王寶童

(山西晉城興唐煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

針對煤礦回采巷道軟弱底板變形嚴重、底鼓明顯的控制難題，許多專家學者做了大量研究，并取得了一定成果[1-5]。本文以晉煤集團古書院礦1533052綜采工作面回采巷道為研究對象，針對其巷道底板泥巖屬性，從吸水、采動、支護三個方面分析了底板底鼓變形的原因，提出了巷道優(yōu)化支護方案，并用數(shù)值模擬的方法分別模擬了在優(yōu)化方案與原方案支護條件下，巷道底板垂直位移及垂直應力的變化特征，同時經現(xiàn)場試驗，驗證了優(yōu)化方案的合理性與適用性。

1 工程概況

晉煤集團古書院礦1533052工作面回風巷，位于1533042巷(已掘)以西，15號煤三盤區(qū)膠帶巷、軌道巷、回風巷(已掘)以北，西翼進風立井以南，沿15號煤層頂板掘進，15號煤層平均厚度為1.9 m，黑色，半亮型煤，似金屬光澤，煤層中含有1～2層不穩(wěn)定夾矸，煤層層理分明，節(jié)理發(fā)育，地質構造簡單，煤層直接頂為K1灰?guī)r，老頂為細粒砂巖，直接底為泥巖，頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。巷道設計長度990.709 m，方位19°43′28″，上方9號煤無采空區(qū)，為實體煤。

表1 頂?shù)装鍘r性特征

1533052回風巷斷面為矩形，寬4.5 m，高2.65 m，支護方式如圖1，頂板采用D22 mm×2 400 mm左旋螺紋錨桿(間排距800 mm×900 mm，靠幫兩根向外傾斜15°，其余垂直布置)+D22 mm×8 300 mm高強鋼絞線錨索(1-2-1布置，間排距2 100 mm×900 mm，均垂直布置)+D16 mm圓鋼焊接的梯子梁；巷幫采用D22 mm×2 400 mm左旋螺紋錨桿(間排距750 mm×900 mm，頂角錨桿向上傾斜10°，底角錨桿向下傾斜10°，其余水平布置)；采用全斷面焊接鋼絲網片協(xié)同支護，網片規(guī)格為4 500 mm×1 000 mm，網孔規(guī)格40 mm×40 mm，相鄰搭接長度100 mm。巷道在掘進支護完成后隨著工作面的回采，出現(xiàn)了不同程度的底鼓和破壞現(xiàn)象。

圖1 1533052回風巷支護示意

2 底板破壞原因分析

2.1 底板吸水破壞

由于回采巷道直接底為泥巖層，經X射線衍射圖譜分析得出，其成分主要由高嶺石、伊利石、伊蒙混層組成，各成分含量分別為66.7%、15.4%、14.1%。通過泥巖吸水-風干試驗，得出泥巖吸水量及抗壓強度隨時間變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 泥巖吸水后抗壓強度變化曲線

由圖2可知，泥巖吸水量在前20 h內上升極快；20～80 h內上升明顯，但吸水速率逐漸降低直至趨近于0；80 h后吸水量幾乎無變化。而抗壓強度隨吸水時間增加呈下降趨勢，吸水120 h過程中，泥巖抗壓強度由原先的24.6 MPa降低至9.6 MPa，降低了約60.98%。由此表明，1533052回風巷泥巖底板吸水性較強，易吸水膨脹。

由于頂板砂巖層有含水層存在及頂板淺部圍巖裂隙發(fā)育易形成導水通道，在回風巷掘進過程中底板揭出后，底板易受頂板水的滲透發(fā)生吸水-風干-崩解的破壞過程，這將直接導致其抗剪、抗壓強度衰減，內聚力降低，最終發(fā)生變形，威脅巷道穩(wěn)定。

2.2 回采采動影響

通過在回風巷超前工作面煤壁100 m處布置測站，對回風巷在采動影響下的底鼓變形量進行持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖3所示。可見，巷道底板變形隨采動影響變化明顯，在工作面距測點100～50 m的過程中，底鼓增長量變化緩慢；50～25 m過程中，底鼓變化明顯增加，工作面推進至距測點25 m時累積底鼓量為316 mm；在25～0 m的過程中，底鼓變形增長率不斷加大，巷道受采動影響劇烈，最大底鼓量達到677 mm，相對回風巷斷面凈高2.65 m而言，其變形量較大，給巷道穩(wěn)定帶來了一定隱患。

圖3 巷道底鼓量隨回采工作面推進變化曲線

2.3 底板無支護

針對1533052回風巷泥巖底板強度低、遇水膨脹的性質，其在高應力及采動影響下的穩(wěn)定性較差，是巷道保持穩(wěn)定需加強支護的地方，但原支護方案中并未采取有關加固措施進行控制。

綜上所述，1533052回風巷是由于其底板泥巖性質、支護方式、應力擾動等多個因素引起的底鼓破壞，屬復合型巷道底鼓類型，主要變形特征為擠壓型底鼓變形。

3 優(yōu)化支護方案

3.1 優(yōu)化支護方案提出

針對1533052回風巷底板破壞、底鼓嚴重、下幫角活動較大的問題，提出巷道錨網索優(yōu)化支護方案：即在原巷道支護方案基礎上，增加底板錨桿支護，錨桿長度1.8 m，垂直底板布置，間排距為1 000 mm×1 000 mm，考慮到底板的泥巖屬性，支護完成后進行噴漿封底，噴漿厚度80 mm。

3.2 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)1533052回風巷實際地質條件，建立30 m×20 m×15 m模型，限制垂直水平方向位移，上邊界施加覆巖載荷，采用Mohr-Coulomb本構模型進行計算，分別模擬巷道在原支護條件下與優(yōu)化支護條件下的開挖-支護-變形監(jiān)測過程。本文重點對底板垂直方向上的位移及應力進行分析。

3.2.1 垂直位移分析

如圖4(a)，原方案支護巷道時，巷道底鼓現(xiàn)象明顯，底板垂直位移較大，其中底板淺部最大位移達到450 mm，且變形延續(xù)范圍較廣；反觀圖4 (b)，采用優(yōu)化支護方案后，巷道底板整體垂直位移較小，最大垂直位移分布在底板淺處，為150 mm，較原支護時降低了66.7%，且此時底板垂直位移分布較為疏散，隨著底板深度的增加，垂直位移降低明顯。由此表明，采用優(yōu)化支護方案后，底板底鼓量得到了有效控制。

圖4 垂直位移分布特征

3.2.2 垂直應力分析

如圖5(a)，原方案支護巷道時，圍巖最大垂直應力為26 MPa，應力集中主要出現(xiàn)在巷道兩肩部，而底板處的垂直應力值較小，大概在底板深5 m處應力為10 MPa，表明巷道在此支護條件下底板強度較低。反觀圖5(b)，在采用優(yōu)化支護方案后，巷道兩幫圍巖垂直應力明顯增加，應力區(qū)范圍擴大；同時，巷道底板下部圍巖應力變化較大，如底板下部深4 m處垂直應力值達到了12 MPa，較原支護方案有顯然提升；由此表明，優(yōu)化支護方案可有效改善巷道底板強度不足、不穩(wěn)定、易鼓起的問題。

圖5 垂直應力分布特征

4 現(xiàn)場試驗

為檢驗優(yōu)化支護方案對巷道底板的治理效果，在1533052回風巷選取超前回采面煤壁150 m區(qū)段作為試驗段巷道，采用優(yōu)化方案(底板錨桿+噴漿支護)進行支護后，并進行巷道底鼓量監(jiān)測，結果如圖6所示。

圖6 巷道底鼓量監(jiān)測變化曲線

由圖6可見，試驗段巷道在采用底板錨桿+噴漿優(yōu)化支護后，底板鼓起量整體變化范圍較小，在回采工作面推進至與巷道測點重合時，累積底鼓量達到最大值160 mm，較未采用優(yōu)化方案前降低了76.37%，說明優(yōu)化支護方案對底鼓的治理效果明顯。

5 結 語

1) 底板泥巖吸水量在20～80 h內上升明顯，80 h后基本達到飽和，其抗壓強度隨吸水時間增加呈下降趨勢，120 h內由24.6 MPa降低至9.6 MPa，降低了約60.98%；

2) 巷道底板變形隨采動影響變化明顯，尤其在工作面推進至距監(jiān)測點小于25 m后，巷道底鼓變形劇烈；

3) 增加底板加固后，巷道底板垂直位移降低了66.7%，同時，底板垂直應力分布得到明顯改善；巷道累積底鼓量最大值僅為160 mm，較原方案降低了76.37%，底鼓治理效果明顯。