大斷面巷道底板采用切槽防治底鼓技術(shù)

郭晉鵬

(山西煤炭運銷集團(tuán) 陽城西河煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105)

隨著近些年我國煤炭開采逐漸向深部發(fā)展，巷道、采場受到高應(yīng)力的影響，出現(xiàn)了巷道底鼓、沖擊地壓等災(zāi)害[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國90%以上的礦井巷道底板不進(jìn)行支護(hù)，在深部高應(yīng)力作用下，巷道圍巖變形量增大，底鼓現(xiàn)象頻發(fā)。巷道底鼓的產(chǎn)生會縮小巷道斷面，增加通風(fēng)阻力，給礦井行人、運輸帶來困難，底板應(yīng)力突然釋放，甚至?xí)斐扇藛T傷亡，底鼓嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)[3-4]。

本文以西河煤礦3210工作面回采巷道底鼓治理為背景，運用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測等方法，對大斷面巷道底鼓成因及防治進(jìn)行了研究。在不改變現(xiàn)有支護(hù)條件下，提出了切槽卸壓治理底鼓的措施，通過現(xiàn)場應(yīng)用，達(dá)到了理想的治理效果。

1 工程概況

西河煤礦3210工作面位于該礦3號煤層二盤區(qū)，煤層平均厚度4.5 m，傾角1～3°，工作面長度270 m，推進(jìn)長度1 100 m，軌道巷為5.0 m×4.0 m的矩形巷道，頂板采用“錨桿+錨索”聯(lián)合支護(hù)。工作面直接頂為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度4.5 m；基本頂為灰色細(xì)砂巖、泥巖互層，平均厚度17.33 m；直接底為泥巖或炭質(zhì)泥巖互層，平均厚度4.3 m。3210工作面推進(jìn)過程中回采巷道出現(xiàn)了不同程度的底鼓現(xiàn)象，特別是軌道巷底鼓嚴(yán)重，現(xiàn)場陷入了“底鼓—起底—再底鼓—再起底”的惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響了礦井安全生產(chǎn)。

因此，分析巷道底鼓成因，并制定可行的防治措施是一個亟待解決的問題。

2 巷道底鼓成因分析

3210綜采工作面采用三巷布置、兩進(jìn)一回的通風(fēng)方式，膠帶巷和軌道巷之間預(yù)留15 m寬的煤柱，由于留設(shè)煤柱寬，因此認(rèn)為軌道巷兩幫所受應(yīng)力分布相似，取巷道一側(cè)進(jìn)行分析，簡化受力如圖1所示。巷道一幫在垂直應(yīng)力Q的作用下，產(chǎn)生CIJ主動受力區(qū)域，MCJ被動受力區(qū)域。當(dāng)主動應(yīng)力大于被動應(yīng)力時，底板巖石會產(chǎn)生向上的剪切力T，在T的作用下，MCJ區(qū)域內(nèi)的巖石會沿著MJ面產(chǎn)生滑動。3210工作面底板主要為泥巖，在掘進(jìn)過程中遇水容易軟化，強(qiáng)度降低，內(nèi)摩擦力降低，更容易在MJ面產(chǎn)生滑動，當(dāng)?shù)装鍘r石承壓能力超過巖石本身的強(qiáng)度極限時，就會發(fā)生底鼓。

圖1 巷道圍巖應(yīng)力分布

根據(jù)郎肯土壓力理論[5]來估算巷道底鼓變形量，底板最大破壞深度y1：

(1)

根據(jù)西河礦3210工作面實際地質(zhì)條件，煤體上載荷Q取3.75 MPa，γ取25 kN/m3，φ取32°。將參數(shù)代入公式可得底板最大破壞深度即底鼓深度:y1≈2.2 m。

3 切槽卸壓機(jī)理及切槽尺寸的確定

切槽就是在巷道底板中央開挖卸壓槽，提前對巷道底板的完整性進(jìn)行破壞。巷道切槽后，使得一定厚度的底板被人為地“分割”為兩部分，為圍巖變形提供補(bǔ)償空間，增大其吸收變形的能力。切槽不但能夠使底板水平應(yīng)力得到一定程度的釋放，切槽空間還可以緩解部分底鼓變形[6],從而防止在高應(yīng)力作用下巷道發(fā)生嚴(yán)重底鼓的現(xiàn)象。切槽后底板受力模型如圖2所示。

圖2 切槽后地板受力簡圖

在巷道底板中部提前開挖1條寬度為L、深度為h的溝。建立力學(xué)模型，可將切槽壁簡化為長度h、截面寬度為b的懸臂梁結(jié)構(gòu)。為了讓切槽能夠緩解底板變形，使得底板應(yīng)力得以釋放，切槽寬度L應(yīng)滿足：

(2)

將參數(shù)帶入公式(2)可得到切槽寬度：

(3)

將h/b≥5帶入(3)可得：

(4)

根據(jù)式(1)可以得出巷道底板破壞深度為2.2 m。已知工作面γ= 25 kN/m3,H=150 m,實測膨脹應(yīng)力Ps=0.66 MPa，υ=0.44，E=300 MPa, 代入式(4)可得切槽寬度:L≥0.4 m。

因此初步設(shè)計底板切槽寬度為0.4 m，深度為2.2 m。

4 數(shù)值模擬研究

4.1 數(shù)值模型的建立

結(jié)合西河煤礦3210工作面軌道巷地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，模型長×寬×高=190 m×185 m×57.5 m，模擬巷道尺寸為5.0 m×4.0 m，模型表面施加自重應(yīng)力邊界，模型上邊界為自由邊界，其它邊界為位移約束。運用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞。控制底鼓的最佳位置應(yīng)選擇在巷道底板中部[7]，模擬巷道在無切槽情況，及切槽尺寸為2.2 m×0.4 m、2.2 m×0.5 m、2.2 m×0.6 m四種情況下，隨工作面的不斷推進(jìn)，巷道圍巖變形量，從而確定最佳切槽寬度。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3為無切槽及不同切槽寬度時底鼓量隨工作面的變化曲線。由圖3可以看出，巷道底鼓量隨著工作面的推進(jìn)而逐漸變大，直至趨于穩(wěn)定。未切槽時，底鼓量最大為371 mm，底鼓現(xiàn)象明顯。切槽寬度為0.4 m、0.5 m、0.6 m時，底鼓量分別為76 mm、72 mm、67 mm，與未切槽相比，底鼓量最大減小了304 mm；切槽尺寸越寬，底鼓控制效果越好。但是在選擇的三種切槽寬度下，底鼓降幅較小。寬度為0.4 m的切槽已經(jīng)完全滿足底鼓控制要求，繼續(xù)增加切槽寬度底鼓治理效果不明顯。

圖3 不同槽寬時的底鼓量隨工作面變化曲線

圖4、圖5為無切槽及不同切槽寬度時兩幫和頂板變形量隨工作面的變化曲線。由圖可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)，兩幫、頂板變形量逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。切槽后比未切槽時，巷道兩幫移近量及頂板下沉量明顯增加；未切槽時，兩幫移近量最大為112 mm，切槽0.4 m、0.5 m、0.6 m后，兩幫移近量增加到138 mm、144 mm、148 mm。未切槽時頂板下沉量最大12 mm，切槽0.4 m、0.5 m、0.6 m后，頂板下沉量增加到21 mm、22 mm、23 mm。因此增加切槽寬度對于巷道圍巖穩(wěn)定性會帶來一定的影響，因此不能一味追求治理效果而忽略巷道圍巖變形。

圖4 不同切槽寬度兩幫移近量變化曲線

圖5 不同切槽寬度頂板下沉量變化曲線

綜合考慮巷道圍巖穩(wěn)定性、現(xiàn)場施工量等因素， 3210工作面回采巷道選擇切槽寬度為0.4 m為最佳寬度。

5 現(xiàn)場試驗

根據(jù)理論計算及數(shù)值模擬結(jié)果，在3210工作面軌道巷中選取100 m進(jìn)行切槽試驗，切槽深度為2.2 m，寬度為0.4 m，在切槽卸壓段巷道布置3個測站對巷道圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測。另外選取100 m巷道在未切槽情況下布置3個測站對巷道圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測，對比分析切槽效果。觀測結(jié)果如圖6所示。

圖6 巷道底鼓量變化曲線

由圖6可以看出，巷道底鼓變形量隨著時間的推移逐漸增加最后趨于穩(wěn)定。未切槽巷道在0～90 d的時間里變形明顯，90 d后逐漸趨于穩(wěn)定，最大底鼓量為315 mm。切槽后底鼓量整體大幅度降低，0～90 d內(nèi)底鼓量變形明顯，90 d后逐漸趨于穩(wěn)定，最大底鼓量僅為73 mm，比未切槽降低了76.8%，充分說明采用2.2 m深、0.4 m寬的切槽對于控制巷道底鼓量效果顯著。

6 結(jié) 語

1) 分析了西河煤礦巷道底鼓機(jī)理，主要來自于上覆巖層通過兩端煤體傳遞的載荷導(dǎo)致底板發(fā)生破壞，加之巷道底板多為泥巖，遇水容易軟化，加劇了巷道破壞程度。

2) 通過受力分析及理論計算得出巷道切槽深度為2.2 m，巷道寬度應(yīng)大于等于0.4 m。數(shù)值模擬試驗得出，切槽寬度越寬，底鼓控制效果越好，但兩幫及頂板變形量增加。綜合考慮，巷道切槽最佳寬度為0.4 m。

3) 在3210工作面回采巷道分別選取未切槽和切槽深度為2.2 m、寬度為0.4 m的巷道各100 m進(jìn)行了試驗，并對圍巖變形進(jìn)行觀測，結(jié)果表明，切槽后巷道底鼓量減小了76.8%，可以有效地控制巷道底鼓。