大斷面煤巷底鼓機(jī)理分析與控制措施研究

郭建平

摘要：在煤礦生產(chǎn)中，深部巷道的底鼓是經(jīng)常遇到的問(wèn)題。由于煤礦深部巷道的巖石性質(zhì)不同，因此對(duì)巷道底鼓的機(jī)理進(jìn)行分析十分必要。本文圍繞這一議題進(jìn)行了探討，以涌鑫礦業(yè)安山煤礦為例，對(duì)大斷面煤巷底鼓機(jī)理作了分析并提出了處理及防控措施，供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：巷道底鼓;大斷面;控制措施

一、引言

涌鑫礦業(yè)安山煤礦巷道寬度均采用5m，根據(jù)煤層實(shí)際揭露情況，三盤(pán)區(qū)31煤膠運(yùn)巷、輔運(yùn)巷、回風(fēng)巷，巷道均采用5m的寬度，現(xiàn)場(chǎng)底板底鼓嚴(yán)重，導(dǎo)致膠運(yùn)、輔運(yùn)巷巷道硬化底板破損、影響行人、運(yùn)輸，回風(fēng)順槽底鼓，導(dǎo)致回風(fēng)順槽斷面縮小，增加通風(fēng)系統(tǒng)阻力、作為安全出口影響行人，增加了巷道維修費(fèi)用。

二、煤巷底鼓機(jī)理及穩(wěn)定性分析

巷道開(kāi)掘后煤巷圍巖應(yīng)力平衡被打破，出現(xiàn)重新分布的過(guò)程。這一過(guò)程中煤巷底板巖層承受上層傳遞下來(lái)的軸向壓力，在梁的各個(gè)截面上產(chǎn)生彎矩，使底板巖層完曲變形，一旦底板巖層承受的軸向壓力超出承載的極限強(qiáng)度就會(huì)使底板巖層失去穩(wěn)定形成底鼓。底板巖層彎曲變形的方程式如下：

公式中代表，代表巷道寬度;I代表組合梁抗彎曲截面模量;E代表抗剪層剪切模量;N代表底板巖層受到的軸向作用力;q代表重力;代表彎曲變形量。

三、煤巷底鼓控制技術(shù)模擬分析

根據(jù)煤巷道的地質(zhì)資料，采用離散元軟件建立煤巷模型。模型的構(gòu)建其基本原理是圍巖視為微小塊的集合體，通過(guò)定義微小塊之間的力學(xué)接觸行為來(lái)模擬煤巷底鼓彎曲變形的過(guò)程。模擬的過(guò)程中采用與巷道最近測(cè)點(diǎn)的圍巖應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)。其中最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力利用水壓致裂法測(cè)得。根據(jù)圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的數(shù)值判斷出煤巷圍巖整體屬于中等地應(yīng)力礦井。據(jù)此，將模型劃分為6層，每一層分別劃分成不同尺寸大小的微小塊體，包括矩形和三角形塊體。建立起分析模型后，對(duì)煤巷圍巖的應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析。將圍巖應(yīng)力的釋放劃分為5個(gè)階段以更好地貼合實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力演變過(guò)程。5個(gè)階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)力釋放系數(shù)分別設(shè)置為0～0.2;0.2～0.4;0.4～0.6;0.6～0.8;0.8～1.0。從模擬軟件的模擬分析結(jié)果看，隨著圍巖應(yīng)力釋放系數(shù)的增大，巷道圍巖受到應(yīng)力干擾的區(qū)域逐漸增大，從表面擴(kuò)展到深層。當(dāng)圍巖應(yīng)力釋放系數(shù)為0.4時(shí)，兩幫表面出現(xiàn)明顯破壞區(qū)。之后隨著應(yīng)力釋放系數(shù)的增加，兩幫破壞區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，巷道底板破壞程度加劇。為了控制煤巷底鼓，模擬采用錨桿錨索支護(hù)技術(shù)。采用同樣的模擬分析方法對(duì)錨桿錨索支護(hù)后的圍巖應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在模擬了錨桿錨索支護(hù)巷道底板后，底板的圍巖應(yīng)力演變情況發(fā)生了變化。與未經(jīng)過(guò)錨桿錨索支護(hù)的圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域相比，在經(jīng)過(guò)錨桿錨索支護(hù)后的底板圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域減小。在進(jìn)行錨桿錨索支護(hù)技術(shù)的前提下，再對(duì)底板進(jìn)行注漿，增加底板厚度，底板圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域明顯減小。由此說(shuō)明，在采用底板注漿加厚和錨桿錨索支護(hù)的情況下，煤巷底板破壞范圍將縮減。

四、大斷面煤巷底鼓控制技術(shù)措施

根據(jù)煤巷底鼓模擬分析結(jié)果，實(shí)施了以下控制技術(shù)：巷道斷面采用錨網(wǎng)（索）支架，頂部打Φ17.8 mm ×6000 mm鋼筋錨索，間排距 2000 mm × 3000 mm，頂部?jī)啥舜?Φ20mm × 2200 mm錨索加固，錨索打設(shè)位置為距兩幫 300 mm 處各布置一根。兩幫各打Φ20 mm ×1800 mm鋼筋錨索，間排距 1000 mm × 1000 mm。底角錨桿與幫成75°夾角向底板下扎，其余錨桿垂直巷道輪廓線(xiàn)布置。另外在煤巷底板進(jìn)行注漿加厚，厚度200mm。

巷道斷面圖如下：

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)煤巷支護(hù)效果，對(duì)煤巷斷面相對(duì)位移進(jìn)行觀測(cè)。設(shè)置三個(gè)測(cè)量斷面，分別采用十字交叉法設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在巷道底板位置設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用經(jīng)緯儀測(cè)量巷道底板隆起的位移值，然后分析得到巷道表面位移累計(jì)情況。

由巷道表面位移累計(jì)量可知，在監(jiān)測(cè)的75天內(nèi)，巷道底板、頂板、兩幫的相對(duì)位移量整體呈現(xiàn)出先急劇上升，后平緩上升，最后趨于平衡的情況。相對(duì)位移的最大值在設(shè)計(jì)要求的合理范圍內(nèi)，說(shuō)明采用上述控制技術(shù)是可行的，具有良好效果。

另外，施工集中回風(fēng)巷、集中輔運(yùn)巷時(shí)擴(kuò)大巷道寬度，從原來(lái)的5m寬度擴(kuò)大為5.4m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)實(shí)際情況，擴(kuò)大巷道斷面后（增加寬度），也緩解了巷道底鼓的問(wèn)題，保證了后期輔助運(yùn)輸、及通風(fēng)安全。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在煤礦生產(chǎn)中，深部巷道底鼓是經(jīng)常遇到的問(wèn)題。由于煤礦深部巷道巖石性質(zhì)不同，因此本文對(duì)巷道底鼓的機(jī)理進(jìn)行了分析。通過(guò)建立模型模擬煤巷圍巖應(yīng)力變化情況，探索了巷道底鼓控制措施。通過(guò)錨桿錨索支護(hù)技術(shù)和底板注漿加厚技術(shù)，擴(kuò)大巷道寬度等技術(shù)措施，獲得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，為煤礦后期生產(chǎn)安全創(chuàng)建了有力條件。

參考文獻(xiàn)：

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