煤巷復(fù)合底板破壞機(jī)理及防治技術(shù)研究

陳 宮 李逢祥 劉 浩

(1. 北京昊華能源股份有限公司大安山煤礦，北京市房山區(qū)，102419；2. 山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

當(dāng)回采巷道底板為復(fù)合底板時(shí)，巷道圍巖破壞通常發(fā)生在底板，造成生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不暢或停產(chǎn)。復(fù)合底板是含有軟弱夾層的底板，在復(fù)雜的采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境中，底板很容易受到剪切、彎曲、屈曲等破壞，產(chǎn)生較大的底鼓變形，有時(shí)還會(huì)瞬間釋放動(dòng)能，給煤礦安全生產(chǎn)帶來極大隱患。長期以來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于巷道底鼓的研究多集中于單一軟底巷道的破壞，認(rèn)為底鼓變形有利于巷道圍巖能量的釋放，對(duì)于復(fù)合底板的破壞研究較少，因此復(fù)合底板產(chǎn)生的沖擊破壞需要進(jìn)一步提高認(rèn)識(shí)。

1 軸10槽煤層地質(zhì)條件

大安山煤礦軸10槽煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，分為軸10上煤和軸10下煤，中間含有粉砂巖夾矸，軸10下煤層的底板也是粉砂巖但強(qiáng)度較夾矸小。由于軸10上煤層平均厚度2.8 m，軸10下煤層平均厚度1 m，其間夾矸厚度為0.3～4.5 m，為了降低開采難度，選擇只開采軸10上煤層。軸10上煤層回采巷道沿著軸10上煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，夾矸和軸10下煤層就組成了軸10上煤層巷道的復(fù)合底板。在巷道高應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)和回采過程中，現(xiàn)場多次發(fā)生底板破壞并釋放能量，一定程度上對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)造成了破壞，威脅著軸10槽上煤層安全高效開采，所以必須對(duì)軸10槽夾矸底板采取防治措施，保證生產(chǎn)與人員安全。

2 軸10槽煤層巷道底板夾矸破壞的力學(xué)模型分析

2.1 巷道底板夾矸受水平力作用的屈曲模型

在原巖應(yīng)力作用下，巷道開挖引起巷道應(yīng)力的重新分布，垂直應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，形成垂直支承壓力區(qū)，主要顯現(xiàn)于巷道兩幫煤體，水平應(yīng)力向巷道頂板和底板中轉(zhuǎn)移，形成水平支承壓力區(qū)，主要顯現(xiàn)在巷道頂板和底板煤巖體中，且由開挖引起的應(yīng)力重新分布在巷道開挖后很快就會(huì)完成，如圖1所示。

當(dāng)垂直支承壓力大于煤層支承強(qiáng)度時(shí)，該區(qū)域內(nèi)煤體產(chǎn)生剪切滑移，進(jìn)而在煤體內(nèi)部產(chǎn)生水平擠壓力，將塑性區(qū)煤體向外推移。由于煤層頂?shù)装鍘r層的約束，外觀上沒有將塑性區(qū)煤體大量推入巷道，但在這一塑化過程中塑性區(qū)煤體在煤層的頂?shù)装迳弦伯a(chǎn)生了水平推力。因此，軸10上槽煤層夾矸底板上除了巷道掘進(jìn)期間煤層中應(yīng)力轉(zhuǎn)移傳遞的水平應(yīng)力之外，還有巷道兩幫軸10上槽煤層支承壓力區(qū)煤壁破壞傳遞的水平推力。這種應(yīng)力將在巷道煤開挖后的煤壁塑化過程中緩慢增大。

巷道兩幫煤體中的支承壓力繼續(xù)向下傳遞，在夾矸下軸10下煤層中也產(chǎn)生支承壓力區(qū)，當(dāng)該區(qū)域支承壓力大于軸10下槽煤層的強(qiáng)度時(shí)，在軸10下槽煤層中也會(huì)產(chǎn)生水平應(yīng)力推力，其中的一部分也將傳遞至軸10下煤層頂?shù)装?。因此，在巷道底板夾矸上也承受著軸10下煤層支承壓力區(qū)產(chǎn)生的水平推力。該水平推力的產(chǎn)生也有一個(gè)逐漸增大的過程。

在3種水平推力的作用下，薄層狀的夾矸呈屈曲受力狀態(tài)，如果在巷道軸向方向取出1 m單元體來分析，薄層狀?yuàn)A矸受水平力擠壓的狀態(tài)可以簡化為受軸向壓的壓桿結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖1 底板屈曲失穩(wěn)示意圖

圖2 底板梁結(jié)構(gòu)簡化模型

根據(jù)壓桿穩(wěn)定原理，不同時(shí)期巷道復(fù)合底板巖層夾矸發(fā)生屈服破壞的條件為：

(1)掘進(jìn)期間：

(1)

式中：K3——水平集中系數(shù)，軸10上槽工作面在寬緩向斜的軸部，因此取0.5；

γ——巷道上覆巖層的平均體積力，取25 kN/m3；

H——煤層采深，取900 m；

a——巷道底板寬度，取4 m；

E——夾矸底板的彈性模量，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試取4 GPa；

h——底板夾矸厚度，0.3～4.5 m。

(2)服務(wù)期間：

(2)

式中：K1——軸10上槽煤層支承壓力區(qū)應(yīng)力水平集中轉(zhuǎn)化系數(shù)，考慮所轉(zhuǎn)化的力只有一半傳遞到夾矸底板，因此取0.4；

K2——軸10下槽煤層支承壓力區(qū)應(yīng)力水平集中轉(zhuǎn)化系數(shù)，考慮所轉(zhuǎn)化的力只有一半傳遞到夾矸底板，因此取0.15；

k1——掘進(jìn)期間巷道煤壁支承壓力集中系數(shù)，取1.3；

k2——采動(dòng)期間巷道煤壁支承壓力集中系數(shù)，取2。

(3)采動(dòng)期間：

(3)

根據(jù)式(1)、(2)和(3)計(jì)算夾矸底板巖層發(fā)生屈服破壞的臨界厚度為：掘進(jìn)期間為1.3 m；服務(wù)期間為2.07 m；采動(dòng)期間為2.5 m。當(dāng)夾矸厚度小于相應(yīng)的厚度時(shí)，夾矸底板難以承受水平擠壓力的作用，容易發(fā)生屈曲破壞。

2.2 軸10上槽煤層巷道底板夾矸受軸10下槽煤層破壞時(shí)的鼓脹模型

巷道復(fù)合底板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低的巖層容易先破壞碎脹，在碎脹力對(duì)上部強(qiáng)度較高的巖層產(chǎn)生鼓脹擠壓并達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，可以造成上部強(qiáng)度較高巖層的彎曲，進(jìn)而使巷道底板產(chǎn)生底鼓破壞，如圖3所示。

圖3 底板夾矸破斷示意圖

對(duì)于軸10上槽煤層巷道來說，復(fù)合底板中強(qiáng)度較低的軸10下煤層在高支承壓力的作用下將產(chǎn)生塑性滑移線，其中的煤塊會(huì)沿著滑移線產(chǎn)生滑移，如圖4所示。由圖4可以看出，Ⅰ區(qū)為巷道兩側(cè)煤壁支承壓力向下傳遞產(chǎn)生的垂直應(yīng)力塑性區(qū)，最大主應(yīng)力方向?yàn)榇怪狈较?，Ⅱ區(qū)為滑移線轉(zhuǎn)向塊，將Ⅰ區(qū)中的滑移線方向轉(zhuǎn)為水平方向，同時(shí)也將最大主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)為水平方向，Ⅲ區(qū)為最大主應(yīng)力方向?yàn)樗椒较虻乃苄詤^(qū)，其間煤塊沿著滑移線滑移將產(chǎn)生的垂直應(yīng)力。根據(jù)賴斯納(Reissner)提出的極限承載力理論，當(dāng)Ⅰ區(qū)的垂直主應(yīng)力值達(dá)到滑移線滑移的強(qiáng)度極限時(shí)，會(huì)發(fā)生塑性破壞，并在水平方向產(chǎn)生擠張力，推動(dòng)Ⅱ區(qū)；隨后Ⅱ區(qū)也推動(dòng)Ⅲ區(qū)使其在水平擠壓力的作用下塑性化，在巷道底板夾矸下軸10下槽煤層中Ⅰ區(qū)的垂直應(yīng)力是軸10上槽煤層巷道兩側(cè)煤壁支承壓力下傳的結(jié)果，因此軸10下槽煤層產(chǎn)生塑性變化的條件為式(4)所表達(dá)的數(shù)學(xué)關(guān)系。

(4)

式中：C0——軸10下槽煤層的內(nèi)聚力，實(shí)測值為13 MPa；

φ——軸10下槽煤層的內(nèi)摩擦角，實(shí)測值為24°。

當(dāng)Ⅰ區(qū)的垂直主應(yīng)力值超過滑移線滑移的強(qiáng)度極限時(shí)，Ⅲ區(qū)就會(huì)向上移動(dòng)，在巷道底板夾矸上產(chǎn)生向上的擠脹力q，進(jìn)一步加劇了夾矸底板斷裂破壞。其大小可用下式所示的關(guān)系表達(dá)：

(5)

由式(5)可以看出，夾矸底板因軸10下槽煤層剪脹破壞所受的擠壓載荷q與軸10上槽煤層巷道煤壁支承壓力大小、軸10下煤層內(nèi)聚力C和軸10下煤層內(nèi)摩擦角φ有關(guān)。

圖4 底板煤體破壞模型

在擠壓載荷q的作用下巷道底板夾矸會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，這種受力結(jié)構(gòu)可以簡化為兩端固支的均布載荷梁。當(dāng)q增大達(dá)到式(6)所表達(dá)的關(guān)系時(shí)，巷道底板夾矸就會(huì)彎曲斷裂，巷道產(chǎn)生嚴(yán)重的底鼓。

(6)

式中：[σ]——軸10上槽煤層巷道底板夾矸的單向抗拉強(qiáng)度，實(shí)測為6 MPa。

將式(6)做以下變化可以得到式(7)：

代入軸10上、10下槽煤層的力學(xué)參數(shù)，可得夾矸底板抵抗軸10下槽煤剪脹破壞的最薄厚度為2.5 m。

3 軸10上槽煤層巷道復(fù)合底板的破壞特征分類

上述分析表明，軸10上槽煤層巷道板的破壞分為兩種情況：當(dāng)煤層厚度較薄時(shí)，容易發(fā)生屈曲破壞，這種破壞形式將瞬間釋放出較大的能量，產(chǎn)生沖擊地壓；當(dāng)夾矸厚度較大時(shí)，容易產(chǎn)生緩慢的彎曲破壞，這種破壞是由軸10下煤層底板逐步滑移變形產(chǎn)生的，能量的釋放分階段緩慢進(jìn)行，有利于沖擊地壓的防治。當(dāng)煤層巷道受到工作面采動(dòng)影響時(shí)，煤壁兩側(cè)的支承壓力將進(jìn)一步增大，這時(shí)底板的彎曲破壞可能向屈曲破壞轉(zhuǎn)化。

根據(jù)上述力學(xué)分析，軸10上槽煤層底板可分為3類，在巷道掘進(jìn)期間3類底板的劃分指標(biāo)如下：當(dāng)夾矸底板厚度h小于1.3 m時(shí)為第一類底板，屬于易屈曲破壞底板；當(dāng)夾矸底板厚度h大于1.3 m，而小于2.5m時(shí)為第二類底板，屬于容易彎曲破壞的底板，表現(xiàn)為有較大的底鼓量；當(dāng)巷道底板大于2.5 m時(shí)為穩(wěn)定底板，在不受采動(dòng)的情況下是穩(wěn)定的。

上述分類指標(biāo)在受采動(dòng)影響的情況下應(yīng)做如下調(diào)整，即：當(dāng)夾矸底板厚度h小于2.5 m時(shí)為第一類底板，屬于易屈曲破壞底板；當(dāng)夾矸底板厚度h大于2.5 m，而小于5.5 m時(shí)為第二類底板，屬于易彎曲破壞底板，表現(xiàn)為有較大的底鼓量；當(dāng)巷道底板大于5.5 m時(shí)為穩(wěn)定底板，在不受采動(dòng)影響的情況下是穩(wěn)定的。由于采動(dòng)影響時(shí)間短，煤層底板發(fā)生瞬時(shí)屈曲破壞的可能性較大；而彎曲破壞時(shí)間較短，可能發(fā)展過程還未完成全巷道就被采空了。

4 巷道復(fù)合底板破壞防治技術(shù)

4.1 巷道兩幫卸壓

由上述分析可知，復(fù)合底板發(fā)生破壞的最主要因素是巷道圍巖的高應(yīng)力。為了避免高應(yīng)力對(duì)復(fù)合底板破壞產(chǎn)生不利影響，可以對(duì)巷道兩幫實(shí)施大直徑鉆孔卸壓，目的是弱化巷道兩幫煤體，減少應(yīng)力集中，使集中應(yīng)力往深部轉(zhuǎn)移，避免兩幫高支承壓力使復(fù)合底板煤體發(fā)生滑移，根據(jù)大安山煤礦10上槽煤層情況，在巷道兩幫距離底板1.5 m處，各打一排長度為18 m、直徑為110 mm的大直徑鉆孔，鉆孔間距為1.5 m，如圖5所示。

4.2 巷道底板斷底

由于第一類巷道底板易發(fā)生屈曲破壞，易瞬間釋放能量，對(duì)于不受采動(dòng)影響的巷道需對(duì)厚度小于1.8 m的夾矸底板進(jìn)行斷底；對(duì)于受采動(dòng)影響的巷道，需對(duì)厚度小于2.5 m的夾矸底板進(jìn)行斷底，使夾矸不能形成壓桿結(jié)構(gòu)，消除應(yīng)力集中。具體方法如下：在巷道兩底角處向底板打垂深2.5 m、直徑為40 mm的爆破鉆孔，鉆孔沿巷道軸向傾斜，爆破后在巷道兩側(cè)分別形成深度為2.5 m的深溝，然后回填，實(shí)現(xiàn)巷道底板與煤壁支承壓力區(qū)斷開。

圖5 巷道圍巖卸壓布置圖

4.3 巷道復(fù)合底板加固技術(shù)

由于在實(shí)際開采中，底板夾矸厚度不一，當(dāng)夾矸厚度大于2.5 m時(shí)，此時(shí)雖然底板夾矸能承載底板高應(yīng)力，但仍存在危險(xiǎn)隱患，所以此時(shí)不僅要采用大直徑鉆孔卸壓，還要對(duì)底板夾矸進(jìn)行加固控制，避免其在回采過程中以及外界動(dòng)力干擾下，發(fā)生瞬間破壞。

具體參數(shù)如下：巷道兩幫采用兩根長2.5 m的錨桿，錨固長度1.5 m；1根長5.5 m的錨索，錨固長度2 m，間距800 mm，其中最底部錨桿距底板600 mm。頂板采用兩根長2.5 m的錨桿，錨固長度1.5 m；3根長6 m的錨索，錨固長度2 m，間距800 mm，其中肩部錨索距煤幫400 mm。在巷道底板施加底角錨桿，切斷底板滑移線，底板角錨桿采用長度3 m、直徑22 mm的左旋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，全長樹脂錨固，間排距800 mm×1000 mm，與底板平面呈45°夾角，在巷道兩底角處均布置兩根底角錨桿。在巷道中部施加兩根長3 m、直徑22 mm的全長錨固錨桿，間排距800 mm×1000 mm，控制底板煤層被動(dòng)滑移區(qū)，避免煤層滑移后擠脹底板夾矸，提高底板夾矸抗剪強(qiáng)度。

5 復(fù)合底板工業(yè)性試驗(yàn)效果

由于大安山煤礦礦壓顯現(xiàn)明顯，在西一工作面開采前，對(duì)西一工作面的底板進(jìn)行了分類支護(hù)措施。根據(jù)底板夾矸厚度，進(jìn)行分類支護(hù)，夾矸厚度小于2.5 m時(shí)，對(duì)兩幫采用大直徑鉆孔卸壓，同時(shí)利用爆破技術(shù)進(jìn)行斷底；夾矸厚度大于2.5 m時(shí)，對(duì)兩幫采用大直徑鉆孔卸壓，同時(shí)在底板布置錨桿，阻止煤體滑移。為檢驗(yàn)支護(hù)方案的支護(hù)效果，在西一工作面下巷中，選取兩個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)1設(shè)置在底板夾矸厚度0.5 m處，距切眼110 m，測點(diǎn)2設(shè)置在夾矸厚度2.6 m處，距切眼310 m，監(jiān)測在工作面影響范圍下測點(diǎn)的位移量，并進(jìn)行分別記錄。監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 底板位移量監(jiān)測曲線

由圖6可以看出，測點(diǎn)1的底板位移量要略高于測點(diǎn)2的底板位移量，測點(diǎn)在距工作面60 m以外，底板位移量變化緩慢，均在25 mm以下。此時(shí)底板位移可以看作是由底板的彈性變形引起的。在距工作面20 m以內(nèi)，底板位移量均在85 mm以上，且變化不大，處于穩(wěn)定狀態(tài)，測點(diǎn)1位移量最高為94 mm，測點(diǎn)2位移量最高為86 mm。在距工作面20～60 m范圍，測點(diǎn)1底板位移量要略高于測點(diǎn)2的位移量，這是由于測點(diǎn)1夾矸較薄，雖然夾矸承載能力較小，斷底卸壓的作用非常明顯。在工作面影響范圍內(nèi)，底板位移量相對(duì)會(huì)較大，這是由于工作面超前支承壓力對(duì)底板煤層產(chǎn)生了影響。

6 結(jié)論

(1)復(fù)合底板破壞形式主要有屈曲破壞和彎曲破壞，在條件滿足的情況下，屈曲破壞先于彎曲破壞發(fā)生，具有一定的突然性，而彎曲破壞是應(yīng)力持續(xù)緩慢變化產(chǎn)生的，有利于聚集能量的釋放。

(2)針對(duì)大安山礦軸10槽煤層夾矸厚度不一的情況，當(dāng)夾矸厚度小于1.3 m時(shí)掘進(jìn)期間容易發(fā)生夾矸的屈曲破壞；當(dāng)夾矸厚度小于2.5m時(shí)，回采期間也可能發(fā)生夾矸的屈曲破壞

(3)軸10上槽煤層巷道底板夾矸容易因軸10下槽煤層碎脹擠壓而產(chǎn)生彎曲破壞，最終表現(xiàn)為巷道的大量底鼓，特別是受采動(dòng)影響的巷道底鼓量很大，只有夾矸厚度大于5.5 m時(shí)巷道采表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

(4)對(duì)巷道兩幫進(jìn)行大直徑鉆孔，對(duì)底板進(jìn)行爆破斷底有較好的卸壓效果，減小兩幫的高應(yīng)力對(duì)底板煤體的影響，同時(shí)切斷復(fù)合底板煤體滑移路徑，減小底板深部較厚巖體形成的高水平應(yīng)力。

(5)布置底角錨桿阻隔底板煤層發(fā)生滑移，在巷道底板中部施加錨桿增加底板夾矸的穩(wěn)定性，能一定程度上阻止10下槽煤層煤體沿著滑移線擴(kuò)大破壞程度，減小了10下槽煤層對(duì)夾矸底板的擠壓力，使之保持穩(wěn)定，有一定的控制效果。