堅硬頂板回采巷道底鼓控制相似模擬研究

李忠

（晉能控股煤業(yè)集團 潞安煤炭事業(yè)部，山西 長治 047500）

0 引言

為保證安全高效生產(chǎn)，礦井巷道要盡量保證其設(shè)計斷面尺寸。然而在超前支承壓力的影響下，底鼓現(xiàn)象十分普遍[1-3]。同發(fā)東周窯煤礦5103 煤巷在原支護條件下，回采期間巷道累計底鼓量為600 mm，巷道底鼓已影響正常膠輪車運行。因而需在認識底鼓機理的基礎(chǔ)上進行底鼓控制，進而采取措施使巷道斷面滿足要求，對于礦井高效生產(chǎn)有著重要意義。

1 概況

1.1 礦井概況

同發(fā)東周窯煤礦位于山西省左云縣東，行政隸屬大同市左云縣所轄。井田面積101.4129 km2，礦井設(shè)計規(guī)模為10.00 Mt/a。山4 號層8103 工作面走向長度1517 m，傾向長233 m。依據(jù)公司命名方式，8103 工作面運輸順槽命名為5103 巷、回風順槽命名為2103 巷。8103 工作面位于一盤區(qū)的東部，西部為已回采完畢的8102 采空區(qū)，5103 巷與8102 工作面2102 巷間隔6 m 保護煤柱，東部以及南部為實體煤。

1.2 工作面地質(zhì)概況

經(jīng)煤巖力學(xué)測試，8103 工作面老頂粗砂巖的單軸抗壓強度達到60.12 MPa，直接頂粉砂巖的單軸抗壓強度達到32.76 MPa，煤層頂板強度較大，屬于堅硬頂板。山4 號煤的單軸抗壓強度為9.49 MPa，屬于軟煤。底板泥巖單軸抗壓強度為19.51 MPa，屬于軟巖。

工作面地質(zhì)條件相對復(fù)雜，主要表現(xiàn)為煌斑巖不規(guī)則侵入、地應(yīng)力較大、煤層厚度變化大、斷層構(gòu)造復(fù)雜，不利于巷道穩(wěn)定性。

2 巷道原支護方案與改進方案

5103 巷原支護采用錨網(wǎng)索支護。頂錨桿為φ22 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，屈服強度400 MPa，距巷道兩幫300 mm 各打1 根錨桿，中間錨桿間距920 mm，錨桿排距2000 mm，垂直頂板，每排5 根。幫錨桿為φ2 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距均為1000 mm。錨索為φ21 mm-1×19-6300 mm 鋼絞線，錨索排距2000 mm（一排錨桿、一排錨索），間距1100 mm、每排5 根。

采用“十字測量法”觀測5103 巷表面位移規(guī)律，在5103 巷距離切眼200 m 處布置1 個測站。在采動影響下，該測站的巷道表面變形量如圖1 所示。

圖1 巷道頂?shù)装遄冃螆DFig.1 Deformation diagram of roadway roof and floor

在整個觀測期間內(nèi)，巷道底鼓量為600 mm。5103 巷受工作面采動影響時，頂?shù)鬃冃沃兄饕憩F(xiàn)為底板的鼓起，底鼓量已嚴重影響了運輸、行人。

通過分析研究，決定通過加強兩幫支護強度，以及布置底角錨桿來增加移動阻力，控制滑移減少底鼓。底板底角錨桿選用BHR400 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2.4 m，與垂直面角度為30°。

3 回采巷道底鼓控制物理相似模擬試驗研究

為驗證回采巷道動壓影響下底板的變形機理及初步控制方案的效果，通過實驗室平面應(yīng)變相似材料模擬試驗，分析原支護下及初步方案支護下各階段底板巖層位移及應(yīng)力變化規(guī)律。

3.1 相似模擬試驗設(shè)計

3.1.1 模型基本參數(shù)

3.1.1.1 試驗臺及模擬巷道參數(shù)

結(jié)合工程實踐，試驗應(yīng)用平面應(yīng)變?nèi)S試驗臺進行試驗，試驗臺尺寸長×寬×高為1000 mm×1000 mm×200 mm。巷道尺寸及模型幾何相似比為1∶25。

3.1.1.2 圍巖模擬材料

根據(jù)同發(fā)東周窯煤礦5103 煤巷實際情況進行模擬材料選擇，實驗中，圍巖及煤層密度均為2.5 kg/m3，模擬材料密度為1.7 kg/m3，因此應(yīng)力相似比為1∶36.8。試驗配比參數(shù)見表1。

表1 試驗材料配比參數(shù)Table 1 Ratio parameters of the test material

3.1.1.3 錨桿模擬材料

現(xiàn)場采用BHR400 螺紋鋼錨桿，破斷力為490 MPa，經(jīng)計算，錨桿模擬材料拉斷載荷理論值為9.4 N。經(jīng)測定，4A 保險鉛絲直徑為0.8 mm，拉斷載荷為10 N，符合幾何及應(yīng)力相似比。試驗中采用預(yù)埋的方式安設(shè)錨桿，錨桿自由段套塑料細管，不考慮預(yù)緊力。

3.1.2 試驗方案及加載、測量方案

3.1.2.1 試驗方案

為研究底角錨桿支護對動壓影響下底鼓的控制作用，試驗一為在原支護參數(shù)；試驗二為在加強兩幫支護并補打底角錨桿。

3.1.2.2 巷道成型及錨桿安設(shè)方案試驗材料晾干后開挖巷道，該試驗通過預(yù)埋巷道框架的方法使巷道成型并有效安裝錨桿。

3.1.2.3 加載方案

試驗臺三向六面均可加載，其中垂直、水平、前后三組載荷同方向相等。試驗加載系統(tǒng)為液壓加載，加載范圍為0.35 ～10 MPa。

試驗加載分為2 個階段，第一個階段為原巖應(yīng)力階段，第二階段為動壓影響階段。

（1） 原巖應(yīng)力階段。

將模擬材料晾干后的模型加載到原巖應(yīng)力，模型模擬的垂直原巖應(yīng)力為σ1=0.27 MPa，按測壓系數(shù)1.2 計算，側(cè)向應(yīng)力為σ2=0.32 MPa。由于加載系統(tǒng)所限，垂直方向?qū)δＰ图虞d0.35 MPa，水平方向加載至0.42 MPa，并保持壓力1 h，以使模型材料充分壓密。

（2） 動壓影響階段。

由于模型走向方向較短，無法進行工作面的回采模擬，因此動壓階段根據(jù)現(xiàn)場實測的支承壓力增高系數(shù)進行模擬動壓加載。具體方式為每0.5 h 垂直應(yīng)力增加0.1 MPa 直到動壓載荷，水平應(yīng)力及前后走向應(yīng)力按測壓系數(shù)1.2 進行相應(yīng)加載。若加載到動壓載荷巷道底鼓未達到相應(yīng)值，則繼續(xù)每0.5 h 垂直應(yīng)力增加0.1 MPa，直到底鼓量達到相應(yīng)值，記下載荷值。

3.1.3 測量方案

（1） 應(yīng)力測量。通過放置壓力傳感器測量圍巖應(yīng)變，再通過公式計算出相應(yīng)應(yīng)力。

（2） 巷道表面及深部位移測量。巷道表面及深部位移量可直觀反映底鼓發(fā)生時巖層移動情況及初步方案的控制效果。本試驗采用坐標測量法測量巷道圍巖位移量。

3.2 試驗結(jié)果分析

打開試驗臺前板，對網(wǎng)格進行測量記錄，巷道變形情況如圖2 所示。

圖2 巷道變形情況Fig.2 Roadway deformation

試驗一各測點應(yīng)力（實際應(yīng)力） 與動壓系數(shù)關(guān)系曲線如圖3 所示，試驗二各測點應(yīng)力（實際應(yīng)力） 與動壓系數(shù)間關(guān)系曲線如圖4 所示。

圖3 試驗一各測點應(yīng)力與動壓關(guān)系Fig.3 The relationship between stress and dynamic pressure of each measuring point in experiment 1

圖4 試驗二各測點應(yīng)力與動壓關(guān)系Fig.4 The relationship between stress and dynamic pressure of each measuring point in experiment 2

由圖3 及圖4 可知，①各點應(yīng)力加載初期應(yīng)力穩(wěn)速增長，加載后期應(yīng)力恒定或衰減；②試驗一頂?shù)装宓乃綉?yīng)力相對大于兩幫水平應(yīng)力，底板處水平應(yīng)力隨深度增加而增加，增加幅度基本一致，4～5 m 處相對較大，均為10 MPa 左右，說明應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移，集中于底板4 m 處。底板巖層在動壓系數(shù)達3.5 左右開始衰減，承載能力下降，巖層開始發(fā)生破壞，產(chǎn)生底鼓。試驗二中應(yīng)力相對較小，應(yīng)力也集中于底板4 m 處，4 ～5 m 處相對較大為9.7 MPa 左右。2 組試驗底板深部1 m 巖層左右兩處應(yīng)力與3 m 巖層左右兩處應(yīng)力均大于相應(yīng)深度巖層應(yīng)力，說明兩幫應(yīng)力傳遞到底板主動應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力作用到被動應(yīng)力區(qū)后隨深度減小而減小。

以距巷道中心線距離為橫坐標，試驗一巷道頂?shù)装鍘r層位移曲線如圖5 所示，試驗二巷道頂?shù)装鍘r層位移曲線如圖6 所示。

圖5 試驗一巷道頂?shù)装鍘r層位移圖Fig.5 Roof and floor strata displacement of roadway in experiment 1

圖6 試驗二巷道頂?shù)装鍘r層位移圖Fig.6 Roof and floor strata displacement of roadway in experiment 2

由圖5 及圖6 可知，在加載作用下，試驗一底板產(chǎn)生向上垂直位移625 mm，兩幫壓入底板200 mm，底板深部1.25 m 巖層中位于煤幫下方處下沉50 mm，表明底板主動應(yīng)力區(qū)向下滑移，被動應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生向上位移。底板深部圍巖隨深度增加向上位移量逐漸減小，底板下方3.75 m 處巖層位移量125 mm，相對較小，底板下方7.5 m 處巖層基本穩(wěn)定。試驗二底板巖層位移規(guī)律與試驗一相似，但位移值較小，底板產(chǎn)生向上垂直位移300 mm，兩幫壓入底板125 mm，底板深部1.25 m 巖層中位于煤幫下方處下沉25 mm，底板下方3.75 m 處巖層位移量75 mm，底板下方7.5 m 處巖層基本穩(wěn)定。

通過相似模擬試驗可知，安裝底角錨桿及加強兩幫支護可有效控制巷道圍巖移近量，底鼓的控制率達52%，控制效果較顯著。

4 工業(yè)性試驗

在5103 巷試驗段按照上述控制技術(shù)方案進行工程實踐。在5103 巷布置礦壓監(jiān)測站。測站距試驗開始位置150 m，測站布置2 個測面，測面間距1.0 m。監(jiān)測內(nèi)容為巷道表面位移。測站的巷道表面變形量如圖7 所示。

圖7 巷道頂?shù)装遄冃吻€Fig.7 Deformation curve of roadway roof and floor

在觀測時間段內(nèi)，巷道頂板累計下沉量為72 mm，底鼓量為258 mm，兩幫累計移近量為388 mm。與原始支護段底鼓量600 mm 相比，底鼓量減小57%，底板巖層得到有效控制。工業(yè)性試驗取得成功。

5 結(jié)論

（1） 回采巷道產(chǎn)生底鼓最主要的原因是工作面超前支承壓力的影響，超前支承壓力由頂板通過兩幫傳遞給底板。巷道底板向上隆起，造成底鼓顯現(xiàn)。

（2） 通過物理相似模擬可知，對底板巖層的控制可減小底板主動壓力區(qū)的位移，對兩幫支護密度的加強可有效控制兩幫及頂板的下沉。

（3） 采用加強兩幫支護、安裝底角錨桿可有效控制底鼓，為堅硬頂板條件下的軟巖底板回采巷道提供實踐經(jīng)驗。