古书院矿回采巷道底板破坏分析及控制研究

2019-12-12王宝童

煤 2019年12期

王宝童

(山西晋城兴唐煤业有限公司，山西晋城 048000)

针对煤矿回采巷道软弱底板变形严重、底鼓明显的控制难题，许多专家学者做了大量研究，并取得了一定成果[1-5]。本文以晋煤集团古书院矿1533052综采工作面回采巷道为研究对象，针对其巷道底板泥岩属性，从吸水、采动、支护三个方面分析了底板底鼓变形的原因，提出了巷道优化支护方案，并用数值模拟的方法分别模拟了在优化方案与原方案支护条件下，巷道底板垂直位移及垂直应力的变化特征，同时经现场试验，验证了优化方案的合理性与适用性。

1 工程概况

晋煤集团古书院矿1533052工作面回风巷，位于1533042巷(已掘)以西，15号煤三盘区胶带巷、轨道巷、回风巷(已掘)以北，西翼进风立井以南，沿15号煤层顶板掘进，15号煤层平均厚度为1.9 m，黑色，半亮型煤，似金属光泽，煤层中含有1～2层不稳定夹矸，煤层层理分明，节理发育，地质构造简单，煤层直接顶为K1灰岩，老顶为细粒砂岩，直接底为泥岩，顶底板岩性特征如表1所示。巷道设计长度990.709 m，方位19°43′28″，上方9号煤无采空区，为实体煤。

表1 顶底板岩性特征

1533052回风巷断面为矩形，宽4.5 m，高2.65 m，支护方式如图1，顶板采用D22 mm×2 400 mm左旋螺纹锚杆(间排距800 mm×900 mm，靠帮两根向外倾斜15°，其余垂直布置)+D22 mm×8 300 mm高强钢绞线锚索(1-2-1布置，间排距2 100 mm×900 mm，均垂直布置)+D16 mm圆钢焊接的梯子梁；巷帮采用D22 mm×2 400 mm左旋螺纹锚杆(间排距750 mm×900 mm，顶角锚杆向上倾斜10°，底角锚杆向下倾斜10°，其余水平布置)；采用全断面焊接钢丝网片协同支护，网片规格为4 500 mm×1 000 mm，网孔规格40 mm×40 mm，相邻搭接长度100 mm。巷道在掘进支护完成后随着工作面的回采，出现了不同程度的底鼓和破坏现象。

图1 1533052回风巷支护示意

2 底板破坏原因分析

2.1 底板吸水破坏

由于回采巷道直接底为泥岩层，经X射线衍射图谱分析得出，其成分主要由高岭石、伊利石、伊蒙混层组成，各成分含量分别为66.7%、15.4%、14.1%。通过泥岩吸水-风干试验，得出泥岩吸水量及抗压强度随时间变化规律，如图2所示。

图2 泥岩吸水后抗压强度变化曲线

由图2可知，泥岩吸水量在前20 h内上升极快；20～80 h内上升明显，但吸水速率逐渐降低直至趋近于0；80 h后吸水量几乎无变化。而抗压强度随吸水时间增加呈下降趋势，吸水120 h过程中，泥岩抗压强度由原先的24.6 MPa降低至9.6 MPa，降低了约60.98%。由此表明，1533052回风巷泥岩底板吸水性较强，易吸水膨胀。

由于顶板砂岩层有含水层存在及顶板浅部围岩裂隙发育易形成导水通道，在回风巷掘进过程中底板揭出后，底板易受顶板水的渗透发生吸水-风干-崩解的破坏过程，这将直接导致其抗剪、抗压强度衰减，内聚力降低，最终发生变形，威胁巷道稳定。

2.2 回采采动影响

通过在回风巷超前工作面煤壁100 m处布置测站，对回风巷在采动影响下的底鼓变形量进行持续动态监测，监测结果如图3所示。可见，巷道底板变形随采动影响变化明显，在工作面距测点100～50 m的过程中，底鼓增长量变化缓慢；50～25 m过程中，底鼓变化明显增加，工作面推进至距测点25 m时累积底鼓量为316 mm；在25～0 m的过程中，底鼓变形增长率不断加大，巷道受采动影响剧烈，最大底鼓量达到677 mm，相对回风巷断面净高2.65 m而言，其变形量较大，给巷道稳定带来了一定隐患。

图3 巷道底鼓量随回采工作面推进变化曲线

2.3 底板无支护

针对1533052回风巷泥岩底板强度低、遇水膨胀的性质，其在高应力及采动影响下的稳定性较差，是巷道保持稳定需加强支护的地方，但原支护方案中并未采取有关加固措施进行控制。

综上所述，1533052回风巷是由于其底板泥岩性质、支护方式、应力扰动等多个因素引起的底鼓破坏，属复合型巷道底鼓类型，主要变形特征为挤压型底鼓变形。

3 优化支护方案

3.1 优化支护方案提出

针对1533052回风巷底板破坏、底鼓严重、下帮角活动较大的问题，提出巷道锚网索优化支护方案：即在原巷道支护方案基础上，增加底板锚杆支护，锚杆长度1.8 m，垂直底板布置，间排距为1 000 mm×1 000 mm，考虑到底板的泥岩属性，支护完成后进行喷浆封底，喷浆厚度80 mm。

3.2 数值模拟分析

采用FLAC3D数值模拟软件，根据1533052回风巷实际地质条件，建立30 m×20 m×15 m模型，限制垂直水平方向位移，上边界施加覆岩载荷，采用Mohr-Coulomb本构模型进行计算，分别模拟巷道在原支护条件下与优化支护条件下的开挖-支护-变形监测过程。本文重点对底板垂直方向上的位移及应力进行分析。

3.2.1 垂直位移分析

如图4(a)，原方案支护巷道时，巷道底鼓现象明显，底板垂直位移较大，其中底板浅部最大位移达到450 mm，且变形延续范围较广；反观图4 (b)，采用优化支护方案后，巷道底板整体垂直位移较小，最大垂直位移分布在底板浅处，为150 mm，较原支护时降低了66.7%，且此时底板垂直位移分布较为疏散，随着底板深度的增加，垂直位移降低明显。由此表明，采用优化支护方案后，底板底鼓量得到了有效控制。

图4 垂直位移分布特征

3.2.2 垂直应力分析

如图5(a)，原方案支护巷道时，围岩最大垂直应力为26 MPa，应力集中主要出现在巷道两肩部，而底板处的垂直应力值较小，大概在底板深5 m处应力为10 MPa，表明巷道在此支护条件下底板强度较低。反观图5(b)，在采用优化支护方案后，巷道两帮围岩垂直应力明显增加，应力区范围扩大；同时，巷道底板下部围岩应力变化较大，如底板下部深4 m处垂直应力值达到了12 MPa，较原支护方案有显然提升；由此表明，优化支护方案可有效改善巷道底板强度不足、不稳定、易鼓起的问题。