軟巖回采巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)研究

王 旭

（陜北礦業(yè)涌鑫公司，陜西府谷 719400）

軟巖回采巷道底鼓影響因素多，治理難度大、成本高是阻礙我國多數(shù)礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的現(xiàn)實(shí)問題。近年來隨著眾多學(xué)者針對工作面回采巷道圍巖強(qiáng)度、應(yīng)力環(huán)境、水理性等一系列涉及巷道底板底鼓機(jī)理的因素進(jìn)行了深入探討分析，借助力學(xué)模型[1-3]、數(shù)值計(jì)算[4-7]、相似模擬[8-10]、巖石力學(xué)[11-13]測試等多種研究手段，取得了豐碩的研究成果。在諸多學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，現(xiàn)以安山煤礦133101 工作面回采巷道遇到的實(shí)際問題為背景，采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗(yàn)等多種方法，分析該回采巷道底鼓的主控因素，同時(shí)提出合理有效的治理方案，達(dá)到有效控制底鼓的目的。

1 工程背景

安山煤礦地處陜北侏羅紀(jì)煤田廟哈孤礦區(qū)東南部，133101 綜采工作面位于3-1煤層三盤區(qū)集中回風(fēng)巷以東，3-1煤層露頭線以西，具體布置如圖1。工作面上覆基巖厚度20～55 m，松散層厚度5～104 m，煤層厚度2.2～2.3 m，平均厚度2.25 m，工作面傾向長度274 m，走向長度960 m，可采長度為915 m。

圖1 133101工作面布置圖

回采巷道直接頂為中粒砂巖，平均厚度7.5 m；老頂為泥巖、粉砂巖互層，平均厚度22.4 m。直接底為泥巖，老底為泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度分別為3.1 m 和6.4 m。具體如圖2。

圖2 煤層頂?shù)装逄卣鲌D

2 回采巷道底鼓特征分析

由于各礦井回采巷道圍巖巖性、地質(zhì)環(huán)境等都有所差異，同時(shí)其由于埋深、開采位置等因素使其受到的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力也有所不同。由安山煤礦133101 回采巷道頂?shù)装逄卣鲌D可知，3-1煤層直接底和老頂為泥巖和泥質(zhì)粉砂巖。現(xiàn)場對回采巷道頂板、底板以及煤層進(jìn)行取芯，采用《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》對煤巖樣進(jìn)行物理力學(xué)測定，測定結(jié)果見表1?；夭上锏赖装澹鄮r）圍巖力學(xué)參數(shù)普遍較低，其中單軸抗壓強(qiáng)度僅為5.49 MPa。

表1 3-1煤層圍巖力學(xué)參數(shù)

通過X射線衍射技術(shù)（XRD）對安山煤礦133101綜采工作面泥巖底板進(jìn)行成分分析表明，回采巷道底板（泥巖）主要由石英、蒙脫石、高嶺石以及少量的菱鐵礦和伊利石等組成，其中高嶺石含量為22%，蒙脫石含量為21%，伊利石含量為10%左右，黏土礦物的總含量為53% 左右。底板（泥巖）浸水試驗(yàn)表明，黏土礦物含量過高是導(dǎo)致工作面回采巷道底板（泥巖）在遇水后容易產(chǎn)生膨脹變形的主要因素，其膨脹率在遇水后可達(dá)5%。浸水試驗(yàn)過程如圖3。

圖3 底板浸水試驗(yàn)

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，133101 綜采工作面回采巷道底板（泥巖）較為軟弱，其主要成分存在蒙脫石、高嶺石以及伊利石等礦物質(zhì)含量超過50%，而這些礦物質(zhì)多數(shù)為粘性礦物質(zhì)。

圍巖浸水后，底板（泥巖）含礦物質(zhì)成分中蒙脫石內(nèi)部存在晶胞結(jié)果存在較強(qiáng)活性，當(dāng)?shù)V物質(zhì)內(nèi)的晶胞遇到水分子時(shí)，各晶胞之間的距離被縮短，因而使得化學(xué)鍵變?nèi)踹M(jìn)而產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，巖石發(fā)生軟化崩解，圍巖強(qiáng)度大幅度降低，巷道底板發(fā)生破碎，巷道兩幫下部向內(nèi)加壓出現(xiàn)擠壓而發(fā)生底鼓。巷道遇水膨脹性底鼓如圖4。

圖4 擠壓流動(dòng)性底鼓（軟弱破碎底板）

為了進(jìn)一步研究本回采巷道底鼓特征，現(xiàn)場對比回采巷道浸水段、未浸水段的圍巖環(huán)境可以發(fā)現(xiàn)，回采巷道發(fā)生底鼓段巷道均處于浸水段，回采巷道浸水段底鼓量相較于未浸水段發(fā)生較大，同時(shí)未發(fā)生底鼓均處于未浸水巷道段。上述表明，133101 綜采工作面回采巷道底板在受到長期浸水侵蝕后，底板強(qiáng)度降低，且底板巖石遇水后發(fā)生膨脹性底鼓，進(jìn)而鼓起破碎，形成松散結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造應(yīng)力等因素的疊加影響下，促使巷道發(fā)生擠壓流動(dòng)性底鼓，其分析結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，進(jìn)一步闡釋了底板（泥巖）遇水膨脹是本回采巷道底鼓的發(fā)生的主控因素。

3 巷道底鼓治理方案研究

3.1 方案制定

安山煤礦133101綜采工作面回采巷道底鼓主要因素是泥巖底板遇水膨脹形成的擠壓流動(dòng)性底鼓，為了有效治理回采巷道底鼓現(xiàn)象，采用“切槽卸壓+防治水”的聯(lián)合治理方法。方案如圖5。

圖5 回采巷道底鼓治理方案示意圖

切槽卸壓，由于其投入少且安全性好是治理巷切槽卸壓，由于其投入少且安全性好是治理巷道底鼓一種重要的卸壓方式。巷道切槽后圍巖淺部應(yīng)力向深部巖層轉(zhuǎn)移并能夠形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，由于卸壓槽寬度需完全吸收巷道沒有切槽時(shí)的底鼓變形量，才能有效治理巷道底板底鼓，所以確定卸壓槽尺寸是十分重要的。綜采工作面133101 回采巷道寬5.2 m，高2.6 m，根據(jù)圍巖應(yīng)力控制理論，考慮到安山煤礦底板巖層強(qiáng)度較低，在工程實(shí)踐中卸壓槽的寬度取0.5 m，深度取2 m。

在治理膨脹擠壓流動(dòng)型底鼓中對于底板的防治水是提高回采巷道底板穩(wěn)定性、減小底鼓量重要舉措。133101 工作面回采巷道防治水方案采用生石灰封閉、水槽疏干的防治措施。

3.2 方案效果分析

3.2.1 模型建立

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述回采巷道底鼓治理方案的有效性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對底鼓治理方案進(jìn)行模擬分析。計(jì)算模型采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，模型尺寸長、寬、高分別為30、3、49 m，巷道為矩形斷面，寬5.2 m，高2.6 m。計(jì)算模型如圖6。

圖6 計(jì)算模型

3.2.2 模擬結(jié)果分析

對原有回采巷道的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬。無切槽和切槽后結(jié)果如圖7～圖10。

圖7 無切槽塑性圖

圖8 無切槽垂直位移云圖

圖9 切槽情塑性圖

圖10 切槽垂直位移云圖

模擬結(jié)果表明，工作面回采巷道在開挖后，巷道圍巖發(fā)生了顯著的變形破壞，巷道頂板以剪切破壞為主，破壞深度為0.5～1 m；巷道兩幫破壞范圍較大，幫底最大破壞范圍為3 m；幫部平均破壞深度為2 m；底板發(fā)生擠壓拉伸破壞，破壞深度最大為1.25 m；頂板最大下沉量約56 mm，底板最大位移量約為460 mm，發(fā)生在底板中心位置，底板產(chǎn)生底鼓。

通過對切槽卸壓巷道底鼓治理方案模擬結(jié)果分析可知，切槽有效控制了巷道兩幫以及底板的塑性區(qū)破壞深度，巷道兩幫塑性區(qū)深度由切槽前的2 m 減小至切槽后的1 m，底板塑性區(qū)破壞深度減小至1 m；同時(shí)，巷道頂?shù)装逶诖怪狈较虻奈灰屏恳驳玫搅擞行Э刂疲夭上锏理敯遄畲笙鲁亮考s64 mm，底板最大位移量約為130 mm，發(fā)生在底板中心位置，底板位移量減少了71%，切槽卸壓治理方案有效控制了回采巷道底鼓現(xiàn)象。

4 工程實(shí)踐

為了進(jìn)一步驗(yàn)證巷道底鼓方案的有效性，在安山煤礦133101綜采工作面回風(fēng)巷道進(jìn)行局部的底鼓治理方案工程試驗(yàn)。試驗(yàn)巷道長度100 m，通過十字布點(diǎn)法監(jiān)測試驗(yàn)段和未試驗(yàn)段底鼓變形量，實(shí)驗(yàn)段共設(shè)置6 個(gè)測點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)段與未實(shí)驗(yàn)段各設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測站，各測站間距為30 m。監(jiān)測站布置如圖11。

圖11 監(jiān)測站布置圖

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明（如圖12）：未實(shí)驗(yàn)段巷道底鼓量在0～50 d 內(nèi)變形劇烈，50～80 d 內(nèi)時(shí)巷道底鼓變形量趨于平緩，80 d 之后達(dá)逐步到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，平均底鼓量415 mm。實(shí)驗(yàn)段巷道底鼓量在0～60 d 內(nèi)變化劇烈，60～90 d 內(nèi)回采巷道變形趨于平緩，90 d之后變形趨于穩(wěn)定，回采巷道實(shí)驗(yàn)段平均底鼓量為121 mm，試驗(yàn)段巷道較未實(shí)驗(yàn)巷道段巷道底鼓量降低了70%，治理方案有效地控制了回采巷道的底板位移量。

圖12 底鼓量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

5 結(jié)論

（1）通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)及XRD 分析可知，安山煤礦133101 綜采工作面回采巷道底板單軸抗壓強(qiáng)度5.49 MPa，黏土礦物的總含量超過50%，底板遇水極易膨脹。

（2）通過對回采巷道底鼓特征分析，得出了133101 回采巷道底鼓為膨脹擠壓流動(dòng)性底鼓，確定了“切槽卸壓+防治水”的聯(lián)合治理方案。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，切槽卸壓底鼓治理方案使巷道幫部以及底板塑性區(qū)破壞范圍降低了50%，巷道底板位移量減少了71%，有效控制了回采巷道塑性破壞范圍以及底板底鼓量，進(jìn)一步驗(yàn)證了治理方案的可行性。

（4）現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)段巷道較未實(shí)驗(yàn)巷道段底鼓量降低了70%，證明了采用“切槽卸壓+防治水”治理方案有效控制了回采巷道底鼓現(xiàn)象。