析、數值模擬與現場監測相結合的方法，對軟巖巷道底鼓機制及其控制方法進行研究，以實現該礦2204工作面安全高效生產。

1 工程概況

東山某煤礦位于山西省太原市境內，該礦主采2#煤層，煤層厚度6.1～6.6 m，平均厚6.4 m，傾角1°～4°，采高6.4 m，煤層底部存在厚約0.2 m夾矸。2#煤層綜合柱狀圖見圖1. 該煤層2204工作面推進長度4 230 m，采用一次采全高采煤方法，工作面日推進約16 m，產量超過15 Mt/a.

圖1 2#煤層綜合柱狀圖

2204工作面北端為2205綜采工作面，目前已經回采完成，南端為待采的2203工作面，工作面西部為2#煤層輔運巷，回風巷位于2204工作面與2205工作面之間，工作面布置情況見圖2.

圖2 工作面布置圖

由圖1可以看出，2204工作面直接頂主要為5.5 m厚的泥頁巖，底板主要為3.5 m厚的泥巖，強度較低，在水的作用下容易起鼓變形，屬于典型的軟巖巷道。工作面在回采過程中，受采動應力的影響，2204回風巷道普遍存在片幫及底鼓情況，通過現場觀測，底板最大底鼓量可達250 mm，對工作面的安全回采造成了嚴重影響。為了保障該工作面安全高效開采，需要深入研究軟巖巷道底鼓機制，找出底鼓內在原因，并提出有效的巷道底鼓控制方法。

2 軟巖巷道底鼓機制研究

對軟巖巷道而言，巷道底鼓影響因素眾多(地質、水、礦山壓力及支護工藝等)，而對于底板為泥巖的情況，遇水易引起膨脹底鼓，同時受采動應力作用，形成擠壓底鼓。為此，結合該礦巷道所處地質環境，構建巷道底鼓分析力學模型，以闡明軟巖巷道底鼓機制。

基于彈性力學理論，構建巷道底鼓力學分析模型，見圖3，基于平面應變問題，集中載荷q(y)作用下垂直位移分量可表示如下：

(1)

式中，E為彈性模量，MPa；μ為泊松比；q(y)dy為等效載荷，kN；dy為N點在y方向的位移分量；K為待定系數值。

N點相對于N0點的相對下沉量表達式：

(2)

對于均布載荷而言，N點相對于N0點的下沉量等于區間[a，b]上的積分值，表示如下：

(3)

由式(3)可以看出，底板相對下沉量一方面受底板巖層的彈性模量與泊松比影響，另一方面還受到等效載荷q(y)的影響，也就是工作面掘進過程的開采擾動影響。為此，對于該礦2204工作面的巷道底鼓屬于膨脹底鼓與擠壓底鼓綜合作用結果，主要影響因素為底板泥巖軟弱，承壓性能差，在多次采掘擾動下，導致巷道底鼓嚴重。

圖3 巷道底鼓力學分析模型圖

3 軟巖巷道底鼓控制方法

2204回風巷底板主要為軟弱泥巖，平均厚度3.5 m，巷道底板底鼓量較大。通過現場觀測，巷道底板兩幫部位鼓起較為嚴重，底板混凝土層已遭受破壞，同時實體煤側巷道邊壁存在破斷片幫情況，因此，提出了鉆孔卸壓與注漿加固相結合的底鼓防治方法。

3.1 鉆孔卸壓

為了有效控制巷道兩幫及底板底鼓變形，針對巷道幫側及底板實施鉆孔卸壓方法。其中在巷幫側每排鉆鑿上下兩個卸壓鉆孔，卸壓孔與煤壁垂直布置，鉆孔深度8 m，直徑150 mm，鉆孔間排距1.5 m；同時在巷道底板中心部位鉆鑿1個卸壓孔，與巷道底板垂直，鉆孔深度4 m，直徑150 mm，為防止巷道水涌入卸壓槽，槽內使用碎屑進行充填，并在卸壓槽附近布設水泵用以疏排槽內積水，卸壓孔布置方法見圖4.

圖4 卸壓孔布置圖

3.2 注漿加固

對于巷道底板鉆鑿注漿鉆孔，將漿液注入底板巖層中，將周邊裂隙巖體黏結為一個整體，改善巷道底板的應力條件，提高底板巖層的自穩能力。在巷道底板兩側每排布置2個錨注鉆孔，鉆孔傾角為60°，鉆孔深度4 m，排距1.5 m，間距2.4 m；孔徑為42 mm，注漿壓力為3.5 MPa. 與此同時，對巷道兩幫及頂板加強支護，采取錨索+錨桿+金屬網帶聯合支護方法，兩幫錨桿間距750 mm，采用玻璃鋼錨桿，巷道頂板兩幫部位錨桿布設兩根錨索，中間部位布設1根錨索，巷幫及頂板采用金屬網帶加強支護，注漿鉆孔布置及支護方式見圖5.

4 數值模擬分析

4.1 數值模型構建

以2204工作面為工程背景，采用FLAC3D軟件，根據煤巖體綜合柱狀圖及工作面實際分布構建數值模型。模型長600 m×寬80 m×高60 m，共劃分845 600個單元，模型頂部施加5.6 MPa均布載荷，等效上覆巖層容重。模型左、右邊界約束x方向位移，上、下約束z方向位移，前、后約束y方向位移，煤巖體力學參數見表1.

圖5 錨注鉆孔及支護布置圖

表1 煤巖體力學參數表

4.2 鉆孔卸壓模擬分析

對2204回風巷進行鉆孔卸壓數值模擬，結果見圖6. 鉆孔卸壓技術實施前監測巷道最大底鼓量、頂板下沉量及巷幫變形量分別為250 mm、230 mm與210 mm. 可以看出，巷道底板垂直位移最高約為95 mm，底鼓量降低約62%；模擬頂板下沉量約為110 mm，降低約52%；模擬獲得的巷幫水平位移約為75 mm，較之前降低約64%. 綜合分析，鉆孔卸壓取得良好的底鼓控制效果。

圖6 鉆孔卸壓模擬結果圖

4.3 注漿加固模擬分析

對2204回風巷進行注漿加固數值模擬，結果見圖7. 從圖7可以看出，巷道底板垂直位移最高約為110 mm，底鼓量降低約56%，頂板下沉量約為150 mm，降低約35%；模擬獲得巷幫水平位移約為85 mm，較之前降低約60%. 綜合分析，注漿加固方法同樣可以取得良好的底鼓控制效果。

圖7 注漿加固模擬結果圖

5 現場應用效果

提出鉆孔卸壓與注漿加固相結合的底鼓防治方法在現場進行了實踐，現場選擇2204回風巷中心部位約40 m長巷道底鼓情況進行對比監測，監測周期3個月。方案實施前后巷道底鼓量對比情況見圖8.

圖8 方案實施前后巷道底鼓變化曲線圖

由圖8可知，巷道底鼓量呈現類“S”型增長，整體表現為緩慢增長—快速增長—平穩發展變化趨勢。前30 d底鼓量緩慢增加，30—60 d底鼓量快速增加，60—90 d底鼓量平穩發展。方案實施前后，監測90 d最大底鼓量分別為250.5 mm與111.6 mm，底鼓量下降達57.3%，底鼓控制效果顯著。

6 結 論

1) 通過分析軟巖巷道底鼓機制，因泥巖軟弱，承壓性能差，在多次采掘擾動下，2204工作面的巷道底鼓屬于膨脹底鼓與擠壓底鼓綜合作用結果，必須采取底鼓控制措施。

2) 通過數值模擬分析，采用鉆孔卸壓方法以及注漿加固方法，巷道底鼓量降低56%～62%；頂板下沉量降低35%～52%，巷幫水平位移降低60%～64%，驗證了該方法的可靠性。

3) 現場監測可知，巷道底鼓量呈現類“S”型增長，監測90 d最大底鼓量分別為250.5 mm與111.6 mm，底鼓量下降達57.3%，研究提出的鉆孔卸壓與注漿加固相結合的方法，可有效控制巷道底鼓。