袁慶盟　袁慶帥　張勝功

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院；2.兗礦集團(tuán)鮑店煤礦)

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底板錨桿防控底鼓技術(shù)在沿空留巷中的應(yīng)用

袁慶盟1袁慶帥2張勝功2

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院；2.兗礦集團(tuán)鮑店煤礦)

針對沿空留巷復(fù)用時經(jīng)常出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，分析了沿空巷道底板巖層的運(yùn)動情況，給出了各階段底鼓量的構(gòu)成、最大破壞深度及其位置。以底板錨桿加固法為例，討論了錨桿在防控底鼓方面的作用機(jī)理，并結(jié)合實(shí)踐計算出建議的錨桿長度，供相關(guān)應(yīng)用參考。

沿空留巷底板錨桿底鼓防控

自20 世紀(jì)50年代以來，沿空留巷技術(shù)一直是我國煤炭開采技術(shù)的重要發(fā)展方向[1]。沿空留巷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無煤柱開采，有效減少掘進(jìn)量、緩解采掘接替緊張、減少搬家時間，實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)、取消孤島工作面、提高煤炭采出率，對于延長礦井服務(wù)年限具有重要意義[2]。沿空留巷經(jīng)受二次采動影響，其礦壓規(guī)律和巷道維護(hù)均較復(fù)雜。幾乎所有沿空留巷均出現(xiàn)不同程度的底鼓現(xiàn)象，隨著采深的增加和巷道斷面的加大，底鼓現(xiàn)象越來越突出。小于 200mm的底鼓對巷道的穩(wěn)定性、巷道運(yùn)輸和通風(fēng)等影響較小，無需采取專門的防治措施。當(dāng)?shù)坠牧枯^大時易導(dǎo)致巷道失穩(wěn)，影響運(yùn)輸和行人、妨礙通風(fēng)。強(qiáng)烈的巷道底鼓不僅增加維修工作和維護(hù)費(fèi)用，還嚴(yán)重影響了采煤工作面的安全高效生產(chǎn)[3]。沿空巷道的力學(xué)環(huán)境與普通回采巷道有所區(qū)別，巷道一幫為已進(jìn)入塑性狀態(tài)的實(shí)體煤壁，另一幫為巷旁支護(hù)體。為有效控制沿空留巷巷道底鼓，國內(nèi)外許多專家學(xué)者基于底鼓力學(xué)機(jī)理提出諸多防控和治理方法[4-9]，主要有加固法、泄壓法和聯(lián)合法等。其中，加固法尤其是底板錨桿加固具有降低巷道支護(hù)成本、減輕工人勞動強(qiáng)度、簡化支護(hù)工藝等明顯優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較廣泛。本研究以加固法為例，著重探討了采用底板錨桿防控沿空留巷底鼓的技術(shù)。

1　沿空留巷底板巖層運(yùn)動

在長壁工作面開切眼附近，煤層底板處于下降或泄壓狀態(tài)，巖體處于膨脹變形階段。工作面開采期間和停采后，底板巖層按應(yīng)力狀態(tài)和變形不同[10]，分為底板壓縮區(qū)Ⅳ、底板不均勻隆起區(qū)Ⅴ和底板均勻隆起區(qū)Ⅵ。如圖1所示。

在工作面前方支承壓力作用下，煤壁前方的煤層底板承受KγH的鉛垂應(yīng)力，呈三向受力狀態(tài)，以壓縮變形為主。隨著工作面推進(jìn)，工作面控頂范圍內(nèi)煤層底板承受的鉛垂應(yīng)力幾乎接近于零，進(jìn)入采空區(qū)的煤層底板承受的鉛垂應(yīng)力至多恢復(fù)到γH。

圖1　煤層底板應(yīng)力及變形區(qū)域

長壁工作面控頂范圍內(nèi)的煤層底板呈膨脹變形狀態(tài)，向上隆起出現(xiàn)底鼓，底板巖層中將出現(xiàn)順巖層層理裂隙。

在支承壓力作用下，從工作面煤壁到采空區(qū)一定距離和一定深度范圍內(nèi)的底板中出現(xiàn)水平拉應(yīng)力，在壓縮區(qū)和隆起區(qū)，分界處的底板中出現(xiàn)剪應(yīng)力，拉應(yīng)力和剪應(yīng)力使底板出現(xiàn)一系列垂直于層面的裂隙，垂直斷裂和順層斷裂交叉，形成底板破壞帶。底板巖層出現(xiàn)的破壞形式及區(qū)域見圖2。

圖2　底板巖層破壞區(qū)域分布

2　底鼓量構(gòu)成分析

2.1彈性階段的底鼓量

彈塑性變形引起的底鼓量可以把原巷道看作圓形巷道來探討[11-18]。當(dāng)圍巖處于彈性變形階段時，可把巷道看作彈性厚壁筒內(nèi)壁，原巖應(yīng)力p作用于無窮遠(yuǎn)處，支護(hù)壓力(-p1)作用于內(nèi)半徑周邊(負(fù)號表示支護(hù)壓力的作用方向指向圓心)。假設(shè)原巖應(yīng)力處于靜水壓力狀態(tài)，采用彈性力學(xué)方法可求得內(nèi)壁的徑向位移u1。

巷道內(nèi)壁徑向和切向的正應(yīng)力分別為

(1)

式中,a為彈性厚壁筒內(nèi)徑，m；μ為泊松比。

令a=r，減去巷道在原巖應(yīng)力p作用下產(chǎn)生的位移，可得內(nèi)壁徑向位移u1為

(2)

或

(3)

在巷道開掘后，在支護(hù)壓力p1的作用下，圍巖的切向應(yīng)力值σθ和徑向應(yīng)力值σr為

(4)

由上式可知，周邊處圍巖應(yīng)力增量的絕對值大小相等，即(p-p1)，但其增量的方向不同，切向應(yīng)力增大，徑向應(yīng)力減小。由此可知，圍巖變形形式為切向壓縮、徑向伸張，這個階段即為彈性階段，底鼓量大小為u1。

事實(shí)上，巷道在彈性階段的位移量很小，相對應(yīng)的底鼓量也很小。

2.2塑性階段的底鼓量

在彈性區(qū)與塑性區(qū)交界處，圍巖位移同時滿足彈性條件和塑性條件，此時r=R。塑性階段巷道底鼓量u2仍可采用彈性階段徑向位移式(3)求出

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，σR為彈塑性區(qū)交界處的徑向應(yīng)力，Pa；R為彈塑性區(qū)交界處到圓心的距離，m；G為圍巖切變模量，又稱為剛性模量，Pa。

σR和R可用微元法和莫爾-庫倫強(qiáng)度曲線求得。

將式(6)、式(7)代入式(5)，得表達(dá)式：

(9)

(10)

(11)

式中，σc為單軸抗壓強(qiáng)度，Pa；C為巖石內(nèi)聚力，Pa；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，(°)；ζ為塑性區(qū)巖石的塑性系數(shù)。

2.3回采過程中的底鼓

煤炭采出底板分為煤體下和采空區(qū)下兩部分，前者需承受的垂直壓力遠(yuǎn)大于后者，底板的支撐壓力而造成的底板破壞深度可用圖3表示，底板破壞時沿ACED曲線滑動[19]。

圖3　支承壓力對底板的破壞深度

(12)

令其對α的一階導(dǎo)數(shù)為0，即求得最大破壞深度OH：

(13)

最大破壞深度距煤幫的間距為

(14)

式中，r為從極點(diǎn)B到ΔABC內(nèi)任一點(diǎn)的連線距離，m；r0為起始半徑，r0=AC=BC，m；α為r與r0夾角，弧度；φ為內(nèi)摩擦角，弧度；L為極限平衡區(qū)長度,m。

圖3為工作面前方底板破壞情況，工作面前方煤壁和順槽實(shí)體煤一側(cè)均出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)(也稱煤體內(nèi)極限平衡區(qū))，其分布區(qū)域?yàn)閳D3中的AB段，長度為L，即

(15)

式中，M為煤層厚度，m；f為煤層摩擦系數(shù)，f=tanφ；K為應(yīng)力集中系數(shù)，一般取2～6；γ為上覆巖層容重，kN/m3；H為煤層埋深，m。

3　底板錨桿防控機(jī)理

由于煤體強(qiáng)度低于頂?shù)装鍘r層，在巷道開掘后，兩幫和底角在應(yīng)力集中的作用下最先出現(xiàn)塑性變形。隨著塑性區(qū)的發(fā)展，巷道穩(wěn)定后，兩幫和底角處的塑性變形、黏性流動和體積膨脹造成的變形量較大。所以，為控制塑性區(qū)的發(fā)展，可加強(qiáng)兩幫和底角的支護(hù)強(qiáng)度。

底板錨桿的作用主要表現(xiàn)為：①加強(qiáng)底板巖層的完整性，組成組合巖梁，其極限抗彎強(qiáng)度要大于巖層，從而抑制巷道底板巖層泄壓狀態(tài)時的向上鼓起現(xiàn)象；②抑制煤層采空區(qū)側(cè)下方底板巖層主動應(yīng)力區(qū)的滑移，降低過渡區(qū)和被動應(yīng)力區(qū)的塑性發(fā)展過程，以此可有效降低底板巖層在泄壓膨脹時期的擴(kuò)容量，減緩底板巖層鼓起時間。

煤層及上覆巖層對底板的壓力傳遞方式為靜水壓力，在底板巖層出現(xiàn)主動應(yīng)力區(qū)、過渡應(yīng)力區(qū)、被動應(yīng)力區(qū)3個區(qū)域，這一規(guī)律在掘巷和回采期間都普遍適用，如圖4所示。巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)對底板的壓力可簡化為條形載荷，巷道底板兩側(cè)相當(dāng)于承受條形均勻載荷的地基，可采用普朗特爾原理進(jìn)行分析。

圖4　巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)

由上述條件，結(jié)合普朗特爾原理[21]，可得底板承受的極限承載力為

(16)

(17)

式中，Nc為承載力系數(shù)。

在BC、DF方向布置底角錨桿，主動應(yīng)力區(qū)ΔABC和ΔDEF范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力必須克服錨桿的摩擦阻力方可移動，當(dāng)摩擦阻力p不小于底板的極限承載能力pu時，底板不會達(dá)到極限平衡狀態(tài)，此時不會發(fā)生底鼓；當(dāng)p

對于主動應(yīng)力區(qū)ΔABC，其滑移線為兩組，平行于AC的α線和平行于BC的β線，實(shí)際上是塑性變形區(qū)內(nèi)最大剪切應(yīng)力的軌跡線，顯然，當(dāng)此區(qū)域破裂時產(chǎn)生的裂紋便是α線和β線。

巷道底角處的彎矩絕對值最大，也是最易破裂的位置，在未支護(hù)或支護(hù)強(qiáng)度較小的情況下容易產(chǎn)生斷裂線，斷裂線即為進(jìn)入塑性狀態(tài)后的破壞區(qū)域。隨著工作面向前推進(jìn)，微觀裂隙貫通發(fā)展為細(xì)觀破壞，進(jìn)而導(dǎo)致宏觀上的底板變形。底角錨桿沿BC、DF方向布置可有效增強(qiáng)主動區(qū)的完整程度和抗壓強(qiáng)度，使底板極限承載能力pu大為增強(qiáng)，控制塑性發(fā)展過程，抑制底鼓現(xiàn)象。即便底角錨桿失效(即p

底角錨桿的長度需滿足末端錨固位置位于穩(wěn)固巖層的要求，若沿BC、DF布置，錨桿最小長度即為r0，煤礦施工中，為施工方便，角度一般取45°，此時需要的錨桿最小長度l′需滿足正弦定理：

(18)

得

(19)

建議錨桿長度l為

(20)

式中，l0為錨桿外露長度，一般為0.1m；l1為錨入穩(wěn)定巖層的深度，根據(jù)各自經(jīng)驗(yàn)取值。

綜上，底角錨桿控制底鼓的機(jī)理主要為增強(qiáng)主動區(qū)的完整性和最大切應(yīng)力，消除和降低底板巖層的鼓入量，尤其是對于擠壓流動性底鼓效果更為顯著。

4　結(jié)　論

(1)工作面開采期間和停采后，底板巖層分為底板壓縮區(qū)、底板不均勻隆起區(qū)和底板均勻隆起區(qū)?？仨敺秶鷥?nèi)的煤層底板向上隆起出現(xiàn)底鼓，底板巖層中將出現(xiàn)順巖層層理的裂隙。

(2)沿空巷道的底鼓構(gòu)成量主要包括彈性形變和塑性形變，其中彈性變形量很小，可以忽略；在采動應(yīng)力影響下，工作面底板存在可計算的最大破壞深度。

(3)加強(qiáng)巷內(nèi)尤其是底角的支護(hù)強(qiáng)度可控制塑性區(qū)的發(fā)展。底板錨桿可增強(qiáng)主動區(qū)的完整性和抗剪強(qiáng)度，通過加強(qiáng)底板巖層的完整性和減緩底板巖層鼓起時間使底鼓得以防控。

(4)底角錨桿的長度需滿足末端錨固位置位于穩(wěn)固巖層的要求，本文從工程角度給出了建議的錨桿長度。

[1]華心祝,盧小雨,李迎富.深井大斷面沿空留巷底鼓防控技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技,2013,41(9)：100-104.

[2]袁慶盟，賈傳洋，閆明舉．Y型通風(fēng)節(jié)能方式風(fēng)量分配與調(diào)節(jié)的探討 [J]．資源節(jié)約與環(huán)保，2013(12)：39.

[3]M.JI. 茲包爾什奇克.巷道底板巖層突然隆起及其防治措施[J].吉林煤炭科技,1981(4)：67-70.

[4]王亮亮,琚朝旭,井歡慶,等.軟巖巷道底鼓的機(jī)理與控制探討[J].科技信息,2010(12)：134-135.

[5]陳剛,孫廣義,王瓊.深部巷道底鼓控制技術(shù)研究[J].礦冶,2013(4):5-8.

[6]張輝,康紅普,徐佑林.深井巷道底板預(yù)應(yīng)力錨索快速加固技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013(4):16-19.

[7]耿學(xué)良.五陽礦厚煤層巷道底鼓機(jī)制及控制研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué),2012.

[8]李成才,楊團(tuán)輝.巷道底鼓的成因及其防治措施[J].煤炭技術(shù),2012(11):63-64.

[9]趙偉,許珂,蘭永偉.巷道底鼓的防治[J].煤炭技術(shù),2007(9):87-88.

[10]杜計平,汪理全.煤礦特殊開采方法[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2013.

[11]于小鴿.采場損傷底板破壞深度研究 [D].青島：山東科技大學(xué),2011.

[12]趙明強(qiáng).深井大斷面沿空留巷圍巖控制機(jī)理研究[D].淮南：安徽理工大學(xué),2008.

[13]井歡慶.受動壓影響的頂板巷道底鼓機(jī)理與控制技術(shù)研究[D].淮南：安徽理工大學(xué),2011.

[14]郭正寶.沿空動壓巷道圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)技術(shù)研究 [D].青島：山東科技大學(xué),2011.

[15]謝和平.巖石力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2004.

[16]李沖,李德忠.軟巖回采巷道底鼓的機(jī)理和防治[J].煤礦安全,2006(6)：27-29.

[17]伍永平.“頂板-支護(hù)-底板”系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性控制模式[J].煤炭學(xué)報,2007,32(4):341-346.

[18]魏學(xué)松.臥龍湖礦沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2008.

[19]錢鳴高,石平五,徐家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[20]單鳳錢,李世新,張益東.回采巷道錨桿支護(hù)機(jī)理分析[J].礦山壓力與頂板管理,2000(4):42-44.

[21]李明宇.深基坑隆起穩(wěn)定性的模糊可靠度參數(shù)分析[J].路基工程,2011(5):33-35.

ApplicationoftheFloorHeavePreventionandControllingTechniquebyFloorAnchorinGob-sideEntryRetaining

YuanQingmeng1YuanQingshuai2ZhangShenggong2

(1.SchoolofCivilEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity;2.BaodianCoalMine,YankuangGroupCo.,Ltd.)

Theroadwayheaveisusuallyappearredduringthesecondlyusinggob-sideentryretaining,themovementcharacteristicsofthefloorstrataofgob-sideentryregaining,theamountoftheroadwayheaveindifferentstages,themaximumdamagedepthandlocationareanalyzedindetail.Takingtheroadwayflooranchorreinforcementmethodastheresearchexample,themechanismofroadwayheavepreventionandcontrollingbyusinganchorisdiscussed,combingwiththeactualapplicationresults,thereasonableanchorlengthisgiventoprovidereferenceforsomerelativeapplication.

Gob-sideentryretaining,Flooranchor,Preventionandcontrollingoffloorheave

2015-12-21)

袁慶盟(1988—)，男，博士研究生，266033 山東省青島市市北區(qū)撫順路11號。