孫 亮

（霍州煤電集團云廈建筑工程有限公司白龍礦建分公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

隨著煤炭資源不斷向深部開采，導致巷道圍巖應力惡化，底鼓問題尤其突出，在受采動影響的情況下更為普遍和嚴重，因底鼓發(fā)生機理復雜，受力情況變化較大，影響因素較多，因此，需針對具體條件進行研究[1-2]。郭玉[3]采用FLAC3D模擬了巷道底板圍巖塑性區(qū)動態(tài)發(fā)展過程，優(yōu)化了巷道支護密度，保證了圍巖穩(wěn)定；王襄禹[4]針對近斷層采動巷道提出了非對稱支護技術，圍巖變形得到了有效控制?，F(xiàn)針對回坡底煤礦采動影響下巷道底鼓治理進行研究。

1 工程概況

回坡底煤礦位于山西省洪洞縣北西部和汾西縣西南部，礦井設計規(guī)模為1.20 Mt/a，全井田開采10、11 號煤層劃分為一個水平開采，水平標高+556 m?；仄碌酌旱V東一采區(qū)11-102 綜采工作面所采煤層為11 號煤，開采順序采用后退式順序進行回采。老頂為粉砂巖，厚度2.2～2.6 m，平均厚度2.5 m，f=6～10；直接頂為泥巖，厚度3.3～3.6 m，平均厚度3.5 m，；直接底為鋁質(zhì)泥巖，平均厚度2.5 m，f=4～6。10 號煤與11 號煤層間距為6~7 m。

根據(jù)11-1021 巷具體所處的位置，可得出圖1 的巷道空間位置剖面圖，從圖中可以看出，在10 號煤上方，存在著寬度范圍約為25 m 的區(qū)段保護煤柱，11-1021 巷與10 號煤的區(qū)段保護煤柱邊緣的錯距約為10 m。雖然11-1021 巷已處于10-102 工作面的采空區(qū)卸壓范圍，但區(qū)段煤柱成為了應力集中區(qū)域，在煤柱上方會形成側向的高支承壓力，煤柱必會對下方的巖層產(chǎn)生一定的高應力作用，且隨著與煤柱豎直方向距離越遠的位置，其應力作用影響較小，或者在煤柱下方的同一層位，水平方向距離煤柱越遠，受到的應力影響作用也越小。

圖1 11-1021 巷空間位置剖面圖

因此，10 號煤層存在的區(qū)段保護煤柱成為11-1021 工作面運輸巷圍巖穩(wěn)定性的重要影響因素，根據(jù)目前11-1021 工作面運輸巷的底板破碎情況與底板底鼓情況，推斷11-1021 巷處于煤柱產(chǎn)生的高應力影響區(qū)域，正是由于11-1021 巷處于煤柱產(chǎn)生的高應力影響區(qū)，所以該巷才會產(chǎn)生嚴重的底鼓現(xiàn)象，因此研究保護煤柱下方不同位置處的應力集中狀態(tài)具有重要的工程意義。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性研究

11-1021 巷上方的10 號煤10-102 工作面回采結束后，不僅使煤柱產(chǎn)生支承壓力，還會使底板產(chǎn)生一定的破壞范圍，因開采而引起的底板破壞范圍，可采用滑移線場理論進行分析。孤島煤柱所產(chǎn)生的底板滑移線場如圖2 所示。

圖2 孤島煤柱引起的底板滑移線場

由煤柱支承壓力產(chǎn)生的滑移線場，在水平方向上可根據(jù)應力場、速度場劃分為3 個區(qū)域其中圖2 中的1 區(qū)域為主動應力區(qū)，2 區(qū)域為過渡應力區(qū)，3 區(qū)域為被動應力區(qū)。3 個區(qū)域應力場的應力大小順序為1 區(qū)域＞2 區(qū)域＞3 區(qū)域，應力場的大小順序說明在孤島煤柱下方同一層位時，應力大小隨著與煤柱之間的距離增大而減小。也就是說，11-1021 巷若距離孤島工作面越遠，巷道圍巖穩(wěn)定性越好。但根據(jù)11-1021 巷目前所處的位置，很有可能處于滑移線場的范圍內(nèi)，因此導致11-1021 巷處于圍巖不穩(wěn)定狀態(tài)，從而產(chǎn)生嚴重的底鼓現(xiàn)象。

根據(jù)滑移線場理論，可知滑移線場下方的底板破壞深度公式為：

式中：φ為底板巖層內(nèi)摩擦角。

根據(jù)11-1021 巷底板巖層物理參數(shù)，可計算得底板破壞最大深度Dmax=14.4 m，已知11-1021 巷位于10 號煤層下方7m 處，說明11-1021 巷極有可能處于底板破壞范圍帶，因此，根據(jù)滑移線場性質(zhì)，得到圖3，從圖中可明顯看出，11-1021 巷處于滑移線場破壞帶范圍內(nèi)，這說明巷道圍巖穩(wěn)定性以及完整性會較差，在水平應力作用下，巷道底板容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，且巷道大部分面積區(qū)域在過渡應力區(qū)域，小部分處于被動應力區(qū)域，根據(jù)滑移線場的速度場關系，主動應力區(qū)域的速度為豎直向下；過渡應力區(qū)內(nèi)的速度方向則與滑移線的切線方向成φ的角度（圖中箭頭所示），即繞著A 點產(chǎn)生旋轉；被動應力區(qū)域速度方向也與滑移線的切線方向成φ的角度；因此，不難發(fā)現(xiàn)，11-1021 巷底板位移速度方向?qū)鐖D3 所示，底板速度傾斜向上，同時，距離煤柱越遠一側的底板位移速度更快，所以，11-1021 在10 號煤層孤島煤柱產(chǎn)生的滑移線場影響下，將會產(chǎn)生非對稱性的底鼓現(xiàn)象，如圖4 中的虛線所示，在遠離煤柱一側的底板位移量更大。

圖3 11-1021 巷底板與煤柱底板滑移線場位置關系

圖4 11-1021 巷底板速度場示意圖

3 巷道底板控制技術

3.1 底板卸壓與加固防治底鼓技術

根據(jù)上述研究理論表明，結合回坡底11-1021 巷發(fā)生底鼓現(xiàn)象呈現(xiàn)出的非對稱性，對比現(xiàn)場實際情況，參考底鼓防治卸壓槽原理以及鉆孔充填加固技術，擬在巷道底鼓關鍵部位采用鉆孔充填加固底板的底鼓治理方案。該方法其優(yōu)點在于相對卸壓槽技術而言，其工程量更小，經(jīng)濟上更節(jié)約成本。

針對11-1021 工作面運輸巷的底鼓現(xiàn)象，運用上述的底板鉆孔充填加固技術進行Flac3d 數(shù)值模擬驗證，各巖層物理參數(shù)根據(jù)實驗室力學實驗取得，所建立的模型大小為40.5 m×5 m×21.8 m（長×寬×高），模型底面、左右面、前后面均為固定邊界，頂面施加載荷10 MPa，側壓系數(shù)取為1。各巖層均選用摩爾庫倫模型。

該數(shù)值模擬采用5 種方案，一種為底板不采用任何支護技術的模擬方案，而另一種為采用了底板鉆孔充填加固技術的模擬方案，5 種方案前期均為地應力平衡，然后進行巷道開挖，不采用底鼓防治技術的方案直接再開挖之后繼續(xù)運算至平衡，而進行底板加固方案的巷道，在開挖完巷道之后需繼續(xù)在距離巷道兩幫 1m 處開挖直徑為 0.25 m、深度為 1、2、3、4、5 m 的底板鉆孔，每個鉆孔均注入與鉆孔深度相對應的漿料。另外，由于該模型寬度為5 m，所以在數(shù)值模擬模型中只開挖5 排鉆孔，鉆孔排間距為1 m×2.5 m。圖5 為底板開挖鉆孔分布圖。

圖5 底板鉆孔分布圖

另外，在模型中巷道寬度范圍內(nèi)的底板巖層中，進行單元豎直位移的監(jiān)測，通過比較6 種方案的底板位移量來直觀的看出最優(yōu)的鉆孔充填加固深度，以下為數(shù)值模擬結果的曲線。

圖6 不同鉆孔注漿深度與底鼓量關系

通過數(shù)值模擬結果可知，當巷道底板為裸露情況時，巷道底板最大底鼓量達到139 mm，產(chǎn)生的底鼓現(xiàn)象較為嚴重。而當對底板加固鉆孔進行底板加固后，巷道底鼓量均有所減小，且隨著充填深度的不斷加深，巷道底鼓量減小程度也有所不同，而在這其中，鉆孔充填加固深度為3 m 時，巷道底鼓量僅為54 mm，相對于鉆孔充填加固深度為1、2 m 時有較大程度的改善，底鼓減少量分別達到54%和44%。而在鉆孔充填加固深度為3 m 的基礎上繼續(xù)加大加固深度，此時，巷道底鼓減小程度不明顯，甚至可以忽略；因此3m 的鉆孔充填深度控制底鼓無論在經(jīng)濟上，還是在底鼓控制效果上，都是較為合理的選擇，該數(shù)值模擬結果與上述塑性區(qū)破壞深度范圍所得結果2.98 m 基本吻合。因此針對回坡底11-1021 巷的鉆孔注漿深度，可確定為3 m。

由于10 號煤層102 工作面采空區(qū)及其殘留煤柱的影響，回坡底煤礦11 號煤1021 巷道出現(xiàn)了嚴重底鼓現(xiàn)象。根據(jù)前面分析知，受10 號煤層殘留煤柱作用而產(chǎn)生的集中應力使得1021 巷道兩幫圍巖中的應力出現(xiàn)了非對稱分布特征，其中，靠近煤柱側巷幫及底板圍巖中的水平應力和垂直應力均大于另一側，由于兩側應力相差較大，低應力側對圍巖變形的阻礙作用較差，從而加速了高應力側對底板圍巖變形影響的活化作用。應力的非對稱分布也直接導致巷道底板圍巖的非對稱變形。

3.2 底鼓治理技術方案設計

針對皮帶側底板變形量較大并且圍巖較為破碎的現(xiàn)象，為達到更好的底鼓防治效果。回坡底煤礦采用一側巷道布置卸壓孔、另一側布置加固孔的技術方案。

由于1021 巷道與上覆煤層殘留煤柱的水平錯距為10 m，并且應力峰值點一般位于煤柱中心處或距離煤柱表面一定距離（取決于煤柱寬度），因此，若想對1021 巷道底板圍巖的垂直應力進行卸壓處理，在鉆孔水平布置的前提下，需要保證卸壓鉆孔長度大于10 m。在回采巷道內(nèi)施工長度大于10 m 的鉆孔難度較大，并且，長度越大鉆孔的穩(wěn)定性越差，成孔率越低，鉆孔失穩(wěn)或閉合后難以保證長期卸壓效果。基于上述考慮，沒有對1021 巷道底板圍巖的垂直應力進行卸壓處理。

通過工程經(jīng)驗確定加固方案技術參數(shù)：①加固孔直徑：該裝置中的充填加固部分可以增強該礦底板巖層物理力學強度，因此，基于加強底板物理力學強度的思想，在不影響礦井正常生產(chǎn)情況下，該防治裝備直徑越大，對于底板的加固效果越好，回坡底煤礦底板鉆孔機目前所能達到的最大鉆孔直徑為75 mm，因此加固孔直徑即定為75 mm；②加固孔深度為3 m，結合抗讓結合底鼓防治裝備原理，將加固孔垂直深度定為3.5 m，充填加固部位定為鉆孔中部，裝置上、下各留25 mm 的水平變形空間，從而達到“抗讓結合”的效果；③加固孔排距：加固孔排距越小，對底板充填加固效果更好，其加固間排距設計原理與錨桿支護底板設計原理相同，同時考慮到最大化減小底板加固成本，將底板加固孔排距與1021 巷頂板支護排距設為相同，即排距設定為1m。

對1021 巷道進行卸壓和加固處理后，可有效改變底板應力傳播路徑，如圖7 所示。卸壓孔的存在可以將煤柱側底板圍巖中較高的水平應力轉移到更深部巖層中，靠皮帶側底板圍巖加固可以阻隔高應力對該區(qū)域底板的破壞。

圖7 防治前后底板圍巖應力路徑對比

4 現(xiàn)場應用

為了驗證本項目所提方案的底鼓防治效果，在1021 巷道部分區(qū)段進行了現(xiàn)場應用。在巷道內(nèi)共設置了4 個圍巖表面位移觀測站，觀測了回采期間和非回采期間采用本項目措施后的巷道底板變形情況，并將受采動影響和不受采動影響2 種條件下采用底鼓防治措施和不采用底鼓防治措施的監(jiān)測結果進行對比。分析數(shù)據(jù)可知當巷道不受采動影響時，與未經(jīng)過底鼓防治處理段巷道相比，防治段巷道底板變形量大幅減小，并且20 d 后防治段巷道底板變形速度減緩，變形趨于穩(wěn)定，而未經(jīng)防治處理段巷道變形量持續(xù)增加，變形速度近似恒定；當巷道受到采動影響時，防治段巷道與未經(jīng)過底鼓防治處理段巷道相比底板變形量較小。

5 結束語

針對回坡底煤礦1021 巷道巷道受煤柱應力傳遞影響出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象等問題，采用理論分析和數(shù)值模擬研究了巷道圍巖受力情況，并針對性采取了底鼓防治措施。

1）采用滑移線場理論分析得到距離煤柱越遠一側的底板位移速度更快，所以巷道底板將會產(chǎn)生非對稱性的底鼓現(xiàn)象。

2）采用數(shù)值模擬模擬了底板鉆孔充填加固不同深度5 個方案，確定加固深度為3 m 效果最好，確定了具體的底鼓防治方案參數(shù)。

3）進行了現(xiàn)場應用，得到在此方案下可以有效降低巷道的底鼓變形量，保證巷道安全穩(wěn)定。