高應力回采巷道底鼓防治技術研究

張正萌 張忠玉 王新

摘 要：以311307工作面為研究對象，分析了巷道發(fā)生底鼓的機理，并采用FLAC3D模擬巷道底板采用卸壓槽及注漿錨桿后底板應力、位移及塑性區(qū)情況。根據模擬結果可知，采用聯(lián)合措施后底板最大底鼓量為105mm。此外，分別設計了卸壓槽及注漿錨桿參數(shù)，通過監(jiān)測底鼓量對治理效果進行檢驗。根據監(jiān)測結果可知，聯(lián)合治理措施取得了良好效果。

關鍵詞：底鼓;卸壓槽;注漿錨桿;底板位移

中圖分類號：TD353.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0104-03

Study on Prevention Technology of Floor Heave in High

Stress Mining Roadway

ZHANG Zhengmeng ZHANG Zhongyu WANG Xin

Abstract： Taking 311307 working face as the research object， the mechanism of the bottom drum in the roadway was analyzed. The FLAC3D was used to simulate the stress， displacement and plastic zone of the backing plate and the backing plate of the grouting anchor. According to the simulation results， the joint was adopted. After the measure， the maximum bottom drum of the bottom plate was 105mm. The parameters of pressure relief groove and grouting anchor were designed separately. The effect of the bottom drum was monitored by monitoring the bottom drum. According to the monitoring results， the joint treatment measures had achieved good results.

Keywords： bottom drum;pressure relief groove;grouting anchor;floor displacement

由于礦井開采地質條件復雜，巷道掘進后底板容易形成應力集中現(xiàn)象，嚴重影響巷道的穩(wěn)定性[1-4]。底板為軟巖的巷道底板應力顯現(xiàn)更劇烈，在高應力作用下，底板發(fā)生塑性變形破壞，圍巖滑移變形運動，巷道底板出現(xiàn)底鼓[5，6]。如果不能及時進行治理，不但影響巷道的施工進度，在應力集中到一定程度，還有可能發(fā)生底板型沖擊地壓。因此，對于高應力回采巷道，應及時采取有效的治理措施，加強底板支護強度，保證工作面安全高效回采。

1 工作面概況

巴彥高勒煤礦311307綜采工作面位于13盤區(qū)中北部，為13盤區(qū)第二個工作面，南部為311306工作面，西部為13盤區(qū)邊界，東部為13盤區(qū)大巷保護煤柱，北部為實炭區(qū)。地面標高為+1 275.8～+1 285.2m，工作面標高為+613.7～+638.6m。工作面開采煤層為3-1煤層，工作面寬度為299.5m，采高平均為5.94m。工作面巷道直接底為平均厚度5.76m的砂質泥巖，巖層強度低，巷道底板容易形成應力集中區(qū)，當集中應力超過底板巖層所能承載的極限時，巷道發(fā)生底鼓。根據統(tǒng)計表明，膠帶巷至掘進完成后，底板鼓起平均速度為0.65mm/d，巷道多數(shù)區(qū)域底鼓量超過500m。由于底板變形速率及變形量大，導致巷道不停返修。

2 底鼓發(fā)生機理

由于311307工作面埋深600m以上，底板巖層強度相對較低。巷道掘進后，上覆巖層垂直應力、底板水平應力及構造應力等在巷道底板集中形成應力密實區(qū)，該區(qū)域內底板巖層由彈性狀態(tài)轉化為塑性狀態(tài)。隨著應力不斷增大，底板應力密實區(qū)不斷膨脹擠壓破壞區(qū)巖層，使破壞區(qū)的巖層發(fā)生頻繁的剪切破壞，破裂面貫通敞開區(qū)并延伸到巷道底板，巷道發(fā)生底鼓，如圖1所示。

3 底鼓防治技術數(shù)值模擬

巷道掘進后受高應力影響出現(xiàn)底鼓，常見的底鼓防治技術主要有加固法和卸壓法，多數(shù)礦井采用兩者相結合的治理措施。卸壓法是通過開挖底板卸壓槽、鉆孔爆破等措施來釋放底板積聚的能量;加固法主要是通過采用錨桿錨索支護、底板注漿等措施來提高底板的強度。

3.1 模擬方案

采用FLAC3D模擬311307工作面底板采用卸壓法和加固法聯(lián)合支護后巷道底板應力、位移及塑性區(qū)情況。根據工作面地質條件建立90m×50m×50m模型，材料參數(shù)如表1所示

3.2 模擬結果分析

311307工作面巷道底板采用開挖卸壓槽與底板注漿錨桿相結合的措施，底板開挖寬為0.5m、深為1.5m的卸壓槽;距兩幫1m安裝長度為6.0m的注漿錨桿，間排距800 mm×800 mm。通過FLAC3D模擬得到巷道底板垂直位移、應力和塑性區(qū)分布圖，分別如圖1、圖2和圖3所示。

由圖1可知，采用聯(lián)合措施后，311307工作面巷道底板底鼓量明顯減小。巷道底板最大底鼓量為105mm，相對于未采用聯(lián)合措施最大底鼓量減小了79%。最大底鼓量出現(xiàn)在底板卸壓槽與巷道兩幫底角之間處。

由圖2可知，311307工作面巷道底板開挖卸壓槽后，巷道底板的應力逐漸向卸壓槽底部轉移，在卸壓槽底部形成一個凹形應力集中區(qū)，應力最大峰值為18MPa，從而導致巷道底板區(qū)域的應力值減小。

由圖3可知，311307工作面底板最大塑性破壞深度為4.5m，巷道底板表面及卸壓槽兩幫發(fā)生拉伸破壞，底板深處發(fā)生剪切破壞。由此可知，巷道底板最大破壞深度相對于未采用聯(lián)合措施前有明顯減小。

根據模擬結果可知，311307工作面采用卸壓法與加固法的聯(lián)合措施后，不僅使巷道底板高集中應力向深部轉移，還提高了底板的支護強度和巷道的穩(wěn)定性，避免巷道發(fā)生大范圍底鼓現(xiàn)象。

4 底鼓治理措施

4.1 卸壓法

311307工作面開挖卸壓槽可以使底板的應力向卸壓槽深度轉移，從而避免巷道底板形成應力集中區(qū)。沿著工作面兩巷走向開挖寬為0.5m、深為1.5m的卸壓槽，巷道掘進完畢后，需要采用矸石等及時對卸壓槽進行回填，避免影響行人及運輸貨物安全。

4.2 加固法

311307工作面兩巷底板采用錨網噴支護，提高巷道底板承載能力。

錨桿采用Φ43mm×1 800mm注漿錨桿，間排距800mm×800mm;底板兩角錨桿與垂直方向約成45°夾角，向內依次約為30°、15°、0°，如圖4所示。錨桿外露不大于300mm;錨網采用Φ6mm鋼筋網，規(guī)格1 700mm×900mm，網格間距100mm;巷道頂板布置2排Φ17.8mm×7300mm錨索，間排距為1 400mm×800mm。

巷道底板注漿采用注漿錨桿施工，將注漿孔與錨桿合二為一。選用QB152型便攜式注漿泵，注漿液由水泥、黃沙、石子配置而成，三者比例為1∶2∶2，水灰比為0.45∶1。注漿開始后緩慢增加壓力，正常注漿壓力為0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa。根據311307工作面底板巖層性質，確定注漿參數(shù)，如表2所示。

5 支護效果檢驗

311307工作面兩巷采用卸壓法和加固法聯(lián)合治理底鼓后，對治理效果進行檢驗。在距工作面切眼100m處沿著工作面回采方向依次布置4個間距為50m的監(jiān)測點，監(jiān)測巷道底板位移量。

根據監(jiān)測結果可知，巷道底板采用聯(lián)合措施后底鼓量明顯減小，最大底鼓量為160mm。由此可知，巷道底板開挖卸壓槽及采用注漿錨桿聯(lián)合治理底鼓效果明顯，提高了巷道底板承載能力，保證巷道穩(wěn)定性。

6 結論

本文以巴彥高勒煤礦311307綜采工作面為研究對象，分析了巷道發(fā)生底鼓的原因，即底板應力密室區(qū)擠壓破壞區(qū)巖層，導致其發(fā)生剪切破壞，貫通敞開區(qū)并延伸到巷道底板造成。由此，

采用FLAC3D模擬巷道底板采用卸壓槽及注漿錨桿后底板應力、位移及塑性區(qū)情況。根據模擬結果可知，采用聯(lián)合措施后底板最大底鼓量為105mm，減小了79%;底板應力向卸壓槽底部轉移，底板應力值減小。此外，還分別設計了卸壓槽參數(shù)及注漿錨桿參數(shù)及注漿工藝、參數(shù)，通過監(jiān)測底鼓量對治理效果進行檢驗。根據監(jiān)測結果可知，采用聯(lián)合措施后底板最大底鼓量為160m，聯(lián)合措施取得了良好效果。

參考文獻：

[1]李信躍，徐曠.聯(lián)合支護技術防治巷道底鼓的應用實踐[J].江西煤炭科技，2019（3）：177-179.

[2]張震，李春睿，黃志增，等.高膨脹松軟圍巖鄰空巷底鼓機理及防治技術[J].煤炭工程，2016（7）：47-49.

[3]巫青松.回采巷道底鼓機理及其控制技術研究[J].礦業(yè)裝備，2015（12）：78-81.

[4]田臣，侯志成，劉英杰.補連塔煤礦2～（-2）煤三盤區(qū)巷道底鼓防治技術[J].煤炭科學技術，2015（S1）：32-35.

[5]李傳森.漳村煤礦采動巷道底鼓機理分析與控制研究[D].太原：太原理工大學，2015.

[6]張科學，馬振乾，楊英明，等.厚煤層綜放工作面高強度開采底鼓防治技術[J].煤炭科學技術，2014（11）：33-36.