采掘影響下巷道底板的破壞分析與底鼓治理

劉玉衛(wèi), 商鐵林, 張亞峰, 龔 劍, 劉應(yīng)然, 王 浩

(1.鄭州工程技術(shù)學(xué)院， 鄭州 450044； 2.鄭煤集團(tuán) 工程技術(shù)研究院, 鄭州 450042； 3.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院， 陜西 榆林 719000)

0 引 言

目前，大多數(shù)礦井采掘深度都在向下延伸，礦井突出問題日益顯著，從底抽巷疏放瓦斯已經(jīng)成為各礦區(qū)區(qū)域瓦斯治理的重要手段。巷道掘進(jìn)和煤層開采后，都會對底板巖層巷道的圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。關(guān)于底板破壞深度的研究主要以工作面采動(dòng)過程中壓水試驗(yàn)觀測、地球物理探測、數(shù)值模擬及相似材料模擬等方法為主[1]。近年來，萬通等[2]通過多因素的影響對承壓水工作面底板破壞規(guī)律進(jìn)行了研究；許延春等[3]通過預(yù)裂爆破對底板破壞深度及礦壓影響進(jìn)行了分析。郭恒[4]、李彥恒等[5]對采動(dòng)影響下底板破壞進(jìn)行了研究。相對底板破壞深度的研究，底鼓的研究相對較多，孫亮[6]、鄭建彬等[7]通過采動(dòng)影響對回采巷道底鼓作了研究。而秦玄燁等[8]通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證巷道臥底留卸壓槽、底板注漿加固、臥底卸壓槽+澆灌混凝土+注漿管加固相耦合聯(lián)合支護(hù)3種巷道底鼓控制技術(shù)。以往的研究中，學(xué)者們采用不同的方法對采動(dòng)底板變形破壞規(guī)律進(jìn)行了不同角度的研究，并取得了大量的研究成果。但對不同條件下底抽巷底板變形破壞規(guī)律的研究相對較少，而這一問題的研究對鄭州礦區(qū)煤炭資源的開采具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

楊河煤業(yè)位于新密市來集鎮(zhèn)，包含楊河、裴溝和樊寨3個(gè)井田，屬突出礦井，主采山西組二1號煤。31151和31171兩個(gè)工作面煤層埋藏較深，且靠近浮山寨斷層，滑動(dòng)構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)條件特殊，同時(shí)，受底板灰?guī)r水影響，水文地質(zhì)條件復(fù)雜[9]。31151回風(fēng)巷底抽巷位于礦井31采區(qū)中下部，為31151和31171兩個(gè)工作面瓦斯治理服務(wù)，位置如圖1所示。

圖1 31151和31171工作面位置Fig. 1 Location of 131151 and 31171 working face

31151回風(fēng)巷底抽巷基本位于L7-8灰?guī)r中，受構(gòu)造及巷道坡度變化影響局部位于二1煤底板泥巖或L7下部砂泥巖中。L8灰?guī)r厚度0～5.8 m，平均厚3.8 m，致密堅(jiān)硬，f=8，受煤下滑動(dòng)構(gòu)造影響局部滑失或變薄；L7-8夾層泥巖厚0～2.46 m，平均厚度1.5 m，f=4～5，距煤層底板21.0 m左右；L7灰?guī)r厚度5.7～14.5 m，平均厚9.1 m，f=8，該巖層在掘進(jìn)范圍內(nèi)賦存較穩(wěn)定，L5-6灰?guī)r頂距L7灰?guī)r底平均厚度8.0 m左右。同時(shí)，31151回風(fēng)巷底抽巷位于31151工作面下方，距煤層底板20 m左右，工作面回采也會對底抽巷的圍巖穩(wěn)定性構(gòu)成較大影響，結(jié)合底抽巷實(shí)際揭露的圍巖情況，巷道幫部及底板大多為泥巖，在集中應(yīng)力作用下容易變形破壞。對原有成型巷道進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)巷道兩幫移近量達(dá)到600 mm；巷道頂?shù)滓平窟_(dá)到1 500 mm左右，對巷道正常使用產(chǎn)生了較大影響。

31151回風(fēng)巷底抽巷原支護(hù)形式如圖2所示，31151回風(fēng)巷底抽巷設(shè)計(jì)長度994 m，巷道采用4.6 m×3.6 m拱形錨網(wǎng)噴支護(hù)，掘進(jìn)斷面16.0 m2，凈斷面14.5 m2。錨桿規(guī)格：?20 mm×2 000 mm，拱基線以上錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，拱基線以下間排距1 200 mm×1 200 mm。錨索選用?18.9 mm×5 200 mm錨索，每根錨索安裝三支樹脂錨固劑，1支K2350樹脂錨固劑和2支Z2350樹脂錨固劑，錨索預(yù)緊力不低于120 kN，間排距1 600 mm×1 600 mm。水溝規(guī)格：400 mm×400 mm。

圖2 31151回風(fēng)巷底抽巷原支護(hù)Fig. 2 Original support of 31151 return air roadway

2 掘進(jìn)對巷道底板破壞的影響

2.1 掘進(jìn)巷道底板鉆孔探測

掘進(jìn)對巷道底板的影響主要通過鉆孔監(jiān)測成像顯示。根據(jù)31151和31171工作面附近鉆孔柱狀圖及揭露的相關(guān)地質(zhì)資料[10-11]，考慮在位于太原組L7灰?guī)r中的第2回次鉆場內(nèi)向東北部施工一個(gè)鉆孔來監(jiān)測采掘活動(dòng)對底板的影響。該處的煤巖層走向近東西，傾角約為1.2°，呈近水平，傾向南。在該站內(nèi)從底部以16°向下俯角，方位67°施工鉆孔，鉆孔進(jìn)入L7灰?guī)r底部砂巖與泥巖中。鉆孔深20 m，鉆孔角度-16°，距鉆孔方向水平和垂直距離分別為19.2 m和5.5 m。

成像監(jiān)測鉆孔下4 m套管，為了對比掘進(jìn)對巷道底部的擾動(dòng)影響，每次鉆孔從套管下每隔20 cm截圖進(jìn)行對比分析如圖3所示。

沿著鉆孔方向，在不同時(shí)間同一位置的成像截圖對比可以看出，沿鉆孔4 m套管下孔壁0 m處，也就是垂深1.10 m處，鉆孔孔壁L7灰?guī)r明顯破碎，方解石充填裂隙，垂深3.86 m處有裂隙閉合痕跡，而在垂深4.01 m處，孔壁光滑完整，由此可以判斷，31151回風(fēng)巷底抽在巷掘進(jìn)期間底板破壞深度在4.0 m左右。

2.2 掘進(jìn)巷道底板松動(dòng)圈測試

在31151回風(fēng)巷底抽巷布置地質(zhì)雷達(dá)測試巷道圍巖松動(dòng)圈范圍[12]。從地質(zhì)雷達(dá)信號圖4看出，31151底抽巷圍巖兩幫及底板中部2.0～4.0 m深度有斷續(xù)反射，表明此處圍巖較破碎，拱頂?shù)钠扑樯疃容^小，深度約為4.0 m，左肩窩的破碎深度較右肩窩稍小。底板兩端圍巖較完整，中部較破碎，破碎深度達(dá)3.0 m。松動(dòng)圈素描見圖5。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)信號Fig. 4 Geological radar signal

圖5 松動(dòng)圈素描Fig. 5 Sketch of loose ring

2.3 掘進(jìn)巷道底板數(shù)值模擬

2.3.1 模型的建立

沿巷道掘進(jìn)方向建立巖層地質(zhì)模型。以巷道斷面拱形中心的O1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以煤層走向?yàn)閤方向，傾斜水平投影為y方向，垂直向上為z方向建立三維坐標(biāo)系統(tǒng)。模型尺寸為20.4 m×16.0 m×19.7 m，范圍包括測試孔在內(nèi)的掘進(jìn)巷道斷面開挖尺寸寬度4.6 m，高度3.6 m，拱形半徑2.2 m，如圖6所示。

圖6 掘進(jìn)方向巷道模型Fig. 6 Excavation direction roadway model

數(shù)值模型底邊水平和垂直方向采用固定邊界。模型頂部施加荷載0.023 MPa/m×400 m=9.2 MPa的應(yīng)力來代替上覆巖層自重應(yīng)力。利用FLAC3D構(gòu)建如圖7所示的數(shù)值模型[13]，共劃分出51 232個(gè)單元，55 123個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖7 數(shù)值模型Fig. 7 Numerical model

2.3.2 巖石的物理力學(xué)參數(shù)

采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，掘進(jìn)巷道頂?shù)装鍘r石參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

(1)垂直應(yīng)力變化

圖8為31151回風(fēng)巷底抽巷依次掘進(jìn)4、6、8、10、12、14 m時(shí)巷道圍巖斷面垂直應(yīng)力分布。

圖8a為掘進(jìn)4 m后圍巖垂直應(yīng)力分布，由于巷道基本沿巖層走向掘進(jìn)，可以看出，在兩側(cè)的巖層中對稱出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，即應(yīng)力集中，而在巷道頂部和底部明顯出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)。從圖8b～f可以看出，底抽巷從掘進(jìn)6 m開始一直掘進(jìn)到14m的過程中，巷道頂?shù)撞烤_始出現(xiàn)拉應(yīng)力，從0.74 MPa一直增加到0.96 MPa。隨著掘進(jìn)距離的增加，巷道頂?shù)装迨芾瓏鷰r逐漸進(jìn)入塑性區(qū)。

圖8 不同進(jìn)尺下圍巖垂直應(yīng)力分布Fig. 8 Vertical stress distribution of surrounding rock under different distances

不同進(jìn)尺下巷道圍巖應(yīng)力變化曲線如圖9所示，從圖9中可以看出，隨著巷道掘進(jìn)距離l的增加，在固定的3 m位置圍巖斷面垂直應(yīng)力分布特征也發(fā)生了變化。當(dāng)巷道掘進(jìn)至4 m時(shí)，巷道圍巖最大垂直應(yīng)力達(dá)13.0 MPa，當(dāng)巷道掘進(jìn)至6、8、10、12和14 m時(shí)，巷道圍巖最大垂直應(yīng)力分別達(dá)到13.7、14.3、14.7、15.0、15.1 MPa。隨著掘進(jìn)距離的增加，該斷面最大垂直應(yīng)力σv也呈逐漸增大的變化趨勢，從圖9中還可以看出，在巷道掘進(jìn)達(dá)到10 m位置后，巷道圍巖最大垂直應(yīng)力的增加幅度明顯減小，趨向變緩，在巷道頂?shù)撞繃鷰r的拉應(yīng)力也出現(xiàn)類似的變化特征，即隨著巷道掘進(jìn)距離的逐漸增加，從巷道圍巖最大垂直應(yīng)力反映來看，它對圍巖斷面的影響則越來越小。

圖9 不同進(jìn)尺圍巖垂直應(yīng)力變化曲線Fig. 9 Vertical stress variation curve of surrounding rock under different distances

(2)垂直位移變化

圖10所示為31151回風(fēng)巷底抽巷依次掘進(jìn)4、6、8、10、12和14 m條件下巷道圍巖斷面垂直位移的分布云圖。從圖10可以看出，在巷道掘進(jìn)4 m時(shí)，頂板下移125.0 mm，底板底鼓28.5 mm。當(dāng)巷道依次掘進(jìn)至6、8、10、12和14 m時(shí)，對比圖10b～f位移云圖的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，在巷道頂部和底部明顯出現(xiàn)垂直位移變化相反的云圖，巷道上部出現(xiàn)位置下移，巷道下部出現(xiàn)了底鼓現(xiàn)象。

圖10 不同進(jìn)尺下圍巖的垂直位移分布Fig. 10 Vertical displacement distribution of surr- ounding rock under different distances

圖11所示為31151回風(fēng)巷底抽巷依次掘進(jìn)4、6、8、10、12和14 m條件下的巷道圍巖垂直位移變化曲線。由圖11可以看出，隨著巷道掘進(jìn)距離的增加，巷道圍巖斷面垂直應(yīng)力分布特征也隨之發(fā)生了變化。當(dāng)巷道依次掘進(jìn)4、6、8、10、12和14 m時(shí)，巷道斷面頂部的最大垂直位移sr分別達(dá)到8.0、12.4、14.5、16.0、17.5和17.7 cm，底部最大垂直位移sb分別達(dá)6.30、7.60、8.10、8.20、8.10和8.15 cm。頂?shù)装遄畲蟠怪蔽灰苹境手饾u增加的變化趨勢，但在掘進(jìn)至8 m位置后，底板位移增加幅度不明顯，呈穩(wěn)定趨勢，而巷道頂部圍巖最大垂直位移一直呈緩慢上升的變化趨勢，這也就說明當(dāng)掘進(jìn)距離不斷增加時(shí)，巷道底部圍巖底鼓量基本保持不變，巷道頂?shù)装宕怪蔽灰频脑龃笾饕獊碜杂陧敯宓南乱啤?

圖11 不同進(jìn)尺圍巖垂直位移變化曲線Fig. 11 Vertical displacement variation curve of surr- ounding rock under different distances

(3)塑性區(qū)分布特征

圖12所示為31151回風(fēng)巷底抽巷依次掘進(jìn)4、6、8、10、12和14 m條件下圍巖斷面的塑性區(qū)分布圖，由圖12可以看出，隨著巷道掘進(jìn)距離的增加，巷道圍巖塑性區(qū)分布特征也發(fā)生了顯著的變化。受模型尺寸影響，整個(gè)掘進(jìn)過程中該巷道斷面頂部塑性區(qū)已波及到所建立模型頂部，但研究主要關(guān)注掘進(jìn)巷道底部塑性區(qū)變化。當(dāng)巷道掘進(jìn)至4 m時(shí)，巷道底板中部塑性區(qū)范圍相對較大，隨著掘進(jìn)距離的增加，底板中部塑性區(qū)范圍相對減小，而巷道底板兩側(cè)最大塑性區(qū)范圍基本呈線性增加趨勢迅速增大，但當(dāng)掘進(jìn)距離超過10 m后又保持不變的變化特征，如圖12d～f所示，巷道底板的最大破壞深度約為4.0 m。這與現(xiàn)場鉆孔成像及松動(dòng)圈測試結(jié)果基本保持一致。

圖12 不同進(jìn)尺圍巖斷面塑性區(qū)分布Fig. 12 Plastic zone distribution of surrounding rock under different distances

3 采動(dòng)對底板破壞的影響

受上部31151工作面開采引起的圍巖應(yīng)力重新分布過程影響，工作面周圍煤柱內(nèi)積聚的幾倍原巖應(yīng)力的疊加支承壓力向底板巖層進(jìn)行傳遞，對底板巷道圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。

圖13a為31151工作面開采后回風(fēng)巷底抽巷的圍巖垂直應(yīng)力分布。由圖13a可見，底板巷道完全處于工作面開采后形成的低應(yīng)力區(qū)內(nèi)，巷道圍巖垂直應(yīng)力在1.0～2.0 MPa之間，所處應(yīng)力環(huán)境較為有利。結(jié)合圖13b所示的巷道圍巖位移場，巷道圍巖最大位移量約80 mm，底板最大破壞深度在3.3～4.5 m之間，巷道圍巖變形以兩幫內(nèi)移和底鼓為主。

圖13 采動(dòng)影響下底抽巷的垂直應(yīng)力分布和位移場Fig. 13 Mining influence of vertical stress distribution and displacement field of roadway

4 底抽巷底鼓治理

4.1 優(yōu)化后支護(hù)方案

從國內(nèi)外治理底鼓的技術(shù)方法來看，卸壓法(切縫法、鉆孔卸壓法和爆破卸壓法)操作難度大，且需專用機(jī)具[14-15]。加固法是目前普遍應(yīng)用的方法，尤其以底板錨網(wǎng)支護(hù)和U型鋼全封閉支架應(yīng)用最為廣泛[16-17]。由于31151底抽巷主要位于L7-8灰?guī)r層中，巷道圍巖以灰?guī)r和泥巖為主，局部受斷層構(gòu)造影響，巷道會處于二1號煤層底板的砂質(zhì)泥巖中，巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，見圖14。當(dāng)巷道處于斷層破碎帶，錨網(wǎng)支護(hù)困難時(shí)，考慮采用全封閉U型鋼支架[18]。當(dāng)巷道底板為泥巖時(shí)，采用底板錨桿網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。

圖14 優(yōu)化后支護(hù)方案Fig. 14 Optimization support scheme

(1)巷道掘進(jìn)期間嚴(yán)格控制巷道成型，掘出后采取錨網(wǎng)支護(hù)，采用?20 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼型錨桿，間排距為950 mm×1 000 mm。巷頂錨桿使用K2350和Z2350樹脂錨固劑各1支，幫部錨桿使用Z2370樹脂錨固劑1支，并且配套使用減摩墊圈，錨桿安裝扭矩不低于300 N·m。

(2)全斷面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)護(hù)表，要求網(wǎng)片搭接長度不小于100 mm，鋼筋網(wǎng)使用14號以上雙股鐵絲扭接連網(wǎng)，連網(wǎng)間距不得大于250 mm。

(3)所有錨桿經(jīng)驗(yàn)收合格后，及時(shí)噴漿封閉，噴層厚度以蓋住金屬網(wǎng)為宜。

(4)為保障巷道頂板安全，在巷道頂板兩排錨桿間布置錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，頂板錨索采用“1-2-1”形式布置，斷面排距2 000 mm。錨索規(guī)格為17.8 mm×5 250 mm，間距1 600 mm。錨索托板尺寸不小于300 mm×280 mm。每根錨索使用K2350樹脂錨固劑1支和Z2350樹脂錨固劑2支，錨索安裝預(yù)緊力不低于100 kN。

(5)當(dāng)巷道幫部泥巖厚度較大且有淋水時(shí)，可將兩幫錨桿置換為錨索，規(guī)格為17.8 mm×3 250 mm，托板尺寸不小于300 mm×280 mm。安裝錨索要求同頂板，施工完畢后及時(shí)噴漿封閉。

(6)由前述分析，底板的控制主要在底幫腳，兩幫腳采用錨索予以控制，規(guī)格為17.8 mm×4 500 mm，配合兩根?20 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼型錨桿對稱布置。

4.2 支護(hù)效果檢驗(yàn)

按照支護(hù)布置方案，對巷道圍巖布置的各個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測如圖15所示。

圖15 巷道變形測量結(jié)果Fig. 15 Measurement results of Roadway deformation

通過巷道圍巖變形監(jiān)測可知，采用該方案后，兩幫最大移近量40 mm，頂?shù)装遄畲笠平?5 mm(圖15)，相對于原有巷道存在的情況，采取新支護(hù)措施后，巷道穩(wěn)定性得到了較好的控制。

5 結(jié) 論

(1)31151回風(fēng)巷底抽巷在掘進(jìn)影響下，通過實(shí)測和數(shù)值計(jì)算得到底板破壞深度達(dá)4.0 m左右，底部出現(xiàn)底鼓，最大塑性區(qū)呈線性增加，底板幫腳是底板穩(wěn)定控制的重點(diǎn)。

(2)31151回風(fēng)巷底抽巷處于工作面開采后形成的低應(yīng)力區(qū)內(nèi)，巷道圍巖垂直應(yīng)力在1.0～2.0 MPa之間，底抽巷在31151工作面開采后底板最大破壞深度達(dá)到3.3～4.5 m之間，表明采動(dòng)對底板巷道的影響較大。

(3)結(jié)合31151回風(fēng)巷底抽巷地質(zhì)條件，底臌控制方法主要以底板錨索、錨桿支護(hù)為主，巷道底板下幫角和偏幫腳位置是控制的重點(diǎn)，通過底板控制后的變形觀測，能夠較好地控制底板的穩(wěn)定性。