甄向宇

（霍州煤電宏大隆博煤業(yè)，山西 臨汾 042101）

隨著煤礦開采深度的不斷加大，巷道圍巖逐漸呈現(xiàn)高應(yīng)力狀態(tài)。部分煤礦工作面底板巖性較軟，在高應(yīng)力作用下極易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，嚴(yán)重影響巷道的正常使用[1-2]。在底鼓防治技術(shù)中，常見的加固法存在成本過高及工程難度大的問題，而卸壓法雖能降低底板的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但頂板和兩幫移近量仍然很大[3-4]。為此，以隆博煤礦2-5012順槽為例，結(jié)合卸壓法和加固法兩種方法對底鼓進(jìn)行綜合治理，現(xiàn)場取得較好的效果。

1 工程概況

隆博煤礦地處山西省鄉(xiāng)寧縣內(nèi)，井田面積約為8.14 km2。2-501工作面位于井田中西部，地表井溝村的范圍內(nèi)。2-501工作面西部為井田邊界，北部靠近2#下8507工作面，南部為2-503工作面，東部為2#下三條開拓大巷，如圖1所示。開采煤層為2#下煤層，煤層結(jié)構(gòu)相對簡單，煤層厚度為3.2～3.6 m，平均厚度3.4 m，其中含兩層夾矸。煤體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，煤層傾角0°～8°，平均傾角4°，煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

圖1 2-501工作面布置

表1 頂?shù)装鍘r性特征

2-501工作面采用走向長臂后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，回采期間2-5012順槽持續(xù)受到采動影響，在超前支護(hù)段出現(xiàn)嚴(yán)重底鼓，并且兩幫變形嚴(yán)重，影響了順槽的正常使用。

2 順槽底鼓機(jī)理研究及影響因素

2.1 順槽底鼓機(jī)理

隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，頂板支撐壓力逐漸增大并作用于巷道兩幫，致使巷道回采側(cè)煤壁下部煤層發(fā)生壓縮下沉，采空區(qū)側(cè)煤柱上升，且回采側(cè)煤壁下部煤層膨脹向巷道內(nèi)移動，與頂?shù)装逯苯赢a(chǎn)生剪切應(yīng)力，形成了二次水平應(yīng)力，引發(fā)巷道底板產(chǎn)生皺曲變形，形成層間離層。隨著變形影響的進(jìn)一步疊加，導(dǎo)致巖層發(fā)生失穩(wěn)破壞，底板破壞產(chǎn)生大量碎屑巖塊，進(jìn)而發(fā)生巷道底鼓現(xiàn)象[1-2]，如圖2所示。

圖2 支承壓力對回采巷道底鼓影響

2.2 順槽底鼓的主要因素

（1）巷道埋深

2-5012順槽埋深約為600 m，在上覆荷載的作用下，導(dǎo)致順槽處地層壓力明顯，且底板巖層地應(yīng)力較大，再加之底板為軟巖類型，容易使無支護(hù)狀態(tài)的底板產(chǎn)生嚴(yán)重變形底鼓現(xiàn)象[5]。

（2）采場支承壓力

順槽巷道沿空掘進(jìn)，在掘進(jìn)期間和工作面推進(jìn)過程中都容易發(fā)生嚴(yán)重底鼓，同時(shí)巷道靠近采空區(qū)時(shí)，一側(cè)為小煤柱，另一側(cè)為采填墻，由于應(yīng)力集中的情況也可能導(dǎo)致小煤柱破壞嚴(yán)重。

（3）底板巖性松軟

2-5012順槽底板3 m范圍內(nèi)為灰黑色、灰色的泥巖，分布有較發(fā)育的水平層理結(jié)構(gòu)，巖性松軟，強(qiáng)度較低，頂板淋水經(jīng)常導(dǎo)致泥巖表層結(jié)構(gòu)變形。在采動影響和集中應(yīng)力作用下巷道底部易出現(xiàn)大面積巖層變形破壞，且破壞深度都較深，故發(fā)生底鼓時(shí)往往都很嚴(yán)重，返修巷道時(shí)經(jīng)常造成工作面短暫停產(chǎn)。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 2-5012順槽支護(hù)方案

順槽斷面直墻矩形，設(shè)計(jì)巷道凈寬為4.3 m，巷道凈高為3.5 m。巷道采用錨網(wǎng)（索）+W鋼帶聯(lián)合支護(hù)，頂錨桿選用型號為φ20 mm×2 500 mm的高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，頂幫錨桿均配合4 mm厚的W鋼帶+長×寬×厚=120 mm×120 mm×10 mm壓制蝶形托盤+調(diào)心球墊+減磨墊片+螺母支護(hù)；幫錨桿選用型號為φ20 mm×2 000 mm的高強(qiáng)左旋全螺紋錨桿進(jìn)行支護(hù)。頂W鋼帶規(guī)格：4 400 mm×220 mm×4 mm、幫W鋼帶規(guī)格：3 700 mm×220×4 mm。巷道頂部每排設(shè)計(jì)錨桿數(shù)為5個(gè)，兩排錨桿之間的平均距離設(shè)計(jì)為800 mm×1 000 mm，幫部每幫每排設(shè)計(jì)錨桿數(shù)為5個(gè)，兩排錨桿之間的平均距離設(shè)計(jì)為500 mm×1 000 mm。所有錨桿均選擇CK2340樹脂錨固劑和K2360樹脂錨固劑，每根錨桿各分配一個(gè)，錨桿、W鋼帶均垂直于巷幫布置，如圖3所示。

圖3 順槽斷面支護(hù)

3.2 順槽底板變形模擬分析

為探究隆博煤礦2-5012順槽超前段底板變形底鼓的機(jī)理，選擇FLAC3D有限元模擬分析軟件[6-7]，針對隆博煤礦2-501工作面的地質(zhì)參數(shù)構(gòu)建三維數(shù)值計(jì)算模型，幾何模型設(shè)計(jì)長度為25 m，寬度為25 m，高度為22.73 m，順槽斷面為直墻矩形結(jié)構(gòu)，寬度4.3 m，直墻高3.5 m，煤巖破壞準(zhǔn)則選用摩爾—庫倫理想彈塑性模型。施加邊界條件分別約束模型的水平邊界和底部邊界。在模型頂部施加垂直載荷用于模型煤層所處的地層環(huán)境，選擇巖層平均密度為2 200 kg/m3，重力加速度為9.8 m/s2，則等效荷載為12.94 MPa。數(shù)值模型的模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)值模型及圍巖垂直位移云圖

通過模擬分析，得到無支護(hù)條件下順槽底板的最大位移量為800 mm，頂板的最大位移量為500 mm。而有支護(hù)條件下順槽的底板最大位移量700 mm，頂板的最大位移量為340 mm。有支護(hù)相比較無支護(hù)情況下，底板位移量降低了12.5%，頂板位移量降低了30%。說明錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)對頂板的控制效果明顯，而對底板控制效果則還不夠，底鼓量依然較高。因此，還需要設(shè)計(jì)新的支護(hù)方案達(dá)到加強(qiáng)支護(hù)的目的，才能從根本上解決順槽底鼓問題。

3.3 順槽底鼓控制技術(shù)

參考相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)2-5012順槽的實(shí)際情況，提出三種控制順槽巷道底鼓技術(shù)方案，即底板卸壓措施、注漿加固措施和聯(lián)合支護(hù)措施。

方案一：底板卸壓措施一般是從底板發(fā)生底鼓的區(qū)域圈定出一個(gè)局部范圍進(jìn)行臥底處理，分段留設(shè)一定深度的泄壓槽，設(shè)計(jì)2-5012順槽臥底和留卸壓槽的深度為0.8 m。

方案二：注漿加固措施一般是在煤礦就地取材，通過粉煤灰、水泥和石膏等制成水泥漿液并注入底板內(nèi)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)底板泥巖的物理性能，設(shè)計(jì)布置4個(gè)注漿鉆孔實(shí)施注漿加固。

方案三：聯(lián)合支護(hù)措施則是考慮工程施工難度、成本等問題有效結(jié)合兩種方法，達(dá)到卸壓和增強(qiáng)巖層巖性的目的，設(shè)計(jì)卸壓槽的深度變?yōu)?.5 m，注漿量較方案二減少20%。

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件獲得不同支護(hù)條件下順槽巷道的垂直位移云圖，如圖5所示。

圖5 不同支護(hù)方案下底板垂直位移云圖

分析圖5結(jié)果可知，方案一中底板最大移近量為450 mm，相比原支護(hù)方案底板位移量降低了35.71%；方案二中底板最大移近量為250 mm，相比原支護(hù)方案底板位移量降低了64.29%；方案三中底板最大移近量為150 mm，相比原支護(hù)方案底板位移量降低了78.57%。綜上所述，聯(lián)合使用底板卸壓措施和底板注漿措施的控制效果最好，能最大程度減少2-5012順槽發(fā)生底鼓的變形量，有利于順槽巷道的正常使用。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

在2-5012順槽底鼓嚴(yán)重區(qū)段，向巷道兩側(cè)各擴(kuò)展20 m范圍開展臥底卸壓措施，借助巷道水溝向深部挖掘410 mm，形成一個(gè)深度為500 mm的卸壓槽。然后將施工區(qū)段平均分為3個(gè)部分，打鉆施工并布置4個(gè)注漿孔，確定孔深為2.5 m左右。最后在臥底形成的空間區(qū)域進(jìn)行水泥澆筑，并橫向配制多條鋼筋增強(qiáng)混凝土的斷裂韌度，提高其塑性變形上限。同時(shí)，設(shè)置位移傳感器對順槽頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏窟M(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖6所示。

圖6 2-5012順槽圍巖位移觀測結(jié)果

分析圖6可知，前32天內(nèi)順槽圍巖位移曲線呈線性增加，頂?shù)装遄畲笠平考s為55 mm，兩幫最大移近量約為27 mm。而32～48天的這段時(shí)間內(nèi)，頂?shù)装遄畲笠平亢蛢蓭妥畲笠平炕痉€(wěn)定，說明順槽圍巖沒有產(chǎn)生新的變形。綜合分析認(rèn)為，該聯(lián)合支護(hù)方案控制巷道底鼓效果良好，有利于長時(shí)間維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定，為后期工作面回采提供了可靠保障。

5 結(jié)論

1）通過分析2-5012順槽底鼓的機(jī)理，認(rèn)為影響順槽底鼓的主要因素為巷道埋深、采場支承壓力和底板巖性松軟。

2）根據(jù)隆博礦8#煤層2-5012順槽的實(shí)際地質(zhì)條件，針對三種支護(hù)方案分別建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示聯(lián)合使用底板卸壓措施和底板注漿措施的控制效果最好。

3）采取聯(lián)合支護(hù)方案后的監(jiān)測結(jié)果表明，順槽頂?shù)装宓淖畲笠平考s為55 mm，兩幫的最大移近量約為27 mm，說明該聯(lián)合支護(hù)方案控制巷道底鼓效果良好，有利于長時(shí)間維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性。