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我國煤炭資源開采強(qiáng)度大，大部分服務(wù)年限較長的礦井已進(jìn)入深部開采，巷道圍巖的穩(wěn)定性問題日益突出，尤其是軟巖巷道，采動(dòng)后上覆巖層支承壓力傳遞至巷道底板，使應(yīng)力在底板集中，引發(fā)巷道出現(xiàn)底鼓［1－4］。底鼓是巷道常見的動(dòng)力現(xiàn)象，對(duì)巷道的行人、運(yùn)輸、通風(fēng)等造成嚴(yán)重影響，使巷道經(jīng)常返修，增加維護(hù)成本［5－8］。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)底鼓的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了大量研究，如康紅普［9］提出底鼓是巷道受動(dòng)力影響發(fā)生的失穩(wěn)現(xiàn)象，擾曲、彈塑性位移及擴(kuò)容位移是引起底鼓三大因素。趙紅濤［10］以車集礦巷道為研究對(duì)象，對(duì)深度軟巖巷道圍巖變形原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巷道在底板松軟、巷道底板及底角缺乏支護(hù)、圍巖應(yīng)力及采動(dòng)壓力等綜合影響下出現(xiàn)底鼓，并提出采用大直徑錨索束+反底拱+深淺孔注漿技術(shù)控制底板變形，現(xiàn)場(chǎng)取得較好的效果。賈進(jìn)亞［11］等針對(duì)某礦－1000m軟巖巷道底部變形嚴(yán)重問題，采用FLAC軟件模擬分析不同底鼓加固措施效果，并最終優(yōu)選底拱混凝土澆灌+底板錨桿底鼓治理方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后底鼓量控制在30mm以內(nèi)，取得顯著的底鼓治理效果。賀永年［12］認(rèn)為底鼓是頂板巖層應(yīng)力通過兩幫向底板傳遞，頂板與兩幫應(yīng)力在底板集中，底板在應(yīng)力擠壓作用下發(fā)生斷裂，引起底板隆起。雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)底鼓的成因進(jìn)行了大量研究，但是底板巖層性質(zhì)及應(yīng)力分布具有復(fù)雜性，應(yīng)結(jié)合礦井的具體條件分析底鼓的發(fā)生機(jī)理［13－14］。常見的底鼓控制技術(shù)主要是對(duì)兩幫和底板進(jìn)行提前卸壓，但常忽略了對(duì)頂板的卸壓，尤其是對(duì)堅(jiān)硬頂板的提前卸壓，因此多數(shù)礦井很難控制底鼓［15］。本文以30201運(yùn)輸巷為研究對(duì)象，分析了巷道底板發(fā)生剪切破壞的機(jī)理，提出采用底板錨桿+開挖卸壓槽聯(lián)合治理底鼓，根據(jù)監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量可知，聯(lián)合法治理效果明顯，有效改善了巷道底板變形，為類似巷道底鼓控制提供了經(jīng)驗(yàn)。

1工作面概況

母杜柴登煤礦30201首采工作面位于井田南翼中部，302盤區(qū)東側(cè)，主采煤層為3煤，設(shè)計(jì)采高4．8m，生產(chǎn)能力4．2Mt/a。工作面設(shè)計(jì)長度3500m，寬度240m，為南北走向，向302盤區(qū)西部接續(xù)。煤層厚度為3．8～6m，總體南部厚，北部薄。煤層埋深為630．8～654．61m，南淺北深。煤層底板標(biāo)高為+631．1～+646．132m，南高北低。整體為單斜構(gòu)造，工作面煤層傾角1～2°，煤層傾向?yàn)楸蔽飨颉Ｃ簩拥装逵赡鄮r、砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，巖層強(qiáng)度低，上覆巖層高集中應(yīng)力經(jīng)兩幫向底板傳遞，并在底板形成應(yīng)力升高區(qū)，在外界擾動(dòng)影響下，巷道底板發(fā)生底鼓。因此，為保證工作面回采速率，需提前對(duì)巷道底板進(jìn)行卸壓，避免底板出現(xiàn)應(yīng)力集中。同時(shí)，加固底板，提高底板支護(hù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。工作面兩巷采用錨網(wǎng)索+錨注聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如表1所示。

2底鼓發(fā)生機(jī)理

2．1力學(xué)分析30201運(yùn)輸巷掘進(jìn)后，圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力重新分布。底板軟巖強(qiáng)度低，上覆巖層高垂直應(yīng)力經(jīng)兩幫向底板傳遞，并在底板形成主動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)，該區(qū)域內(nèi)軟巖由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)。隨著應(yīng)力載荷的不斷增加，底板主動(dòng)應(yīng)力區(qū)不斷膨脹擠壓過渡區(qū)煤體，使過渡區(qū)的煤體發(fā)生頻繁的剪切破壞，破裂面貫通被動(dòng)區(qū)并延伸到巷道底板，巷道底板出現(xiàn)整體剪切破壞。

2．2數(shù)值模擬分析

2．2．1模擬方案采用FLAC3D模擬30201運(yùn)輸巷開挖后圍巖應(yīng)力分布及位移的變化情況，得到巷道圍巖變形破壞規(guī)律。建立200m×100m×50m的力學(xué)模型，垂直方向施加15MPa應(yīng)力。

2．2．2模擬結(jié)果分析①應(yīng)力分布情況30201運(yùn)輸巷開挖前后巷道圍巖應(yīng)力分布情況如圖1所示。由圖1可知，30201運(yùn)輸巷掘進(jìn)前，巷道應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，垂直應(yīng)力由上向下傳遞，并逐漸增大，但上下應(yīng)力值相差不大。巷道掘進(jìn)后應(yīng)力重新分布，最大最小應(yīng)力值相差較大，最大應(yīng)力值為開挖前1．7倍。巷道圍巖周圍應(yīng)力明顯升高，最大應(yīng)力分布在巷道兩側(cè)，兩側(cè)應(yīng)力向底板傳遞，并在底板形成應(yīng)力集中區(qū)，使底板出現(xiàn)底鼓。②位移變化情況30201運(yùn)輸巷未支護(hù)時(shí)巷道圍巖位移分布情況如圖2所示。由圖2可知，30201運(yùn)輸巷掘進(jìn)后若不及時(shí)采用支護(hù)措施，圍巖受動(dòng)壓影響劇烈，在應(yīng)力的作用下圍巖發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞，圍巖變形量大，主要表現(xiàn)為頂板下沉、底板鼓起、兩幫移近。根據(jù)模擬結(jié)果可知，最大頂板下沉量為490mm，最大底鼓量為460mm，最大兩幫移近量為620mm。③側(cè)壓系數(shù)巷道圍巖塑性區(qū)范圍隨測(cè)壓系數(shù)增加而增大，頂?shù)装逶黾臃秶螅瑑蓭驮黾臃秶鄬?duì)較小。當(dāng)測(cè)壓系數(shù)大于2后，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍明顯大于兩幫，表明底板發(fā)生劇烈變形破壞。

3底鼓控制技術(shù)研究

常見的底鼓控制技術(shù)主要有加固法、卸壓法和聯(lián)合法。加固法主要通過支護(hù)提高底板強(qiáng)度，本文主要對(duì)底板錨桿支護(hù)進(jìn)行研究;卸壓法主要通過改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使底板應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，本文主要對(duì)開挖卸壓槽進(jìn)行研究;聯(lián)合法將加固法和卸壓法聯(lián)合使用，共同治理底鼓。采用FLAC3D模擬30201運(yùn)輸巷采用底板錨桿、開挖卸壓槽及兩種方法聯(lián)合使用后的巷道底鼓量，選擇最合理支護(hù)措施及參數(shù)。

3．1底板錨桿

3．1．1模擬方案通過模擬錨桿不同長度、間距及傾角時(shí)巷道底鼓量，研究不同參數(shù)對(duì)控制底鼓的影響。設(shè)計(jì)3種不同支護(hù)方案，具體參數(shù)如表2所示。

3．1．2模擬結(jié)果分析①錨桿長度錨桿間距和傾角固定情況下，不同錨桿長度下的巷道底鼓量如表3所示。由表3可知，隨著錨桿長度的增加，巷道底鼓量逐漸減小，但減小速率逐漸放緩。因此，不是錨桿長度越長支護(hù)效果越好，錨桿過長反而會(huì)增加施工難度和施工成本。錨桿長度為2．8m時(shí)，巷道底鼓量為最小值175mm。②錨桿間距在錨桿長度和傾角固定情況下，不同錨桿間距的巷道底鼓量如表4所示。由表4可知，隨著錨桿間距的增加，巷道底鼓量逐漸增大，表明錨桿間距的增加對(duì)控制巷道底鼓量的作用逐漸減弱。當(dāng)錨桿間距為0．5m時(shí)，巷道底鼓量為最小值125mm，較未支護(hù)時(shí)減小了72．8%，控制效果明顯。③錨桿傾角錨桿長度和間距固定情況下，不同錨桿傾角下的巷道底鼓量如表5所示。表5不同錨桿傾角時(shí)巷道底鼓量錨桿傾角/°底鼓量/mm15220302024519560177由表5可知，隨著錨桿傾角的增加，巷道底鼓量逐漸減小，治理效果變好。當(dāng)錨桿傾角為60°時(shí)，巷道底鼓量為最小值177mm。模擬巷道底板錨桿不同長度、間距及傾角時(shí)的巷道底鼓量可知，錨桿長度及傾角越大、間距越小，越能降低底鼓量。在實(shí)際施工中，應(yīng)綜合考慮礦井的地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)效益及施工難度等因素，合理布置錨桿。

3．2卸壓槽模擬開挖卸壓槽不同深度和寬度時(shí)巷道底鼓量，設(shè)計(jì)卸壓槽長度分別為0．25m、0．5m、0．75m，深度分別為0．7m、1．4m、2．1m、2．8m，模擬結(jié)果如圖3所示。圖3開挖卸壓槽巷道底鼓量由圖3可知，當(dāng)卸壓槽寬度一定時(shí)，隨著深度的增大，底鼓量逐漸減小;當(dāng)卸壓槽深度一定時(shí)，隨著寬度的增大，底鼓量逐漸減小，但減小速率相對(duì)不同深度時(shí)小，表明卸壓槽寬度對(duì)控制底鼓量效果相對(duì)于深度小。卸壓槽深2．8m、寬0．75m時(shí)巷道位移變形情況如圖4所示。圖4卸壓槽深2．8m、寬0．75m時(shí)巷道位移變形圖由圖4可知，巷道開挖卸壓槽底鼓量明顯減小，相比未支護(hù)時(shí)，巷道最大底鼓量由460mm減小為140mm，減少了69．6%，最大頂板下沉量由490mm增大為505mm，開挖卸壓槽能夠有效控制底板變形，但對(duì)降低頂板下沉幾乎沒有效果。

3．3聯(lián)合法模擬采用底板錨桿和開挖卸壓槽聯(lián)合支護(hù)時(shí)的巷道底鼓量，設(shè)計(jì)錨桿長度為2．4m、間距0．5m、傾角60°，卸壓槽寬為0．75m、深為2．8m的參數(shù)，模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，聯(lián)合法相對(duì)單一的底板錨桿、開挖卸壓槽來說，更能充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，控制巷道底鼓效果明顯，能避免底板應(yīng)力集中，提高底板的穩(wěn)定性，巷道最大底鼓量降至95mm，支護(hù)效果好。

4效果檢驗(yàn)

30201運(yùn)輸巷采用底板錨桿+開挖卸壓槽控制底板變形，通過對(duì)巷道圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握巷道底板變形規(guī)律，驗(yàn)證治理的合理性。在巷道共布置5個(gè)測(cè)站，間距15m，每個(gè)測(cè)站布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于巷道頂板、底板及兩幫，每天對(duì)巷道圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。在監(jiān)測(cè)的30d內(nèi)，巷道底板變形量隨著時(shí)間的推移逐漸增加，增加速率逐漸變緩，20d后底板變形量逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)對(duì)5個(gè)測(cè)站的監(jiān)測(cè)，最大底板變形量分別為70mm、71mm、68mm、75mm、78mm，均值為72．4m。各測(cè)站的最大底板變形量均在安全范圍內(nèi)，底板錨桿+開挖卸壓槽的聯(lián)合法控制底鼓量效果明顯，能夠有效提高底板的穩(wěn)定性，保證了巷道掘進(jìn)施工的安全性，為類似條件下巷道底鼓量控制提供了經(jīng)驗(yàn)。

5結(jié)論

5．1以30201運(yùn)輸巷為研究對(duì)象，建立了巷道底板發(fā)生剪切破壞的力學(xué)模型。采用FLAC3D模擬巷道開挖后圍巖應(yīng)力分布及位移變化情況，根據(jù)模擬結(jié)果可知，巷道掘進(jìn)后最大應(yīng)力值為掘進(jìn)前1．7倍，圍巖應(yīng)力明顯升高，在底板形成應(yīng)力集中區(qū)，使底板出現(xiàn)底鼓，最大底鼓量為460mm。巷道圍巖塑性區(qū)范圍隨測(cè)壓系數(shù)增加而增大，當(dāng)測(cè)壓系數(shù)大于2后，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍明顯大于兩幫，底板發(fā)生劇烈變形破壞。

5．2采用FLAC3D模擬30201運(yùn)輸巷采用底板錨桿、開挖卸壓槽以及兩種方法聯(lián)合使用后巷道底鼓量，選擇最合理支護(hù)措施及參數(shù)。通過設(shè)計(jì)不同底板錨桿長度、間距及傾角時(shí)巷道底鼓量可知，當(dāng)錨桿長2．4m、間距0.5m、傾角60°時(shí)支護(hù)效果最優(yōu)。通過設(shè)計(jì)卸壓槽不同長度及深度時(shí)巷道底鼓量可知，卸壓槽深2.8m、寬0.75m時(shí)卸壓效果最優(yōu)。根據(jù)模擬結(jié)果可知，采用底板錨桿+開挖卸壓槽聯(lián)合治理巷道底鼓量效果最好，巷道最大底鼓量降至95mm，在安全范圍內(nèi)，治理效果明顯。

5．3在巷道共布置5個(gè)測(cè)站監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量驗(yàn)證支護(hù)效果，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，最大底板變形量平均值為72．4m，各測(cè)站的最大底板變形量均在安全范圍內(nèi)，底板錨桿+開挖卸壓槽的聯(lián)合法控制底鼓量效果明顯，能夠有效提高底板的穩(wěn)定性，保證了巷道掘進(jìn)施工的安全性，為類似條件下巷道底鼓量控制提供了經(jīng)驗(yàn)。

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作者:楊飛 單位:鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司