城郊煤礦高應(yīng)力巷道底鼓成因及控制技術(shù)研究

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(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

城郊煤礦高應(yīng)力巷道底鼓成因及控制技術(shù)研究

楊森，鄭建彬，宋浬永，朱琦

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116)

針對(duì)城郊煤礦二水平東翼軌道巷底鼓成因及控制技術(shù)問題，通過理論分析、數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗(yàn)等手段進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：高地應(yīng)力、高膨脹性礦物含量和支護(hù)形式的不合理是導(dǎo)致巷道底鼓強(qiáng)烈的原因。巷道采用反底拱支護(hù)，底板呈現(xiàn)“單峰鼓起”變形，以開挖卸壓槽進(jìn)行底鼓治理，底板呈現(xiàn)“雙峰鼓起”變形，“雙峰鼓起”變形曲線相較于“單峰鼓起”，其最大斜率和平均斜率較小，更能滿足巷道的使用要求。以加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù)作為巷道支護(hù)方案的基礎(chǔ)，并針對(duì)高膨脹性礦物含量的特征，制定應(yīng)對(duì)措施。礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，支護(hù)方案有效地控制了二水平東翼軌道巷的底鼓變形。

高應(yīng)力巷道；底鼓；控制技術(shù)

FloorHeaveReasonandControllingTechnologyofRoadwaywithHighStressinChengjiaoColliery

隨著我國(guó)煤礦開采深度增加，高應(yīng)力巷道的底鼓問題變得越來越突出[1]。底鼓使得巷道斷面縮小，妨礙通風(fēng)、運(yùn)輸和行人，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)。對(duì)于高應(yīng)力巷道底鼓防治，目前主要分為2種方法：一是加固圍巖法[2]，即通過加裝反底拱梁或底角錨桿(索)等措施加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，減小底鼓變形；二是應(yīng)力轉(zhuǎn)移法[3-4]，即通過開挖底板卸壓槽或松動(dòng)爆破等措施將巷道圍巖附近因開挖形成的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖較深部。

本文針對(duì)城郊煤礦二水平東翼軌道巷底鼓成因開展深入研究，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬方法對(duì)比加裝反底拱梁和開挖底板卸壓槽2種不同方案的治理效果，提出開挖卸壓槽后巷道底板所呈現(xiàn)的“雙峰變形”更能滿足巷道使用需求，礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，該方案有效地控制了二水平東翼軌道巷的底鼓變形。

1 工程概況

城郊煤礦二水平東翼軌道巷垂直埋深約731m，巷道全長(zhǎng)1120m，掘進(jìn)層位主要位于泥巖和砂泥巖互層中，巖石破碎、裂隙較發(fā)育，且處于高地應(yīng)力區(qū)，屬于典型的高地應(yīng)力巷道。巷道全長(zhǎng)范圍內(nèi)礦壓顯現(xiàn)十分強(qiáng)烈。具體表現(xiàn)為噴網(wǎng)層剝離，頂部下沉，底鼓嚴(yán)重。其中底鼓問題最為突出，該礦實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巷道底鼓量部分地段高達(dá)1400mm，最小350mm，平均550mm，使得巷道斷面收縮嚴(yán)重，無法滿足使用要求。

2 底鼓變形原因分析

2.1 高地應(yīng)力

二水平東翼軌道巷的埋深已接近深井臨界值800m，這使得巷道處于高地應(yīng)力場(chǎng)中。上覆巖層所產(chǎn)生的垂直主應(yīng)力及水平主應(yīng)力分別為：

σ1=γH=25×103×731=18.3(MPa)

式中，γ為巷道上覆巖層的平均容重，取為25kN/m3；H為巷道埋深，m；μ為巖石泊松比，根據(jù)表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果取0.2；K為側(cè)壓力系數(shù)，取決于巖石的泊松比。

表1 巖石試樣抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于巷道所處圍巖(頂?shù)装寰鶠樯罨疑百|(zhì)泥巖)松軟破碎，其圍巖整體力學(xué)性能較差，巷道所處巖層的圍巖強(qiáng)度較低。同時(shí)，因環(huán)境因素作用造成巖石軟化和破壞，其實(shí)際強(qiáng)度相較于表1中結(jié)果，可能會(huì)更低。因此，取泥巖作為圍巖單向抗壓強(qiáng)度的代表值：RC=44.17MPa，所以圍巖穩(wěn)定性指數(shù)S[5]為：

S=γH/RC=0.414

由于巷道圍巖穩(wěn)定性指數(shù)0.4

2.2 未對(duì)巷道底板和底角有效加固

高應(yīng)力巷道自身特征決定了其具有變形量大的特點(diǎn)[6]。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，收斂量一般為數(shù)十毫米至數(shù)百毫米，最大可達(dá)1000mm以上，嚴(yán)重者可封堵整個(gè)巷道。變形主要以水平收斂為主，其表現(xiàn)形式有側(cè)墻內(nèi)移(或稱內(nèi)鼓)、尖頂和底鼓等。而在未封底或未設(shè)置仰拱的局部地段，因側(cè)墻和頂拱的支護(hù)，阻礙了相應(yīng)部位圍巖的繼續(xù)變形和圍巖應(yīng)力的進(jìn)一步調(diào)整，底板成為最薄弱環(huán)節(jié)，于是應(yīng)力釋放和巖體擴(kuò)容變形就在底板發(fā)生，從而普遍產(chǎn)生底鼓。二水平東翼軌道巷中僅鋪設(shè)有作為平整底板目的的混凝土底板，并未與側(cè)墻一起構(gòu)成封閉環(huán)，在底鼓變形作用下，厚度僅100mm左右的混凝土板沿中線或墻根部將被折斷并翹起。

2.3 膨脹性礦物含量較高

對(duì)二水平東翼軌道底板巖性采用D/Max-3B 型X射線衍射儀進(jìn)行礦物組分分析。測(cè)試條件Cu靶，K輻射，石墨彎晶單色器；掃描方式為連續(xù)掃描。利用粉末衍射聯(lián)合會(huì)國(guó)際數(shù)據(jù)中心(JCPDS--ICDD)提供的各種物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射資料(PDF)，并按照標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)行對(duì)照分析。

分析結(jié)果表明，巖樣含有較多的高嶺石、石英，有部分伊蒙混層、伊利石和少量的長(zhǎng)石、菱鐵礦、方解石、蒙皂石等礦物。在伊蒙混層中伊利石成分較多。礦物成分詳情見表2。

表2 各樣品的礦物定量分析結(jié)果(重量百分比)

伊蒙混層與高嶺石均具有較強(qiáng)的膨脹性與吸水性，故巷道底板屬膨脹性軟巖。在底板遇水軟化和高地應(yīng)力﹑高膨脹力的共同作用下，巷道底鼓嚴(yán)重。

3 底鼓控制技術(shù)

3.1 關(guān)鍵部位支護(hù)

大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐均證實(shí)，巷道開挖后，巷道圍巖兩幫及頂?shù)装逦灰屏坎⒉皇蔷鶆虻?，而是首先從巷道某一個(gè)或者某幾個(gè)部位開始破壞，從而導(dǎo)致整個(gè)巷道支護(hù)體失穩(wěn)，這些首先破壞的部位稱為支護(hù)的“關(guān)鍵部位”[7]。高應(yīng)力巷道數(shù)值模擬結(jié)果(圖2)顯示巷道肩角和底角均出現(xiàn)應(yīng)力集中，此處的巖體將會(huì)首先達(dá)到強(qiáng)度極限，進(jìn)而破壞，導(dǎo)致其他部位失穩(wěn)，最終使得巷道全斷面失穩(wěn)破壞。因此底角作為高應(yīng)力軟巖巷道底鼓控制的“關(guān)鍵部位”必須加強(qiáng)支護(hù)。

圖1 巷道關(guān)鍵部位數(shù)值模擬結(jié)果

3.2 支護(hù)方案及參數(shù)

首先，通過底鼓成因分析，確定支護(hù)設(shè)計(jì)以頂板和兩幫的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)形成的組合拱來保證巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為底鼓控制提供良好條件。其次，在關(guān)鍵部位加裝底角錨桿，以限制底板圍巖塑性剪切滑移，提高底角的剪切強(qiáng)度，削弱兩幫對(duì)底板的作用力[8-9]。針對(duì)巷道底板巖體含有較高的高嶺石、伊利石與蒙皂石，為防止底板遇水后膨脹，均勻鋪一層 100mm 干石灰粉并壓實(shí)，封閉底板。

在此基礎(chǔ)上，提出2個(gè)支護(hù)方案。方案一：“底角錨桿+反底拱梁”(見圖2(a))；方案二：“底角錨桿+底板卸壓槽”(見圖2(b))。具體支護(hù)參數(shù)為: 頂、幫部錨桿為φ22mm×2400mm高強(qiáng)錨桿，間排距890mm×900mm，錨桿安裝扭矩不小于400N·m；φ20mm×7.0m錨索3根，間排距1500mm×1800mm，錨索預(yù)緊力140kN；鋪設(shè)φ6.5mm鋼筋網(wǎng)(網(wǎng)格100mm×100mm)；底角采用φ22mm×2400mm高強(qiáng)錨桿，安裝角度30°，排距900mm。方案一中，反底拱梁間距為1200mm，采用36U型鋼加工，2根鋼梁弧長(zhǎng)分別為3073mm和3071mm，每根鋼梁一端用36U型鋼各焊1條長(zhǎng)300mm的卡槽；方案二中，在巷道底板中心線位置開掘深度為2000mm，寬度為500mm的卸壓槽，待底板變形穩(wěn)定后回填混凝土，澆筑時(shí)使用風(fēng)動(dòng)振搗器振搗夯實(shí)，以抵抗底板巖石的流變變形。

圖2 巷道支護(hù)方案

3.3 支護(hù)方案底鼓控制模擬效果

采用二維有限差分軟件 FLAC5.0建立城郊煤礦二水平東翼軌道巷數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬=50m×50m，底部限制水平和垂直移動(dòng)，上部施加覆巖等效載荷，模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，整個(gè)模型由40000 個(gè)單元組成，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表 3。

表3 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

為分析掌握巷道底板變形規(guī)律，在模型中沿底板設(shè)置1條3.8m長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)線。監(jiān)測(cè)線均勻布置15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過處理得出2種支護(hù)方案下二水平東翼軌道底板變形破壞曲線圖(圖3)。

圖3 底板變形曲線

從圖3所反映的底板變形情況可以看出，方案一中，底板垂直方向最大位移為194mm，出現(xiàn)在中心線位置，兩幫側(cè)垂直方向位移最小為101mm，底板整體成“單峰鼓起”變形，變形曲線的最大斜率為117.9mm/m，發(fā)生在巷道靠近兩幫側(cè)，曲線平均斜率為48.9mm/m；方案二中，底板垂直方向位移最大值為175mm，發(fā)生在距離中心線0.7m附近，兩幫側(cè)垂直方向位移最小為116mm，底板整體成“雙峰鼓起”變形，變形曲線的最大斜率為109.5mm/m，發(fā)生在巷道靠近兩幫側(cè)，曲線平均斜率為41.6mm/m。對(duì)比方案一與方案二中的底板變形曲線，可以發(fā)現(xiàn)方案二中底板無論在底鼓量還是底板變形曲線斜率上都要小于方案一，因此選取方案二作為二水平東翼軌道巷的支護(hù)方案。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為了掌握二水平東翼軌道巷支護(hù)方案的底鼓控制效果，對(duì)該巷道底板進(jìn)行了變形測(cè)定。觀測(cè)時(shí)間從2012年10月31日至2013年2月20日。巷道底板變形曲線如圖4所示，巷道底板變形速率曲線見圖5。

圖4 二水平東翼軌道底板變形曲線

圖5 二水平東翼軌道底板變形速率曲線

巷道在返修后的20d以內(nèi)，底鼓速度較大，平均速率為1.6mm/d，期間取得變形速率的最大值3mm/d，在這個(gè)階段巷道底鼓變形量增加較快；20～41d，底鼓速度變慢，平均速率為0.9mm/d，巷道底鼓變形量緩慢增加；41d以后，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，但由于深部煤巖體的蠕變特性使得巷道仍有較小的變形量。巷道的最大底鼓變形量為70mm，相較于修復(fù)前的平均水平，底鼓變形量下降了87.3%，說明修復(fù)方案對(duì)巷道底鼓起到了很好的控制作用。

5 結(jié)論

(1)通過分析城郊煤礦二水平東翼軌道巷的圍巖變形及賦存特征，提出高地應(yīng)力、高膨脹性礦物含量和支護(hù)形式的不合理是導(dǎo)致巷道底鼓強(qiáng)烈的原因。

(2)在巷道加裝反底拱梁進(jìn)行底鼓治理，底板呈現(xiàn)“單峰鼓起”變形，以開挖卸壓槽進(jìn)行底鼓治理，底板呈現(xiàn)“雙峰鼓起”變形，“雙峰鼓起”變形曲線相較于“單峰鼓起”，其最大斜率和平均斜率較小，更能滿足巷道的使用要求

(3)以加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù)作為巷道支護(hù)方案的基礎(chǔ)，并針對(duì)高膨脹性礦物含量的特征，制定應(yīng)對(duì)措施。礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，該支護(hù)方案有效地控制了二水平東翼軌道巷的底鼓變形。

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[責(zé)任編輯：林健]

2014-04-01

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.014

楊 森(1991-)，男，陜西咸陽(yáng)人，在讀碩士研究生，從事巷道圍巖控制方向的研究。

楊 森，鄭建彬，宋浬永，等.城郊煤礦高應(yīng)力巷道底鼓成因及控制技術(shù)研究[J].煤礦開采，2014，19(6)：50-53.

TD327.3

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1006-6225(2014)06-0050-04