元甲煤礦軟巖巷道底鼓機理及控制技術(shù)研究

關(guān)常軍

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團元甲煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

1 工程概況

山西鄉(xiāng)寧焦煤集團元甲煤業(yè)有限公司位于山西省鄉(xiāng)寧縣縣城33°方向直距約19 km 鄂河上游地帶，目前主采2 號煤層，埋深213 m，煤層平均厚度3.17 m，平均傾角為9°,煤層含夾矸1～2 層，夾矸厚度0.30～0.65 m，巖性為炭質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)較簡單。

20101 運輸順槽沿煤層頂板掘進，巷道凈寬4.9 m，凈高2.6 m，其頂板巖層以粉砂巖、中粒砂巖為主，底板巖層以泥巖、砂礫巖為主。底板圍巖的膠結(jié)程度較低，多為泥質(zhì)膠結(jié)，抗壓強度較低，屬于典型的軟巖巷道，且頂板中有含水層，在裂隙水的影響下，頂板砂巖遇水容易崩解，而底板泥巖遇水易軟化膨脹，導致巷道穩(wěn)定性較差。順槽在掘進過程中底鼓嚴重，需要進行多次的落底修復(fù)，嚴重制約了工作面的正常生產(chǎn)。因此，需對巷道底鼓的機理展開研究，并采取針對性的措施進行控制。

2 巷道底鼓機理

2.1 圍巖礦物成分分析

為研究20101 運輸順槽底板圍巖的變形機理，需對其所含的礦物成分進行分析，進而為底鼓防治措施提供依據(jù)。通過現(xiàn)場打鉆收集底板巖樣，帶回實驗室進行巖石礦物成分分析、分析結(jié)果見表1、表2。

表1 底板圍巖礦物成分分析

表2 底板圍巖黏土成分相對含量分析

由分析結(jié)果可知，元甲煤礦2 號煤層底板圍巖中，石英的含量最高，約占一半以上，其次為黏土礦物，含量約占三分之一。黏土礦物里含有高嶺石（K）、伊利石與蒙脫石混和層（I/S）、伊利石（I）、綠泥石（C）、綠泥屎與蒙脫石混和層（C/S）。其中，高嶺石礦物的含量最高，相對含量占比在60 %以上，這就導致巷道底板遇水后會明顯軟化，另外，圍巖中伊利石與蒙脫石混層含量也較高，會使得巷道底板遇水后發(fā)成膨脹變形。根據(jù)上述分析，元甲煤礦20101 回采巷道底板的穩(wěn)定性對水較為敏感，在掘進巷道以及后期維護時，應(yīng)做好堵水、疏水、排水的工作。

2.2 圍巖強度實測

巷道圍巖強度是能影響巷道穩(wěn)定性的直接因素，其強度評定指標為巖石的單軸抗壓強度，通過現(xiàn)場取樣帶回實驗室進行測試，得到了20101 回采巷道頂?shù)装鍘r石的強度，結(jié)果如下：

2 號煤層頂板的單軸抗壓強度為1～4 MPa，平均強度2.34 MPa；2 號煤單軸抗壓強度在5～12 MPa之間，平均強度10.03 MPa；2 號煤層底板的單軸抗壓強度為2～4 MPa，平均強度3.11 MPa。

由此可見，元甲煤礦2 號煤層頂?shù)装寮懊后w強度較低，根據(jù)國家?guī)r石力學強度分級標準，2 號煤層屬于典型的三軟煤層。在巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，底板為自由面，由于圍巖強度較低，應(yīng)力在底板集中從而造成嚴重的底鼓。

2.3 巷道底鼓機理分析

巷道底板受力狀態(tài)如圖1 所示，其所受壓力來自于頂板上覆巖層的載荷，巷道兩幫內(nèi)壁在垂直載荷q的作用下，將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到底板，在底板圍巖中生成主動應(yīng)力P2及被動應(yīng)力P1，其中主動應(yīng)力區(qū)位于巷幫內(nèi)壁，被動應(yīng)力區(qū)位于巷道底板內(nèi)。若被動應(yīng)力P1小于主動應(yīng)力P2，則主動應(yīng)力的殘余應(yīng)力（P2－P1）將分解為剪切應(yīng)力T和垂直應(yīng)力N，滑移體CJM在剪應(yīng)力T的作用下壓著滑移面MJ 向底板中間滑動，而垂直應(yīng)力N會在滑移面產(chǎn)生摩擦力，以阻止滑移體的滑動。由于2 號煤層底板多為軟巖，且黏土礦物成分較多，底板遇水后，圍巖粘聚力及內(nèi)摩擦角受影響，無法產(chǎn)生足夠的摩擦力，進而導致滑移體逐漸向內(nèi)滑動，產(chǎn)生底鼓。

圖1 巷道底板受力狀態(tài)分析

對底板右側(cè)單獨進行受力分析，底板的極限破壞深度y1可由郎肯壓力理論得出：

式中：L為巷高，m，取2.6 m；h為頂板冒落壓力拱高度，m，取1.2 m；φ為巖石內(nèi)摩擦角，取22°。

將圍巖參數(shù)代入上式得20101 運輸順槽的底板極限破壞深度（即底鼓深度）約為2.0 m。

3 卸壓槽防治底鼓數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬分析不同卸壓槽深度對底鼓的防治效果。模型尺寸長×高×寬為：30 m×20 m×30 m，模擬的巷道高度2.6 m，寬度4.9 m，模擬中各巖層的參數(shù)按照巖石力學實驗結(jié)果進行賦參。模型底部固支，四周采用位移邊界條件約束，上表面為自由面，在模型上表面施加3.10 MPa的載荷模擬覆巖載荷，采用庫倫摩爾本構(gòu)模型進行計算，用cable 單元來生成錨桿、錨索。

根據(jù)以往經(jīng)驗得知，卸壓槽設(shè)在底板中部有利于壓力的釋放，故在模擬中將卸壓槽布置在底板中部，卸壓槽寬度0.5 m，在第2 節(jié)中得出2 號煤層底板的極限破壞深度為2.0 m，因此模擬中分別建立1.0、2.0 及3.0 m 的3 組模型，對比分析不同卸壓槽深度下巷道圍巖應(yīng)力分布及位移情況，進而確定出合理的卸壓槽參數(shù)。

3.2 模擬結(jié)果分析

圖2 為不同切槽深度及未切槽條件下，巷道圍巖的垂直應(yīng)力分布云圖。

由圖2 可知，巷道底板未打卸壓槽時，在兩幫應(yīng)力集中較為明顯，且范圍較大，巷道底板中存在有大范圍方向向上的垂直應(yīng)力，最大應(yīng)力達到了2.0 MPa，表明此時巷道底板承受較大的擠壓力，穩(wěn)定性差。對底板打卸壓槽后，兩幫的應(yīng)力集中程度和范圍都明顯縮小，底板中方向垂直向上的應(yīng)力區(qū)域也逐漸減小，1、2、3 m 切槽深度下底板最大垂直向上應(yīng)力分別為1.4、1.1、0.8 MPa，表明卸壓槽的存在可以較好的釋放積壓在底板中的應(yīng)力，且隨著切槽深度的增加，底板應(yīng)力釋放程度增大。

圖2 巷道垂直應(yīng)力分布云圖

圖3 為不同切槽深度及未切槽條件下，巷道圍巖的位移分布云圖。

由圖3 可知，未進行切槽時，底板整體向上位移較大，中部最為明顯，最大位移量達到了400 mm，底鼓嚴重。進行底板切槽后，底板位移情況好轉(zhuǎn)，1、2、3 m 切槽深度下底板的最大向上位移量分別為200、130、110 mm，可見，隨著切槽深度的增加，底板位移量逐漸減小，但切槽深度超過2.0 m 后，底板位移量減小的幅度不顯著。另外，底板切槽后，對頂板的穩(wěn)定也產(chǎn)生了影響，與未切槽時頂板的下沉情況相比，1、2、3 m 切槽深度下頂板的位移量分別增加了7.4、13.4、27.5 mm，可見，頂板的下沉量會隨著切槽深度的增加而增大。綜上所述，切槽深度越深，底鼓控制效果越好，但同時頂板的下沉量也會增加，考慮到巷道整體圍巖穩(wěn)定性，決定將底板卸壓槽深度定位2.0 m。

圖3 巷道位移分布云圖

4 應(yīng)用效果分析

根據(jù)研究成果，在20101 運輸順槽選取易底鼓的地段200 m，在該范圍內(nèi)進行切槽試驗，卸壓槽寬度0.5 m，深度2.0 m。底板卸壓槽采用分段依次爆破的方式進行開挖，并保證深度不低于2.0 m，在切槽完成后，用混凝土對底板進行硬化處理，防止淋水進入切槽，使其泥化堵塞。

在試驗段內(nèi)布置3 個底板位移監(jiān)測站，另選取未切槽的區(qū)域布置3 個底板位移監(jiān)測站，采用是十字布點法進行監(jiān)測，對比分析未切槽和切槽下底板底鼓量的變化情況，監(jiān)測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 巷道底鼓變化量監(jiān)測曲線

由監(jiān)測結(jié)果可知，巷道底板未切槽的情況下，底板初期產(chǎn)生劇烈底鼓，在100 d 后不再發(fā)生變化并趨于穩(wěn)定，其底鼓量平均為411 mm。而切槽段整體底板變形較小，平均底鼓量為135 mm，較未切槽時下降了67.2 %，且趨于穩(wěn)定的時間較短，為70 d，較未切槽時縮短了30 d，說明該卸壓槽方案可以有效控制巷道底板的變形，保證了巷道穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

1）通過對20101 運輸順槽頂?shù)装宓牡V物成分分析和圍巖強度測試，發(fā)現(xiàn)造成巷道底鼓的主要原因是底板圍巖中黏土礦物成分居多，遇水易膨脹變形，加之圍巖強度較低，更容易產(chǎn)生劇烈底鼓。

2）通過計算得出底板的極限破壞深度為2.0 m，并利用數(shù)值模擬分析了不同切槽深度下的巷道圍巖應(yīng)力及位移分布情況，確定出合理的切槽深度應(yīng)為2.0 m?，F(xiàn)場應(yīng)用效果表明，該方案可以有效控制巷道底鼓。