大断面煤巷底鼓机理分析与控制措施研究

郭建平

摘要：在煤矿生产中，深部巷道的底鼓是经常遇到的问题。由于煤矿深部巷道的岩石性质不同，因此对巷道底鼓的机理进行分析十分必要。本文围绕这一议题进行了探讨，以涌鑫矿业安山煤矿为例，对大断面煤巷底鼓机理作了分析并提出了处理及防控措施，供相关人士参考。

关键词：巷道底鼓;大断面;控制措施

一、引言

涌鑫矿业安山煤矿巷道宽度均采用5m，根据煤层实际揭露情况，三盘区31煤胶运巷、辅运巷、回风巷，巷道均采用5m的宽度，现场底板底鼓严重，导致胶运、辅运巷巷道硬化底板破损、影响行人、运输，回风顺槽底鼓，导致回风顺槽断面缩小，增加通风系统阻力、作为安全出口影响行人，增加了巷道维修费用。

二、煤巷底鼓机理及稳定性分析

巷道开掘后煤巷围岩应力平衡被打破，出现重新分布的过程。这一过程中煤巷底板岩层承受上层传递下来的轴向压力，在梁的各个截面上产生弯矩，使底板岩层完曲变形，一旦底板岩层承受的轴向压力超出承载的极限强度就会使底板岩层失去稳定形成底鼓。底板岩层弯曲变形的方程式如下：

公式中代表，代表巷道宽度;I代表组合梁抗弯曲截面模量;E代表抗剪层剪切模量;N代表底板岩层受到的轴向作用力;q代表重力;代表弯曲变形量。

三、煤巷底鼓控制技术模拟分析

根据煤巷道的地质资料，采用离散元软件建立煤巷模型。模型的构建其基本原理是围岩视为微小块的集合体，通过定义微小块之间的力学接触行为来模拟煤巷底鼓弯曲变形的过程。模拟的过程中采用与巷道最近测点的围岩应力测量数据。其中最大主应力和最小主应力利用水压致裂法测得。根据围岩最大主应力和最小主应力的数值判断出煤巷围岩整体属于中等地应力矿井。据此，将模型划分为6层，每一层分别划分成不同尺寸大小的微小块体，包括矩形和三角形块体。建立起分析模型后，对煤巷围岩的应力变化情况进行分析。将围岩应力的释放划分为5个阶段以更好地贴合实际开挖过程中围岩应力演变过程。5个阶段对应的应力释放系数分别设置为0～0.2;0.2～0.4;0.4～0.6;0.6～0.8;0.8～1.0。从模拟软件的模拟分析结果看，随着围岩应力释放系数的增大，巷道围岩受到应力干扰的区域逐渐增大，从表面扩展到深层。当围岩应力释放系数为0.4时，两帮表面出现明显破坏区。之后随着应力释放系数的增加，两帮破坏区相对稳定，巷道底板破坏程度加剧。为了控制煤巷底鼓，模拟采用锚杆锚索支护技术。采用同样的模拟分析方法对锚杆锚索支护后的围岩应力变化情况进行分析。结果发现在模拟了锚杆锚索支护巷道底板后，底板的围岩应力演变情况发生了变化。与未经过锚杆锚索支护的围岩应力释放区域相比，在经过锚杆锚索支护后的底板围岩应力释放区域减小。在进行锚杆锚索支护技术的前提下，再对底板进行注浆，增加底板厚度，底板围岩应力释放区域明显减小。由此说明，在采用底板注浆加厚和锚杆锚索支护的情况下，煤巷底板破坏范围将缩减。

四、大断面煤巷底鼓控制技术措施

根据煤巷底鼓模拟分析结果，实施了以下控制技术：巷道断面采用锚网（索）支架，顶部打Φ17.8 mm ×6000 mm钢筋锚索，间排距 2000 mm × 3000 mm，顶部两端打 Φ20mm × 2200 mm锚索加固，锚索打设位置为距两帮 300 mm 处各布置一根。两帮各打Φ20 mm ×1800 mm钢筋锚索，间排距 1000 mm × 1000 mm。底角锚杆与帮成75°夹角向底板下扎，其余锚杆垂直巷道轮廓线布置。另外在煤巷底板进行注浆加厚，厚度200mm。

巷道断面图如下：

为了进一步检验煤巷支护效果，对煤巷断面相对位移进行观测。设置三个测量断面，分别采用十字交叉法设置监测点，在巷道底板位置设置两个监测点，利用经纬仪测量巷道底板隆起的位移值，然后分析得到巷道表面位移累计情况。

由巷道表面位移累计量可知，在监测的75天内，巷道底板、顶板、两帮的相对位移量整体呈现出先急剧上升，后平缓上升，最后趋于平衡的情况。相对位移的最大值在设计要求的合理范围内，说明采用上述控制技术是可行的，具有良好效果。

另外，施工集中回風巷、集中辅运巷时扩大巷道宽度，从原来的5m宽度扩大为5.4m。根据现场掘进实际情况，扩大巷道断面后（增加宽度），也缓解了巷道底鼓的问题，保证了后期辅助运输、及通风安全。

五、结语

综上所述，在煤矿生产中，深部巷道底鼓是经常遇到的问题。由于煤矿深部巷道岩石性质不同，因此本文对巷道底鼓的机理进行了分析。通过建立模型模拟煤巷围岩应力变化情况，探索了巷道底鼓控制措施。通过锚杆锚索支护技术和底板注浆加厚技术，扩大巷道宽度等技术措施，获得了良好的现场应用效果，为煤矿后期生产安全创建了有力条件。

参考文献：

[1]煤巷底鼓破坏特征及支护技术研究，张宇旭，王科，工矿自动化，2019（06）

[2]巷道底板软弱岩层底鼓治理技术研究，匡林，商品与质量，2019（7）