深部采动巷道底鼓控制技术及治理效果

苏科舜

(开滦(集团)有限责任公司东欢坨矿业分公司，河北唐山 064002)

随着我国煤炭开采向深部发展，采矿所面临的地质环境更加复杂，与浅部开采相比，深部煤岩体处于高地应力、多场、多相耦合作用下，使得深部巷道支护特别是巷道底板支护更加困难，主要表现在底板岩层水平应力和剪应力集中，造成巷道围岩应力恶化，剧烈底鼓显现，尤其是经历采动影响的回采巷道底鼓问题更加普遍和严重［1－3］。近年来，国内外诸多学者对巷道底鼓发生机理及控制技术进行了有益探索。本文拟在前人研究的基础上，以开滦集团东欢坨矿3088综采工作面回采巷道底鼓为工程背景，应用数值模拟软件FLAC模拟巷道底板采动应力场及变形破坏特征，分析各种底鼓控制技术的优缺点，并在3088综采工作面轨道平巷进行了底鼓控制措施的现场实施，取得了较好的底鼓控制效果。

1 回采巷道地质概况

东欢坨矿3088综采工作面位于－690水平中央下段采区北翼，为中央下段采区首采工作面，南至中央下段采区运输上山，北至3088切眼，斜上方为设计3086工作面。地面标高+20.71 m，工作面标高－551 m～－689 m。所采8#煤层，厚度2.4～4.7 m，平均3.35 m，煤层倾角3～16°，平均9.5°。该工作面采用走向长壁综合机械化开采工艺，一次采全高，采用75组ZY9200－22/46型，5组ZY9200－20/42型以及2组ZYG9200－22/46型支撑掩护式液压支架支护顶板。

该工作面回采巷道断面设计为斜梯形，巷道净断面:宽×高=4.5 m×3.1 m。巷道顶底板岩性见表1。该工作面轨道平巷在两帮压模效应、采动支承应力、水及底板岩性等多个因素综合影响下，底板岩层向巷道内压曲、扩容、膨胀，从回采开始即经受较为明显的底鼓现象，最大底鼓量达800～1300 mm。

表1 3088工作面回采巷道顶底板情况

2 原支护条件下巷道底鼓模拟

2.1 数值计算模型

采用三维有限差分软件FLAC建立东欢坨矿3088综采工作面轨道平巷三维数值计算模型，模型尺寸:走向长度(x)200 m，倾斜长度(y)160 m，垂直高度(z)95 m。数值计算模型如图1(a)所示。模型上方按至地表岩体的自重施加垂直载荷(P=γH)。模型侧边界施加水平约束，底边界施加水平及垂直约束。由于要研究回采巷道底板破坏后的力学行为，计算中采用莫尔－库仑(Mohr－Coulomb)屈服准则判断岩体的破坏［4－6］。

2.2 原支护条件下巷道底鼓模拟结果

2.2.1 原支护参数

3088综采面轨道平巷采用锚网索支护，巷道顶板每排安装6根螺纹钢锚杆，φ22×2400 mm，间排距800×800 mm，每排锚杆加挂一根φ12×4200 mm钢带，锚索采用φ17.8×6300 mm钢绞线，居中单根布置，排距2400 mm。巷道两帮每排安装4根普通圆钢锚杆，φ18×2000 mm。

2.2.2 底鼓模拟结果

模拟运算之前，在巷道底板、顶板及两帮不同深度处(0 m、1 m、2 m、3 m、4 m 位置处)布设位移测点，监测不同深度围岩位移情况。

1)如图1(b)所示，该回采巷道底鼓量明显较两帮移近量和顶板下沉量大。就巷道底板不同位置处底鼓量来说，底板表面呈斜坡状鼓起，煤柱侧底板鼓起量(260 mm)明显大于实体煤侧巷道底鼓量(90 mm)。其原因:在巷道煤柱侧帮底脚处，水平应力过大，挤压层状底板岩层，向巷道自由空间鼓起，又受到实体煤侧巷道底板岩层的约束作用，从而导致3088综采面回采巷道底板表面呈斜坡状鼓起［7－8］，这与现场实测相吻合。

2)巷道底板下不同深度岩层底鼓量各不相同，0～2 m深度的底板围岩变形量较大，到底板表面的移近量呈剧烈增长趋势;3～4 m深度的底板岩层向巷道空间的挤入量不大，如图1(c)所示。

图1 原支护条件下3088综采面轨道平巷围岩位移模拟结果

3 不同控制技术下巷道底鼓治理效果模拟

目前国内外各种控制底鼓措施的探索工作十分活跃，专家学者进行了大量探索，试验成功了多种底鼓控制措施，主要有加固法(底板锚杆、底板注浆及封闭式支架等)、卸压法(切缝、打孔、松动爆破、掘巷卸压)和联合支护法［9－11］。诸多底鼓控制技术都有其局限性，只能适应一定的地质条件。对一条特定的巷道来说，其底鼓控制技术必须进行具体分析。本文结合东欢坨矿3088综采工作面巷道围岩实际条件，拟在原支护参数条件下，设计三个底鼓防治方案:(1)底板卸压槽;(2)底角锚杆加强支护;(3)底板钻孔。分别模拟不同防治措施下底鼓控制效果，为底鼓控制措施的现场实施提供决策参考。

3.1 底板卸压槽

3.1.1 卸压槽布置

底板卸压槽的开凿位置选择在底板靠近煤柱侧，考虑到现场行车方便及行人安全，卸压槽宽度定为400 mm。模拟不同开槽深度时(卸压槽深度分别为0.1 m，0.3 m，0.5 m，0.7 m，1.0 m，1.2 m，1.5 m)，巷道底板岩层应力及位移特征。

3.1.2 卸压槽控制底鼓效果

如图2(a)所示，开槽对巷道底板岩层塑性区影响较大，所开卸压槽可以将巷道底板高应力向底板较深部岩层转移。底板开卸压槽后巷道底板鼓起趋势得到有效控制，卸压槽的作用主要体现在:卸压槽为巷道围岩变形提供了自由空间，使得底板岩层位移主要向开槽空间移动，变形能量得以释放，从而减弱了朝向巷道空间的鼓起量，达到了有效防治底鼓的目的［12－13］。在实际施工中，应注意开槽与掘巷的时间间隔，建议巷道开掘和开凿卸压槽应同时进行，即把开凿卸压槽作为开挖巷道的一部分。

不同开槽深度时底板岩层位移曲线如图2(b)所示，当所开卸压槽深度小于0.7 m时，底鼓量依然较大，对控制巷道底鼓作用不大;当卸压槽深度为0.7～1.0 m时，巷道底鼓量显著减小，曲线出现拐点;考虑到现场施工方便，建议3088综采工作面轨道平巷底板开卸压槽深度为0.7～1.0 m。

图2 底板开卸压槽巷道围岩应力特征及位移

3.2 底角锚杆加强支护

巷道底角是塑性区最发育的部位，巷道底鼓主要是两侧底板岩体挤入巷道和两帮下沉引起的，因此，巷道底角岩体的控制对控制巷道底鼓至关重要［14－15］。

3.2.1 底角锚杆布置

在3088综采工作面轨道平巷底角处使用φ22×2400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，加长锚固，巷道底角锚杆与水平面夹角为60°。

3.2.2 底角锚杆加固效果

由数值模拟结果可知，巷道开掘后，围岩塑性区从应力集中的底角处开始，最终仍以底角处为最大。在巷道围岩暴露后立即打上底角锚杆，此时塑性区的发展刚开始，而锚杆可提高底角围岩的强度，因此，底角锚杆可阻止或减少塑性区的扩展，降低底板水平高应力，对抵抗巷道底鼓及维护巷道围岩整体稳定发挥了重要作用。

3.3 底板钻孔

3.3.1 底板钻孔布置

考虑到现场施工和运料、行人的方便，底板钻孔位置选择在底板靠近煤柱侧，钻孔直径为φ42 mm，模拟不同钻孔深度时(钻孔深度分别为0.5 m，1.0m，1.5m，2.0m，2.5m，3.0m)，巷道底板岩层应力及位移特征，如图3所示。

图3 底板钻孔围岩应力分布

3.3.2 底板钻孔控制底鼓效果

由数值模拟结果可知:①底板深钻孔将围岩应力向更深的底板岩层转移，使巷道浅层底板应力显著降低。但对于巷道两帮移近量影响不大;②底板钻孔周围应力重新分布，产生松动区和塑性区。底板深部岩层在较高应力作用下有着朝向该钻孔自由面移动的趋势，从而起到控制底鼓的效果;③与其它防治底鼓的措施相比，底板钻孔后，底板岩层鼓起的始动点要深，因此要求底板钻孔的深度要比开卸压槽深得多，现场施工工期较长，操作较为复杂。

3.4 各种控制技术对比分析

通过以上不同治理方案底鼓控制效果的模拟研究可知，控制东欢坨矿3088综采工作面轨道平巷底鼓的关键部位是巷道底角和底板区域。方案一在底板靠近煤柱侧开凿卸压槽，为巷道围岩水平应力内移提供了自由空间;方案二通过底角锚杆改变区域应力分布，加强巷道围岩的整体强度，降低底板的水平挤压力;方案三在底板钻孔，虽然底板应力也能显著降低，但结合巷道施工实际条件，向底板打垂直孔较困难，故决定采用卸压法(底板卸压槽)与加固法(底角锚杆)相结合的底鼓控制措施，充分发挥两者的各自优势。

4 回采巷道底鼓控制技术的现场实施及效果

4.1 底板卸压槽

根据数值模拟结果，确定3088综采工作面轨道平巷底板开卸压槽参数为:宽×深=400×800 mm，如图4所示。考虑到巷道运输方便及行人安全，卸压槽开凿位置选在煤柱帮与底板交接处，槽内充填锯末、细沙等柔性材料，实现底板水平应力向槽内转移的同时，还能阻止底板水渗入到深部岩层而造成的底板岩石遇水膨胀鼓起。

图4 3088综采面轨道平巷底板卸压槽示意图

4.2 巷帮底角锚杆加强支护

根据数值模拟结果和东欢坨矿3088轨道平巷现场施工条件，确定巷帮底角锚杆加强支护的整体思路:在现有支护基础上，采取巷道帮部底角补打锚杆的措施，限制塑性区扩展，提高巷道整体支护效果，防止巷道底板鼓起。具体施工参数为:3088轨道平巷底角处采用无纵筋螺纹钢锚杆，加长锚固，φ22×2400 mm，底角锚杆与水平面夹角为60°，如图5所示。现场施工效果表明，底角锚杆能够限制底板塑性区扩展，防治底鼓的同时，提高了回采巷道复杂围岩的整体稳定性。

图5 底角锚杆加强支护控制底鼓参数图

4.3 底鼓控制效果

上述底鼓治理方案在3088综采面轨道平巷底鼓剧烈地段进行了工业性试验，并对试验地段的巷道底鼓进行了实测。从观测数据可知(图6所示):采取治理措施后，随着工作面推进，测试地段最终的累计底鼓量及底鼓速率都较未采取治理措施前减小，最大底鼓量为246 mm，最大底鼓速率为36.5 mm/d，底鼓量及变形速度均在可控范围之内。实践应用表明，3088综采面回采巷道底鼓变形得到有效控制，保证了工作面生产期间行人及物料的畅通。

图6 采取治理措施后巷道底板位移曲线

5 结论

1)工程实践表明，采用卸压法(底板卸压槽)与加固法(底角锚杆)相结合的底鼓控制措施，充分发挥两者的各自优势，能明显降低回采巷道底板变形量，确保巷道整体稳定。

2)开挖卸压槽防治底鼓的技术创新体现在:该技术不仅实现了底板水平应力向槽内转移，而且能阻止底板水渗入到深部岩层而造成的底板岩石遇水膨胀鼓起。卸压槽的开凿和巷道开挖应同时进行，即把开槽作为开挖巷道的一部分，充分发挥开槽的卸压作用。

3)运用数值模拟方法，可以较为全面地揭示不同底鼓控制措施下巷道底板应力场及变形破坏特征，有利于选择、优化设计方案，同时减少试验时间，提高矿井的经济效益与社会效益。

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