深部巷道底鼓机理与控制技术

2014-11-12杨红宇

山西焦煤科技 2014年4期

杨红宇

(山西保利裕丰煤业有限公司，山西临汾 042100)

随着煤炭开采行业的发展，开采活动逐步向深部转移，围岩地应力的增加，使巷道支护难度及破坏程度也不断增加，底鼓作为巷道经常发生的动力现象之一［1］，会使巷道断面缩小，给运输、通风和人员行走等带来一定的困难。因底鼓造成的巷道报废现象时有发生，严重影响安全生产，故对深部巷道底鼓进行有效控制成为亟待解决的技术难题。

1 巷道底鼓的机理

从巷道底板所处的地质条件、围岩特征及地应力3方面考虑，可以将底鼓机理概括为以下几种类型［2－4］:

1.1 挤压流动型

直接底板为破碎软弱岩层，且强度相对于两帮和顶板明显较小时，容易发生挤压流动型底鼓。

此类巷道底鼓破坏表现为流状态的凸起，且与巷道围岩体的应变软化区即松动圈关系密切。在松动圈范围内，围岩呈破碎状态且节理裂隙随机分布而没有明显的优势方向。巷道围岩发生流状型破坏就是由松动圈范围内的薄弱围岩导致的。

1.2 挠曲褶皱型

在中硬层状岩体的条件下，巷道底板很可能发生挠曲褶皱型底鼓。因为方向和节理垂直的3条主要裂纹的存在，使原本较为完整的岩层断裂形成铰接结构，由此导致底板岩层向巷道内部凸出，从而发生底鼓破坏。

1.3 剪切错动型

巷道直接底的岩性和厚度是判断巷道是否发生剪切错动型底鼓的重要因素。当岩性为厚层岩体，且相对厚度超过巷宽1/3时，在一定应力条件下，厚岩层易发生剪切破坏，使岩层被切割成破坏楔块而鼓起。

1.4 遇水膨胀型

一般的巷道围岩在遇水后，导致围岩强度变小，体积并不会有较大变化。对于一些具有膨胀性的特殊黏土层来说，如伊利石、蒙脱石，其浸水后岩体体积将严重增加，此种情况下，这类围岩将发生膨胀性底鼓。

2 巷道底鼓的控制技术

控制巷道底鼓的技术，主要可分为防止和清除两大类型。由于清除底鼓不仅耗费时间、资金和人力，而且不能从根本上治理巷道底鼓，给矿井的正常安全生产带来严重影响［5－7］。故应从根本上采取措施来控制巷道底鼓。

2.1 加固法

目前，防治底鼓最常用的是加固法。此法通过提高对巷道底板的支护强度及其自身的强度来实现控制底鼓的目的。

采用砌筑底拱、砌暄、底板衍架、全封闭式巷道支架等方式可提高巷道底部的支护强度;采用安装底板锚杆、注浆或反拱支护的方式可增强底部围岩强度;还可通过采用锚网全封闭混凝土、喷网全封闭金属可缩性支架、全封闭锚喷等联合支护方式来控制底鼓。

2.2 卸压法

目前，防治底鼓较为广泛使用的是卸压法。此法通过将巷道围岩的应力向深部转移来实现控制底鼓的目的。

对于挠曲褶皱型底鼓可采用切缝卸压的方式;对于围岩岩性较硬且应力集中系数大的底鼓类型，可采用松动爆破或在底板中部打钻孔的卸压方式;除此之外，也可采用在底鼓巷道附近新开保护巷道的方式，以降低被保护巷道底板的应力，从而达到控制底鼓的目的。

2.3 联合法

将加固法和卸压法联合使用进行底鼓防治的方法称为联合法［8］。加固措施的作用是使围岩的自承能力增强或提高外部的支护力;卸压措施的作用是使应力向围岩深部转移。这种方法较为适用于应力集中系数大，底鼓相对严重的巷道。

2.4 对巷道帮部、底角进行加固

当巷道的应力集中程度过高，且围岩两帮及底角的自承能力偏弱时，可以采用在巷道帮部和底角位置注浆、安装锚杆的方法进行加固。此方法还能减少因两帮破坏而导致的顶板下沉。因此，也能在一定程度上减少巷道底鼓量。

3 工程实例

3.1 工程概况

东海煤矿五采区32#煤层左十二副巷，开采深度达到1 160 m，所在煤层倾角 13°～ 15°，层厚 1.5 m，煤层柱状图见图1。巷道围岩变形严重，特别是巷道底鼓后引起两帮变形量大，严重影响正常安全生产。巷道开挖短期内底鼓达到1 000 mm以上，甚至出现前掘后卧底的情况。回采过程中巷道底鼓现象严重，不能进行正常的生产，而且巷道维护费用高，需要投入大量的人力物力，严重影响煤矿的经济效益。

图1 32#煤层顶底板柱状图

在地质力学调查的基础上，结合该矿高瓦斯的实际情况进行分析，可利用32#煤层左十二回风的专用排瓦斯尾巷作为卸压巷道，并结合底板锚固的方式达到控制巷道围岩变形的目的，特别是巷道底鼓问题。

3.2 数值模拟及结果分析

为研究深部回采工作面周围煤体的应力分布规律、对回采巷道的影响及与开采之间的关系，依据该矿195采煤工作面实际情况建立有限模型。模型长120 m、宽度取200 m，厚度取72 m。巷道宽3.0 m，左十二副巷与卸压巷道(排瓦斯尾巷)间距5 m，瓦斯尾巷与采空区之间煤柱宽5 m，相关力学参数见表1。模型图及底板mises应力分布规律部分数值模拟图见图2，图3。

表1 32#煤层力学性能参数表

由图2，图3可知，左十二副巷以外、靠近瓦斯尾巷位置为应力集中区，顶板垂直应力和水平应力峰值均出现在两巷间煤柱中部偏上位置，顶板下沉量由采空区至煤体内逐渐降低。回风巷支护时应充分考虑巷道靠近上帮外顶板支护及上帮的支护。

图2 分析模型图

图3 底板mises应力分布规律部分数值模拟图

左十二副巷底板靠近瓦斯尾巷侧处于水平应力和垂直应力峰值区，且围岩水平变形量及竖直变形量在这个位置也处于峰值区。因此，在围岩水平力及竖直力的作用下，此处的巷道底板和上帮变形破坏程度也会很大，需要对底板及上帮加强支护，该巷道下帮也处于大变形区间，对其支护也应着重考虑。

3.3 巷道底锚支护方案

卸压巷与回风巷均采用矩形断面，掘进宽度3.8 m。两条巷道均采用锚杆+锚索及网钢带联合支护，支护参数相同，仅是卸压巷道没有进行巷道底锚工作。

1)卸压巷道相关参数。

经理论分析与数值模拟可知，卸压巷道宽度d，支承煤柱宽度Lu及让压煤柱的宽度Ln等3个基本参数的合理选取是卸压巷取得预期效果的关键。

卸压巷道宽度:d=3.8 m。

支承煤柱宽度:卸压巷道应该在煤壁侧支撑压力的峰值附近，才能达到卸压的目的。根据东海煤矿岩石力学测试参数与开采条件，采空区煤柱侧塑性宽度R为6.7 m左右，但是考虑到煤柱损失及防止冲击地压的发生，承载煤柱宽度Lu取5.0 m。回风巷道受到一定的支撑压力影响，使承载煤柱处在塑性范围内，降低冲击地压发生的可能性。

让压煤柱宽度:根据理论分析，让压煤柱的宽度为6.2 m，为防止冲击地压发生，不能大于6.2 mm。综合考虑实际生产条件，让压煤柱宽度Ln确定为5.0 m。

2)底鼓巷道支护参数。

底板:将巷道底板由水平设计改为弧形设计，目的是为改变底板受力状态，同时也为处理底板锚杆与锚索外露部分留有空间。弧形半径为6 167 mm，实际施工中以底板中心低于两帮帮底300 mm为准。

底角:为避免底角处出现应力集中现象，对两底角做圆弧处理，圆弧半径为300 mm。

两帮:两帮最下部管缝锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆，锚杆长度为2 200 mm，与水平方向呈20°夹角，距巷道底板400 mm，树脂药卷为2卷，锚固长度为700 mm。两帮上部采用锚索支护，采用长度3 000 mm钢绞线，树脂药卷为3卷，锚固长度为1 050 mm，与水平保持45°夹角，目的是为增加悬吊作用，减少顶板对帮的作用力，同时也使应力向深部转移。

底锚:采用d22 mm左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆，锚杆长度为2 200 mm，树脂药卷为2卷，锚固长度为700 mm，锚杆外端距巷帮500 mm，锚杆垂直打设。巷道底板中部采用长度3 600 mm锚索，树脂药卷为3卷，锚固长度为1 050 mm。同时加挂横向连接锚杆、锚索钢筋梯带，间、排距为1 000 mm，完成之后对底部进行充填，见图4(锚杆、锚索托盘使用大托盘)。

图4 控底支护参数设计图

3.4 效果监测

采用上述方案对底板锚杆进行加固，在施工完成后设立了2个矿压观测站，监测该控制技术对底鼓的控制效果并进行了记录。从监测结果可知:从监测之日起10 d之内，底鼓量约达到46 mm;30～90 d，底鼓量约增加到116 mm;90～150 d，底鼓量约增加到128 mm，之后基本保持不变。由此可见，该加固方案提高了底板岩层的整体性和承载能力，有效地控制了深部高应力巷道的底鼓量，同时两帮的收缩量也明显减少，保证了巷道的稳定和矿井的正常安全生产。