义棠煤业巷道底鼓切槽控制技术研究*

李 龙， 段晓博

(1.山西义棠煤业有限责任公司,山西 介休 032000；2.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014000)

在煤炭开采过程中,由于巷道位置选择不合理,矿区构造应力等影响导致部分矿井出现了巷道底鼓变形严重、冲击地压等问题[1]，尤其是巷道底鼓变形日益成为了矿井现场常见的难题。巷道底鼓的产生严重影响矿井的正常接续和安全生产[2]。

近些年,诸多学者在巷道底鼓方面做了大量研究,张乾龙[3]通过分析深部构造应力区域内巷道围岩发生大变形的原因,通过采用巷道底板切槽+锚索补偿等支护技术来控制巷道底鼓,取得了良好的效果。郑文翔[4]通过力学分析,提出了利用锚杆-混凝土反拱组合结构来控制巷道底板变形。张立辉[5]提出了混凝土预制块法、反底拱法、加宽隔离煤柱法来治理浅埋深巷道底鼓,在现场取得了良好的应用效果。丁国利[6]通过分析大断面巷道围岩应力分布,提出了采用可缩性环形支架与锚杆锚索联合支护的方法,治理巷道底鼓。张杰等[7]从载荷作用、水理作用的角度出发,研究了两者同时作用于岩体,导致巷道发生底鼓变形,并提出了相应的治理措施。

本文针对义棠100505工作面回采巷道底鼓问题,结合现场实际情况,提出了切槽卸压的控制技术,并对卸压槽尺寸的确定进行了研究。

1 工程概况

义棠100505掘进工作面位于该矿10#煤五盘区,煤层平均厚度5.2 m,倾角1°～3°,工作面推进长度1 356 m,巷道尺寸为5.1 m×4.2 m,煤层平均埋深150 m。顶板采用“锚杆+锚索+钢梁”联合支护,直接顶为泥岩、炭质泥岩,平均厚度7.2 m,基本顶为石灰岩,平均厚度为12.5 m,直接底为铝土泥岩,平均厚度2.7 m。100505工作面皮带巷在掘进过程中出现了底鼓现象,现场陷入了“掘进→底鼓→起底→再底鼓→再起底”的恶性循环,严重影响了矿井正常接续及安全生产。因此,分析该巷道底鼓成因,并制定可行的防治措施是一个亟待解决的问题。

2 巷道切槽尺寸的确定

2.1 切槽深度确定

100505巷道底鼓主要原因为:1)由矿压理论可知,在埋深150 m～250 m条件下,其原岩应力3.75 MPa～6.62 MPa,在掘进过程中矩形巷道最大应力集中系数可达到5,则巷道集中应力可达18.4 MPa～33.1 MPa。而10#煤底板强度平均为13.5 MPa～17.2 MPa,强度远远小于巷道集中应力,在掘进过程中巷道底板必然发生破坏。2)巷道底板以泥岩及炭质泥岩为主,底板下含一层厚度1.2 m～2.8 m厚黏土岩,遇水膨胀,变形严重,在掘进过程中生产污水及顶板水渗入底板后,导致巷道底鼓。3)巷道围岩受力状态直接导致巷道底鼓破坏严重。通过建立力学模型具体分析如下。

取两巷道之间保护煤柱应力在巷道底板中应力传播进行分析,受力如图1所示。巷道一帮受到垂直应力Q的作用下,产生CIJ主动承压状态与MCJ被动受压状态,当主动承压区应力大于被动承压区应力时,底板岩石会产生向上的剪切力T,在T的作用下,MCJ区域内的岩石会沿着MJ面产生滑动,当底板岩石承压能力超过其强度极限时,底板就会发生底鼓,产生变形。

根据郎肯压力理论来估算此阶段的巷道底鼓变形量, 底板最大破坏深度[7]y1:

(1)

根据义棠煤矿100505工作面实际地质条件,底板上载荷Q取0.21 MPa,γ取25 kN/m3,φ取22°。 将参数代入式(1)可得底板最大破坏深度即底鼓深度:y1≈2.2 m，即切槽深度为2.2 m。

图1 巷道右侧煤柱底板受力简图

2.2 切槽宽度的确定

巷道切槽后,不但能够使底板水平应力得到一定程度的释放,另外切槽空间还可以缓解部分底鼓变形。切槽就是在巷道底板中部开挖提前开挖一条宽度为L, 深度为h的沟。建立力学模型,可将切槽壁简化为长度h、截面宽度为b(h/b≥5)的悬臂梁结构。为了让切槽能够缓解底板变形,使得底板应力得以释放,切槽宽度L应满足:

(2)

(3)

将参数带入公式(2)可得到切槽宽度[7]:

(4)

将h/b≥5带入(4)可得:

(5)

式中:k为富余系数。

根据式(1)可以得出巷道底板破坏深度为2.2 m。已知工作面γ=25 kN/m3,H=150 m,实测膨胀应力Ps=0.41 MPa,υ=0.34,E=2 858 MPa,k取1.4。代入式(5)可得切槽宽度L≥0.4 m。为了减小作业现场施工工程量,因此初步设计底板切槽宽度为0.4 m,深度为2.2 m。

3 切槽效果数值模拟研究

3.1 数值模型的建立

采用FLAC3D数值模拟对义棠煤矿100505工作面回采巷道在不同切槽宽度下围岩变形量进行了模拟。煤岩层主要力学参数见表1。巷道尺寸为5.1 m×4.2 m,建立弹塑性模型,运用Mohr-Coulomb 屈服准则判断岩体的破坏。根据现场实际地质条件,建立数值模型,模型尺寸长×宽×高=100 m×45.1 m×58.2 m。模型表面施加自重应力边界,模型上边界为自由边界,其它边界为位移约束。

表1 模型模拟的岩石力学物理参数

3.2 数值模拟方案

控制底鼓的最佳位置应选择在巷道底板中部,数值模拟主要模拟巷道在无切槽情况,及切槽尺寸为2.2 m×0.2 m、2.2 m×0.4 m、2.2 m×0.5 m、2.2 m×0.6 m、2.2 m×0.8 m,6种情况下,随掘进工作面的不断推进,巷道围岩变形量,从而确定最佳切槽宽度。

3.3 数值模拟结果分析

图2为无切槽及不同切槽宽度时底鼓量随掘进工作面的变化。由图2可以看出,巷道底鼓量随着工作面的推进而逐渐变大,直至趋于稳定,底鼓量随切槽宽度的增大而逐渐减小。未切槽时,底鼓量最大为371 mm,底鼓现象明显。切槽宽度为0.2 m,0.4 m,0.5 m,0.6 m,0.8 m时,底鼓量分别为302 mm,76 mm,72 mm,67 mm,64 mm与未切槽相比,最大底鼓量减小了307 mm;且明显可以看出,切槽尺寸越宽,底鼓控制效果越好。当切槽宽度增加到0.4 m后,继续增加切槽宽度,底鼓量降幅较小。因此可以看出切槽尺寸为2.2 m×0.4 m已经完全满足底鼓控制要求。

图2 不同槽宽时的底鼓量随工作面变化曲线

图3 不同切槽宽度两帮移近量变化曲线

图4 不同切槽宽度顶板下沉量变化曲线

图3、图4为无切槽及不同切槽宽度是两帮、顶板变形量随掘进工作面的变化曲线。由图可以看出,随着掘进工作面的不断推进,两帮、顶板变形量逐渐增大,最终趋于稳定。切槽后比未切槽时,巷道两帮移近量及顶板下沉量明显增加;未切槽时,两帮移近量最大为112 mm,切槽0.2 m,0.4 m,0.5 m,0.6 m,0.8 m后,两帮移近量增加到124 mm,138 mm,144 mm,148 mm,159 mm;未切槽时,顶板下沉量最大12 mm,切槽0.2 m,0.4 m,0.5 m,0.6 m,0.8 m后,顶板下沉量增加到15 mm,21 mm,22 mm,23 mm,27 mm。由此可以看出一味增加切槽宽度虽然可以较好的控制底板变形量,但是两帮及顶板移近量也会随之增加,不利于巷道保持整体的稳定性。

综合考虑巷道围岩稳定性、现场人员施工量等因素, 100505工作面回采巷道选择最佳切槽宽度为0.4 m。

4 工程实践

根据理论计算及数值模拟结果,在100505工作面回采巷道中选取50 m进行切槽试验,切槽深度为2.2 m,宽度为0.4 m,并进行了为时5个月地观测,在切槽卸压段巷道布置3个测站对巷道围岩变形量进行监测,分析切槽效果。观测结果如图5所示。

图5 巷道底鼓量变化曲线

由图5可以看出,巷道底鼓变形量随着时间的推移逐渐增加最后趋于稳定。在巷道切槽后,0～90 d巷道底鼓量由0最大增加到61.3 mm,90 d后底鼓量逐渐趋于稳定,到150 d时巷道最大底鼓量仅为73 mm,与未切槽巷道相比,底鼓量明显降低,充分说明,采用深度2.2 m,宽度0.4 m的切槽对于控制巷道底鼓量效果显著。

5 结论

1)分析了义棠煤矿巷道底鼓原因,并通过建立力学模型分析了底板破坏的力学机理,上覆岩层通过两端煤体传递的载荷导致底板发生破坏,加之巷道底板下层存在黏土岩遇水容易膨胀,底板岩石强度低等综合因素导致巷道底板发生底鼓破坏。

2)通过受力分析及理论计算得出巷道切槽深度为2.2 m,通过数值模拟试验得出,切槽宽度越宽,底鼓控制效果越好,但两帮及顶板变形量增加。综合考虑,巷道切槽最佳宽度为0.4 m。

3)在100505工作面回采巷道分别选取切槽深度为2.2 m,宽度为0.4 m的巷道50 m进行围岩变形观测,结果表明,切槽后150 d巷道最大底鼓量仅为73 mm,充分说明切槽可以有效地控制巷道底鼓。