正善煤礦底鼓機(jī)理與治理技術(shù)研究

劉應(yīng)龍

（山西汾西正善煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

隨著礦井開(kāi)采深度的增加與地質(zhì)條件的日趨復(fù)雜，巷道圍巖所承受的應(yīng)力逐漸增大。圍巖應(yīng)力的增大會(huì)導(dǎo)致礦山壓力顯現(xiàn)明顯，巷道出現(xiàn)底鼓、冒頂和沖擊地壓等安全問(wèn)題，影響礦井的安全生產(chǎn)。巷道底鼓是由于上覆巖層自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和水平應(yīng)力等共同作用下，在巷道底板應(yīng)力集中，當(dāng)集中的應(yīng)力超過(guò)巷道所能承受的極限時(shí)，巷道會(huì)出現(xiàn)底鼓[1-4]。工作面的采深、構(gòu)造情況和底板巖層性質(zhì)等是影響巷道出現(xiàn)底鼓的主要因素。巷道底鼓影響礦井的生產(chǎn)效率，對(duì)礦井的安全有一定的影響。因此，對(duì)于底鼓應(yīng)當(dāng)采用有效的措施進(jìn)行治理，使礦井能夠安全生產(chǎn)。

1 概況

山西汾西正善煤業(yè)有限責(zé)任公司位于孝義市西南直距約20km處，井田呈規(guī)則四邊形，南北長(zhǎng)約3.203km，東西寬約3.298km，批準(zhǔn)開(kāi)采2、3、4號(hào)煤層，井田面積10.5602km2。全礦井工業(yè)儲(chǔ)量為2368萬(wàn)t，礦井可采儲(chǔ)量為1689.4萬(wàn)t，服務(wù)年限14.4a。礦井地質(zhì)構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類型，水文地質(zhì)條件為中等類型，屬自燃煤層，煤塵有爆炸危險(xiǎn)性，為低瓦斯礦井。

全井田劃分一個(gè)水平開(kāi)拓，水平標(biāo)高+724m，劃分為兩個(gè)采區(qū)，裝備1個(gè)綜合機(jī)械化采煤工作面，即2201首采工作面，工作面走向長(zhǎng)度1698m，傾向長(zhǎng)度176.5m，平均采高2.2m。

2 底鼓發(fā)生機(jī)理

巷道開(kāi)掘之前，煤巖體是處于三向應(yīng)力的平衡靜止?fàn)顟B(tài)[5-6]。巷道的開(kāi)掘使其平衡狀態(tài)破壞，應(yīng)力重新分布，受到高集中應(yīng)力的作用，主要表現(xiàn)為應(yīng)力范圍的增大和應(yīng)力的峰值向煤壁深部轉(zhuǎn)移，在巷道邊緣前方形成應(yīng)力增高區(qū)，部分圍巖的應(yīng)力進(jìn)入塑性狀態(tài)分布。由于塑性區(qū)內(nèi)的巖體的粘聚力已經(jīng)基本消失，主要依靠巖塊間的摩擦力維持穩(wěn)定，煤體的承載能力大幅下降，處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，在外界擾動(dòng)的作用下，圍巖的塑性的范圍會(huì)逐漸擴(kuò)大，會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生頻繁的剪切破壞。

由于正善煤礦采深大，底板巖層強(qiáng)度低，巷道掘進(jìn)時(shí)，上覆巖層的高集中應(yīng)力經(jīng)過(guò)兩幫向巷道底板傳遞，在水平應(yīng)力與自重應(yīng)力的共同作用下，會(huì)在巷道底板形成高集中應(yīng)力區(qū)，在該區(qū)域巷道底板應(yīng)力由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)。隨著巷道的不斷掘進(jìn)，底板所承受的集中應(yīng)力不斷增大，底板巖層發(fā)生頻繁的剪切破壞，當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)巷道所能承受的極限時(shí)，巖層不斷剪切破壞出現(xiàn)的斷裂面延伸到巷道底板，巷道底板出現(xiàn)底鼓。其發(fā)生機(jī)理如圖1所示。

圖1 底鼓發(fā)生機(jī)理示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

（1）對(duì)不同采深下巷道底板底鼓量進(jìn)行數(shù)值模擬，來(lái)判定自重應(yīng)力對(duì)巷道底板量的影響。

（2）分析構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道底板底鼓量進(jìn)行數(shù)值模擬，來(lái)判定構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道底板量的影響。

3.2 自重應(yīng)力對(duì)巷道底鼓影響數(shù)值模擬

通過(guò)RFPA數(shù)值模擬軟件分別模擬巷道200m、400m、600m、800m埋深時(shí)，自重應(yīng)力對(duì)巷道底板的破壞情況，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同采深巷道底板破壞模擬圖

由圖2數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道在不同埋深時(shí)底板底鼓量不同，隨著巷道埋深的逐漸增加，巷道底鼓量越來(lái)越大。當(dāng)巷道埋深為200m時(shí)，巷道底板的兩幫底角區(qū)域?yàn)楸∪鯀^(qū)域，底板受到水平應(yīng)力的作用開(kāi)始出現(xiàn)剪切破壞，由底角區(qū)域逐漸向巷道底板延伸，斷裂面延伸到巷道底板區(qū)域底板出現(xiàn)倒三角現(xiàn)象。隨著埋深的增大，倒三角區(qū)域逐漸增大，底鼓現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重。因此，由模擬結(jié)果可知，巷道開(kāi)采深度增加會(huì)導(dǎo)致自重應(yīng)力增大，巷道底鼓現(xiàn)象也越發(fā)明顯。

3.3 構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道底鼓影響數(shù)值模擬

在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地方開(kāi)掘巷道，巷道開(kāi)掘所承受的應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力為主應(yīng)力，不同的地質(zhì)構(gòu)造條件巷道所承受的構(gòu)造應(yīng)力的方向和大小有所不同[7-8]。不同于自重應(yīng)力場(chǎng)中自重應(yīng)力作為巷道主應(yīng)力的情況，在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，因此水平應(yīng)力作為巷道的主應(yīng)力，通過(guò)RFPA數(shù)值模擬，在巷道埋深一定的情況下（400m），分析不同水平應(yīng)力系數(shù)K=1.2、K=1.8、K=2.0時(shí)，巷道底板底鼓量。數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不同水平應(yīng)力系數(shù)巷道底鼓量

由圖3可知，隨著水平應(yīng)力的增大，在巷道埋深一定的情況下，巷道底鼓量越來(lái)越大。在巷道開(kāi)掘過(guò)程中，自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力是影響巷道底鼓量的兩個(gè)重要因素，不管是自重應(yīng)力還是構(gòu)造應(yīng)力都會(huì)加大巷道的底鼓量。

4 巷道底鼓治理措施

4.1 開(kāi)掘卸壓槽

在巷道底板開(kāi)掘槽，可以降低巷道底板的集中應(yīng)力，卸壓槽的挖掘，破壞了巷道底板應(yīng)力傳遞的連續(xù)性，使巷道所承受的水平應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，避免了應(yīng)力在巷道底板集中，卸壓槽的挖掘吸收巷道出現(xiàn)底鼓的能量。圖4為巷道底板開(kāi)掘卸壓槽示意圖，由圖4可以看出，泄壓槽的開(kāi)掘，巷道底板的應(yīng)力由C向深部D轉(zhuǎn)移，減少巷道底板所承受的應(yīng)力，避免巷道出現(xiàn)底鼓。

在2201首采工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中，為了避免巷道底板出現(xiàn)底鼓，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中挖掘一條沿著巷道走向布置的卸壓槽進(jìn)行底板卸壓，卸壓槽的寬為0.5m，深為1.8m，巷道掘完后，采用矸石對(duì)卸壓槽進(jìn)行人工充填，避免影響礦井行車、行人安全。

圖4 開(kāi)掘卸壓槽巷道底板應(yīng)力轉(zhuǎn)移圖

4.2 底板支護(hù)

2201首采工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中采用底板錨桿和錨索對(duì)巷道底板進(jìn)行支護(hù)，通過(guò)錨桿來(lái)提高巷道底板的抗剪切能力，阻止底板巖層由于應(yīng)力集中而出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，加固底板巖層的強(qiáng)度，提高巷道底板的穩(wěn)定性。巷道底板通過(guò)錨桿進(jìn)行支護(hù)后，巷道底板巖層形成組合拱結(jié)構(gòu)，組合拱結(jié)構(gòu)能加固底板巖層強(qiáng)度，控制底板變形。支護(hù)參數(shù)為：錨桿選用Ф20×3000mm（MSGLD-500/20）左旋等強(qiáng)度全螺紋錨桿，錨桿間排距為1000×1000mm；錨索選用Φ17.8×5000mm鋼絞線（SKP18-1/1860）錨索，斷面間排距為1500×2700mm。其底板支護(hù)布置示意圖如圖5所示。

圖5 底板支護(hù)布置示意圖

4.3 底板注漿

底板注漿的原理是通過(guò)注漿加固底板由于剪切破壞而導(dǎo)致的破碎巖層，注漿液可以增強(qiáng)巖層間的粘聚力，提高底板圍巖的強(qiáng)度，增強(qiáng)巷道底板抗變形能力，保持巷道底板的完整性，避免巷道出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。底板注漿可以在控制底板變形過(guò)程中形成一個(gè)控制底板鼓起的反拱。

在2201首采工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷底板無(wú)注漿時(shí)，底鼓量為241mm，巷道底鼓量較大，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)有一定的影響；在礦井采用注漿加固底板時(shí)，巷道底鼓量明顯減小，底鼓量為123.5mm。因此，采用底板注漿的措施能有效地減小底板的底鼓量。

底板注漿不僅可以降低減小巷道的底鼓量，其對(duì)底板的加固作用在一定程度上也可以防治底板欲裂水，降低發(fā)生底板型沖擊地壓的危險(xiǎn)性。因此，礦井底板注漿能夠降低發(fā)生災(zāi)害的危險(xiǎn)性，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

5 結(jié)論

（1）分析了巷道底鼓發(fā)生的機(jī)理，是在自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和水平應(yīng)力等作用下，在巷道底板形成應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)集中的應(yīng)力超過(guò)底板所能承載的極限時(shí)，巷道底板會(huì)發(fā)生底鼓。

（2）采用RFPA數(shù)值模擬分析了自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道底鼓的影響，通過(guò)模擬結(jié)果可知，巷道埋深越大，巷道所處位置地質(zhì)構(gòu)造越復(fù)雜，巷道底鼓量越大。

（3）采用開(kāi)掘卸壓槽、底板錨桿、錨索支護(hù)、底板注漿加固的的措施治理巷道底鼓，實(shí)踐證明具有良好的效果。