沿空留巷巷道底板控制研究

徐佳伟

(大同煤矿集团王村煤业公司技术科，山西 大同 037003)

1 引言

近年来，煤矿生产从采煤方法到采煤设备都有了很大程度的突破，对于沿空留巷的底鼓控制，也有了很大的进展，王卫军，侯朝炯分析了支承压力与回采巷道底鼓的关系，他们认为巷道底鼓出现的原因是支承压力造成的，支承压力使得巷道底板岩层分离从而使巷道的强度下降，在高水平应力的作用下，巷道出现底鼓现象[1]，魏胜利，王京龙，朱济勋等利用工字钢梯形棚式支护下的巷道顶底板移动变形及支架受力情况进行了观测，分析了巷道的变形受力情况以及支架的受力状况，同时将实验结果运用到实际的工程中，为支护改善提供了理论指导，实际运用也取得了良好的结果[2]，柏建彪，李文峰，王襄禹等利用理论分析、数值模拟以及现场观测等方法，通过对不同埋藏下巷道底鼓机理的分析，揭示了巷道变形的原因，通过理论的指导，采用全长锚固的水力膨胀锚杆加固底板，增大了底鼓的峰后强度以及残余强度，达到了底鼓控制的目的，该方法也为实际工程提供了重要的参考[3]，张山松，李志华以淮南某矿为研究背景，利用FLAC3D数值模拟软件对深部沿空留巷巷道进行了模拟分析，研究表明，顶板坚硬，底板松软的巷道因为底板受力大更容易出现底鼓现象，作者认为底板的稳定性是影响底鼓的重要因素，通过改善巷道的尺寸以及采高可以最大限度的减少巷道的底鼓，从而达到围岩的稳定性[4]。

本文在已有研究的基础上，深入的探讨了巷道底鼓的机理，利用FLAC3D数值模拟软件对巷道埋深对底鼓的影响进行了数值分析，为底鼓的处理提供了可行性指导意见。

2 沿空留巷巷道底板分析

目前，煤矿为了最大限度的回采煤炭资源，将上一个区段内的回采顺槽重新支护用于下一区段的煤炭开采，即沿着采空区边缘重新维护原来的回采巷道，这种方法称为沿空留巷。沿空留巷减少了巷道掘进周期长，费用投入大等问题，但是由于巷道受采动影响较大，长时间的维护导致支护设备的疲劳，支护很难达到预计目的。沿空留巷巷道底板一直是支护的难重点，底板因为受力变现为向上拱起的状态我们称为底鼓。引起底鼓的原因有很多，追究其根本原因是因底板在收到多重应力的挤压作用下，应力值超过了岩层本身的最大强度，岩层开始破坏，因为巷道两帮在支护作用下，移动量相对较小，巷道的变形量多数变现在底板上，在挤压应力的作用下，巷道出现底鼓现象。

为了实现矿井高效率化的生产，对于底板鼓起的变形机理的研究就非常重要了，如图1所示，巷道在开挖以后，受到均匀的上覆岩层的压力，随着工作面的推进，应力得到重新分布，应力大小的差异对于支护也会造成不同程度的影响，而对于沿空留巷巷道底板的应力分布，我们可以看到，巷道两侧受到的应力明显高于巷道远处的应力，工作面推进后，采空区上覆顶版就会随即垮落，垮落后巷道会受到冲击载荷的作用，所以靠近采空区一侧应力会相对集中，采煤设备推进后，靠近煤壁的一侧会受到非常大的应力集中现象，巷道因为两侧受到大小不一的应力挤压，底板很容易鼓起，对于沿空留巷巷道，因为其服务年限长，受到的地质条件复杂，加上采动影响、水理作用等因素，巷道底板软化后更容易出现底鼓现象。

图1 巷道底板岩层受力图

针对底鼓现象原因，我们归结以下几种因素：

(1)地质原因

地质原因主要表现在岩层性质上，对于坚硬顶板，因为顶板的强度高，所以通过液压支架施加在顶板上的力也会较大，当煤层埋藏较深时，巷道所受的地应力会更大，随着采动的影响，巷道底板的受力会更加复杂，如果是大采高放顶煤采煤，工作面来压现象会更加明显，巷道底板也会受到影响。

(2)时间原因

沿空留巷巷道因为是在原有巷道的基础上，进行支护维护，供给后续采煤使用。煤层因为都在地层中，在人工开掘巷道后，地层应力会重新分布，在巷道的支护中，没有哪一种支护能够永久的保证生产的需求，也就是说，在应力的长期作用下，巷道会发生不同程度的变形，对于服务年限高的巷道即沿空留巷巷道，长期应力作用是其变形的重要影响因素，底鼓现象的出现也与时间有关系。

(3)人工原因

虽然煤矿机械化逐步发展，对于煤层的采动，还是离不开人力。工作人员在施工过程的不准确性是影响巷道底板底鼓的原因之一。巷道尺寸的不准确性影响到巷道的受力，煤矿巷道因为受力复杂，巷道的变形会有扩张，因为人工采动，机械设备无法满足高强度的支护作用，沿空留巷巷道会出现较大的变形，对于其底板更是如此。

以上为沿空留巷巷道变形的机理分析，在实际情况中，很少只有单一因素影响巷道底板，通常都是在地质、时间、人工等多重因素影响下巷道出现了不同程度的底鼓现象，因为底鼓原因的复杂性，对于底鼓处理也增加了难度，从底鼓出现的根本原因进行分析研究是处理底鼓问题最有效的方法。

3 沿空留巷巷道数值模拟研究

自上世纪以来，随着机械化水平的不断发展，煤矿生产也得到了迅速的进展，如今，许多煤矿都已经成为深部矿井，经过对沿空留巷巷道的机理分析，本节我们借助FLAC3D数值分析软件对不同埋深的巷道应力进行了模拟，模拟结果如图2所示，当埋深为200m时，巷道垂直应力相较测应力大6MPa；埋深达到400m时，因为应力过大，巷道旁边的充填体已经完全失稳，巷道所受的垂直应力也相对较大；当埋深达到1000以及1400m时，沿空留巷巷道充填体已经完全失稳，巷道所受的垂直应力都集中在靠近工作面一端处，由此可见，埋深对巷道受力有明显的影响。

通过对模拟数据的整理，我们得到如图3所示的底鼓量和巷道埋深的关系图，由曲线可见，巷道底鼓量随埋深呈现递增的趋势，埋深较浅时，巷道的底鼓量相对较小，增长趋势也较缓慢，当埋深在600-1000m时，巷道底鼓量增长相对较快，变形量也大；埋深大于1000m时，底鼓量的增值达到最大，最大处的底鼓值可以达到600mm，这对于巷道变形来说是非常大的影响。因为巷道受复杂，随埋深的增加，巷道受到的上覆岩层的重力也会增加，随着掘进等的影响，巷道在复杂应力综合作用下的变形会非常大，这时对于巷道底鼓变形量的控制尤为重要。

图3 回采巷道底鼓量随埋深的变化曲线

4 结论

通过对回采巷道底鼓的破坏原因以及机理的分析，我们用FLAC3D数字模拟软件针对埋深对巷道底鼓变形量进行了详细的分析，得到以下结论：

(1)巷道底鼓受多种原因影响，其根本原因为底板所受的应力值大于其强度峰值，表现为底板鼓起。

(2)通过对不同埋深下底鼓鼓起量的模拟可以看出，埋深对回采巷道底鼓鼓起量有明显的影响，埋深较大，巷道所受的应力也更大，底鼓量也越大。

(3)巷道底鼓的变形量随埋深会呈现高速率的增长趋势，应该及时进行支护防护措施预防巷道底鼓的变形，以保证煤矿的正常生产。