常村礦厚煤層巷道底鼓控制技術(shù)應(yīng)用

（潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西 長治 046200）

長期以來，在控制巷道變形中，巷道底鼓一直是煤礦開采等地下工程中難以解決的問題之一[1]。常村礦2206運(yùn)輸平巷底板軟，圍巖應(yīng)力高，易發(fā)生底鼓，本文提出整體控制原則控制底鼓，即加強(qiáng)頂板及兩幫支護(hù)，針對底板改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，提高承載性，使巷道頂?shù)装寮皟蓭托纬梢粋€相互聯(lián)系的整體。

1 工程概況

常村礦2206工作面埋藏深度為428.2～479.5 m之間，工作面煤層傾角0°～7°，為近水平煤層。該工作面走向長度為576m，傾斜長度為300m，采用走向長壁后退式、低位放頂煤、全部垮落的綜合機(jī)械化采煤方法。采用端部割三角煤的斜切進(jìn)刀方式，采煤工序?yàn)楦蠲骸⒀b運(yùn)煤、移架、推前輸送機(jī)、放頂煤和推后輸送機(jī)。

所采3#煤平均厚度為5.95m，直接頂為泥巖，厚度為0.65～2.36 m；基本頂為細(xì)砂巖，厚度為7.32～10.41 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度為1.26～2.25 m；基本底為粉砂巖，厚度為1.69～2.86 m。

2206運(yùn)輸平巷為矩形斷面，巷道寬5.0m，高3.3m，斷面16.5 m2，原支護(hù)形式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂部錨桿規(guī)格Φ18 mm×L2100 mm，幫部錨桿規(guī)格Φ16 mm×L1600 mm，間排距均為0.9 m×0.9 m；頂板布置2根Φ17.8 mm×L6500 mm錨索。巷道沿煤層底板掘進(jìn)，開挖兩三天后，底鼓量達(dá)100～120 mm，一周后，底鼓量高達(dá)534 mm，并且反復(fù)拉底，仍無法徹底解決底鼓問題，影響安全和生產(chǎn)。

2 巷道底鼓分析計(jì)算

由于相鄰區(qū)段間留設(shè)25 m寬煤柱，2206運(yùn)輸平巷不受2205工作面采動影響，且煤層為近水平煤層，故2206運(yùn)輸平巷底板兩側(cè)所受荷載相同，巷道兩幫是對稱分布的見圖1，以沿煤層傾向下幫為例進(jìn)行分析，底板巖體在均布載荷q的作用下，BEF區(qū)的為主動應(yīng)力區(qū)，BFG區(qū)為被動應(yīng)力區(qū)，在BEF區(qū)主動應(yīng)力作用下，BFG區(qū)產(chǎn)生向上的應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過底板巖層極限強(qiáng)度后，底板BG遭到破壞，向上擠壓形成底鼓。

圖1 巷道底板載荷

2.1 底板破壞深度計(jì)算

劉延生等[2]在研究深部圍巖破壞過程的基礎(chǔ)上，建立了基于朗肯土壓力理論的力學(xué)模型，推導(dǎo)了底板破壞深度公式，本文將利用該公式計(jì)算底板破壞深度。

式中：a為巷道寬度，m；b巷道高度，m；φ為內(nèi)摩擦角，°。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測：a=5.0m，b=3.3m，φ=29°，代入式（1）可得，y1=1.55 m。

2.2 底鼓形式確定

吳建星等[3]依據(jù)朗肯土壓力理論，對巷道底板受力進(jìn)行了力學(xué)分析，底鼓變形破壞形式可分為角域鼓起、中部局部鼓起、準(zhǔn)全斷面鼓起及全斷面鼓起4種形式。由于2206運(yùn)輸平巷底板兩側(cè)受力基本一致，故將巷道底鼓分為角域鼓起、中部局部鼓起及全斷面鼓起3種形式，并對計(jì)算公式進(jìn)行了改進(jìn)，具體如下：

判定角域鼓起的公式為[3]：

判定中部局部鼓起的公式為[3]：

判定全斷面鼓起的公式為[3]：

將數(shù)據(jù)y1=1.55m，φ=29°，a=5.0m，代入式（2）～（4）可知，滿足式（3），即5.26＞5m，且2.63＜5m，2206運(yùn)輸平巷底板發(fā)生中部局部鼓起的擠壓流動底鼓。

2.3 底鼓量計(jì)算

鐘祖良，李勝等[4-5]針對綜放工作面巷道底鼓變形嚴(yán)重問題，分析了巷道底鼓變形規(guī)律，建立底板力學(xué)模型見圖2，推導(dǎo)出底鼓計(jì)算公式，由圖2可知巷道底板中部發(fā)生破壞，可利用該公式計(jì)算底鼓量。

圖2 底板力學(xué)模型[4-5]

由圖2幾何關(guān)系可知，底鼓量為[4-5]：

其中：

式中：λ為側(cè)壓系數(shù)；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為底板體積力，kN/m3；H為埋深，m；m為采高，m；E為煤體彈性模量，GPa；x0為極限平衡區(qū)寬度，m；KS為剛度系數(shù)，GPa/m；ξ為采放比。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測：a=5m，λ=1.3，k=1.55，γ=25 kN/m3，H=450m，m=3.3m，E=7.9 GPa，x0=4.7m，KS=0.11 GPa/m，ξ=1.22。將數(shù)據(jù)代入式（5）可得，底鼓量為525 mm，與現(xiàn)場實(shí)測值的534 mm接近。

3 控制對策及數(shù)值模擬

3.1 巷道底板控制途徑

2206運(yùn)輸平巷底鼓治理應(yīng)摒棄 “底鼓制底”的傳統(tǒng)思路，將巷道頂板、底板及兩幫圍巖控制看作一個整體，因此巷道底鼓治理，應(yīng)對巷道頂板及兩幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，對巷道底板圍巖改善力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)巷道頂?shù)装寮皟蓭驼w支護(hù)。

3.2 不同方案數(shù)值模擬

（1）模型及方案

模型以2206運(yùn)輸平巷為研究對象，巷道長5.0m，高3.3 m。模型長寬高分別為40m、40m、40m，在模型上表面施加10.25MPa垂直應(yīng)力，模擬上覆巖層重量，限制模型底部及四周位移和速度，采用摩爾—庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。數(shù)值模型見圖3，巷道沿煤層底板布置，位于模型中部，巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 三維數(shù)值模型

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

對底鼓治理采取3種方案進(jìn)行模擬：原支護(hù)方案、原支護(hù)加強(qiáng)方案+底腳錨桿和原支護(hù)加強(qiáng)方案+底腳錨桿+注漿加固，其中“原支護(hù)加強(qiáng)方案”是指對巷道頂板及兩幫支護(hù)加強(qiáng)。

(2）模擬結(jié)果

對3種支護(hù)方案進(jìn)行模擬，提取巷道圍巖最大變形量見表2，巷道兩幫內(nèi)移量幾乎一致，取沿煤層傾向下幫分析。

表2 不同支護(hù)方案巷道圍巖模擬最大變形量

方案一為原支護(hù)方案，底鼓量為531 mm與理論計(jì)算值525 mm接近，頂板下沉量為132 mm，下幫最大內(nèi)移量為183 mm；方案二為原支護(hù)加強(qiáng)方案+底腳錨桿，底鼓量為203 mm，較原支護(hù)減少了61.77%，頂板下沉量為97 mm，較原支護(hù)減少了26.52%，下幫內(nèi)移量為126 mm，較原支護(hù)減少了31.48%；方案三為原支護(hù)加強(qiáng)方案+底腳錨桿+注漿加固，底鼓量為127 mm，較原支護(hù)減少65.58%，頂板下沉量為71 mm，較原支護(hù)減少46.21%，下幫內(nèi)移量為86 mm，較原支護(hù)減少53.01%。

通過模擬結(jié)果來看，方案三控制巷道圍巖變形效果更明顯，尤其可有效抑制底鼓變形。

4 工程應(yīng)用

通過數(shù)值模擬確定方案三為底板控制方案，具體巷道支護(hù)參數(shù)見圖4。頂板采用Φ22 mm×L2400 mm螺紋鋼錨桿，間排距為0.9 m×0.9m，每排布置6根錨桿；采用Φ20 mm×L7500 mm加強(qiáng)錨索，間排距為1.8 m×1.8m，每排布置3根錨桿；幫部采用Φ18 mm×L2200 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為0.9 m×0.9m；底角錨桿選用Φ43 mm×L2200 mm的焊接無縫鋼管，與巷道中心線對稱分布，間排距為3.0 m×0.9 m；在巷道底板中部灌注水泥漿加固，孔深2m，每排布置2個鉆孔，鉆孔直徑為43 mm，與巷道中心線對稱分布，排距為0.9m，注漿壓力為2～3MPa，單孔注漿時間不少于20 min。

圖4 2206運(yùn)輸平巷支護(hù)斷面

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的支護(hù)效果，對2206運(yùn)輸平巷采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移觀測斷面，采用CBLII型激光測距儀進(jìn)行觀測。巷道設(shè)立了3個表面位移觀測測站，配備專門人員進(jìn)行為期80 d監(jiān)測。其中2#測站位移—時間曲線，見圖5。

圖5 2#測站位移—時間曲線

由圖5可知：巷道在25 d內(nèi)圍巖變形曲線急劇上升，占最終變形量的90%左右；之后25～40 d圍巖變形量逐漸減小并趨于穩(wěn)定；40 d之后圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再發(fā)生新的變形。巷道底鼓量最大值為120 mm，頂板下沉量最大值為75 mm，兩幫內(nèi)移量最大值為94 mm。整體而言，巷道的底鼓控制效果明顯，同時頂板下沉和兩幫收斂也得到很好的控制，采用“原支護(hù)加強(qiáng)方案+底腳錨桿+注漿加固”整體支護(hù)效果良好。

5 結(jié)語

1）通過理論計(jì)算，得出底板破壞深度為1.55m，巷道底板為中部局部鼓起的擠壓流動底鼓，底鼓量為525 mm。

2）提出采用巷道整體控制原則控制底板變形，通過數(shù)值模擬，確定了“原支護(hù)加強(qiáng)方案+底腳錨桿+注漿加固”支護(hù)方案。

3）現(xiàn)場實(shí)測表明，巷道底鼓量最大值為120 mm，頂板下沉量為75 mm，兩幫內(nèi)移量為94 mm，整體而言，巷道底鼓控制效果明顯，整體支護(hù)效果良好。