深部大倾角煤巷底鼓控制技术研究

柏亚辉，常 雁，杨绪东，孟德健，高贯林

(1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590； 2.山东科技大学 安全学院，山东 青岛 266590； 3.泰安泰烁岩层控制科技有限公司，山东 泰安 271000)

随着煤炭资源的持续开发，煤矿开采深度逐年增加，深部巷道受高应力影响其底鼓问题愈发突出。针对巷道受高应力及水理作用而产生的大变形问题，有关研究人员提出了以“协调围岩非均称变形、控制挤压流动底鼓、强化围岩承载结构”为核心的支护理论[1-6]；针对在大倾角煤巷中由多种因素导致巷道围岩复杂变形且底鼓严重的问题，学者们以协调围岩非均称变形理论为基础提出了采用底板开挖卸压槽的方式来控制巷道底鼓[7-11]；针对大倾角引起巷道应力非均称性分布，导致巷道底板塑性区的恶性扩展问题，研究指出其主要原因是由于巷道底板中倒棱锥块体的赋存情况造成的[12-15]；通过松动圈厚度值测算、分类情况测试，以及对侧向支承压力分布规律的研究，为控制巷道底鼓治理提供了依据[16-20]。

王家山煤矿401工作面回风平巷因围岩软弱且处于非均匀对称(以下简称“非均称”)应力环境状态，致使巷道底板塑性区恶性扩展，其底板成为整个巷道的薄弱点，而严重的巷道底鼓会给巷道稳定支护带来不利影响。因此，解决该巷道底鼓问题对于王家山煤矿的正常生产接续具有重要意义。

1 工程概况

401综放工作面回风平巷位于侏罗系窑街组底部4号煤层中，其沿煤层底板按3‰的坡度掘进，巷道断面为直墙半圆拱形，埋深660 m左右。4号煤层平均厚度8.3 m，倾角32°，煤层整体松软破碎，多为末状，坚固性系数低，且内含多层夹矸，夹矸最大累计厚度达6 m左右且分布无规律。4号煤层顶底板岩层均以低强度的岩层为主，其中：煤层伪顶为强度低的泥岩，易与直接顶之间形成离层而垮落；直接顶和基本顶分别为泥质粉砂岩和细砂岩，滑面接触，强度低，整体性较差；煤层直接底和基本底分别为粉砂岩和中粗砂岩，含有膨胀性矿物，遇水后易出现膨胀现象，极易发生底鼓。

2 巷道底鼓原因分析

由于4号煤层整体较为软弱且受采空区积水软化影响明显，进一步会加大残余侧向支承应力影响范围。为明确47407综放工作面采空区对周围煤岩体产生的残余侧向支承应力峰值位置，采用式(1)和式(2)进行估算[21]。

煤体的极限强度σt计算公式如下：

σt=2.792(ηK1σc)0.792

(1)

式中：η为煤岩软化系数，取0.5；K1为煤岩力学修正系数，取0.45；σc为煤岩试样的单轴抗压强度，取 12 MPa。

侧向支承应力峰值与煤壁边缘距离x0计算公式如下：

(2)

式中：M为煤层开采厚度，m；λ为煤体极限强度所在面的侧压系数；γ为上覆岩层平均重度，MN/m3；C为煤体黏聚力，MPa；φ为煤层与顶底板接触面的摩擦角，(°)；α为煤层倾角，(°)；Px为煤壁的侧向约束力，MPa。

对公式(2)中各量分别进行赋值，其中M取 8.3 m，λ取0.5，γ取2.230 7 MN/m3，Px取0.3 MPa，C取4.5 MPa，φ取30°，α取32°。经计算，侧向支承应力峰值与煤壁边缘距离约为17 m，而留设煤柱宽度为15 m左右，导致401回风平巷开掘位置正好处于47407综放工作面采空区残余侧向支承应力的峰值区域附近。采空区侧向支承应力分布与巷道位置关系如图1所示。

图1 采空区侧向支承应力分布与巷道位置关系图

3 应力分布规律

为研究4号煤层侧上方采空区应力作用对煤巷的影响，同时对401回风平巷底鼓原因进行科学分析，以401回风平巷为建模对象，采用FLAC3D数值模拟软件建立长×宽×高为300 m×100 m×200 m的数值分析模型，并且将模型上部边界设定为自由边界，四周及底部边界采用位移约束。根据4号煤层埋深大小对模型顶部施加15 MPa的垂直载荷，模型设定为莫尔-库仑弹塑性本构模型。煤岩体物理力学参数见表1。

表1 煤岩体力学参数

巷道底板加固前的应力、位移和塑性区分布云图如图2所示。

(a)垂直应力分布

(b)水平应力分布

(c)垂直位移分布

(d)塑性区分布

由图2可知，401回风平巷开掘后其原岩应力重新分布，应力增高区域呈现出明显的非均称性，其中：垂直应力最大值(25 MPa)在距离左帮角约3 m处且影响范围达到了19 m左右，时刻影响着巷道左帮角的稳定；水平应力最大值(10 MPa)在距离巷道左帮约4 m处，时刻影响着底板的稳定；底板最大垂直位移约500 mm，其整体塑性区范围较大，巷道两底角处存在剪切区，拉伸区延伸至巷道底板1 000 mm深度以内。

通过上述分析可知，处于大倾角煤层内的401回风平巷围岩较松软，整体性差，蠕变现象较明显，从而导致巷道出现较严重的底鼓现象，且巷道围岩在应力的作用下不断地向自由面扩张。

4 回风平巷底板松动圈探测

401回风平巷底板在高应力影响下破坏严重，为了探查巷道底板的具体破坏深度，为底板加固方案提供依据，采用CXK-7.4型矿用钻孔成像仪对该巷道底板进行松动圈探测，其结果如表2和图3 所示。

表2 巷道底板破坏深度探测结果

(a)裂隙 (b)离层

从探测结果得知，401回风平巷底板在应力影响下出现了不同程度的破碎区和塑性区，破碎区主要集中在巷道底板表面距围岩内部1.0 m范围内，且部分地方岩石遇水崩解泥化较严重。1.0 m位置到钻孔孔底为塑性区，存在大量的裂隙。

5 底板加固方案

根据401回风平巷围岩应力分布规律及围岩松动圈测试结果，决定对巷道底板实施反底拱处理并配合锚注措施对底板进行综合加固，加固方案如图4 所示。

(a)底板锚杆布置断面图

(b)顶板、两帮断面展开图

首先对巷道底板进行反底拱处理，然后铺设金属网安装锚杆，之后进行底板注浆。

1)锚杆参数。采用MSGLW-500/22×2 800型矿用高强抗剪切让压锚杆配合150 mm×150 mm×10 mm 高强弧形托盘，锚杆间排距900 mm×900 mm。

2)注浆加固。注浆加固采用一次注浆加固和二次复注加固方式进行。一次注浆与二次复注均采用适用于高泥质岩的亲泥性注浆材料，通过注浆管进行注浆。

6 加固效果分析

6.1 模拟对比

建立长×宽×高为300 m×100 m×200 m的加固数值模型，并在开挖巷道周边建立注浆加固区，如图5所示，采用全锚支护方法配合注浆加固区材料参数替换法，锚注加固厚度2 m。参照矿山提供的实测资料和亲泥性注浆材料试验资料，通过理论计算[22]，得出注浆加固区的体积模量为4.5 GPa，切变模量为3.7 GPa，内摩擦角为30°，黏聚力为8 MPa，抗拉强度为5.15 MPa。

图5 锚固注浆巷道模型

对回风平巷加固前后的底板围岩应力、位移及塑性区进行模拟对比分析。巷道底板加固后的围岩应力、位移和塑性区分布云图如图6所示。

(a)垂直应力分布

(b)水平应力分布

(c)垂直位移分布

(d)塑性区分布

由图2分析可知，加固前的垂直应力最大值约为25 MPa，主要集中在距离巷道左帮底角3～19 m的范围内；水平应力峰值约为10 MPa。底板最大垂直位移约为500 mm，其影响范围约占巷宽的60%；底板垂直位移为0～500 mm，约占巷宽的40%。底板整体塑性区范围较大。

对比图2和图6可知，加固后的巷道周边围岩内部垂直应力最大值约为45 MPa，比加固前增大了约80%；水平应力峰值约为12 MPa，比加固前增大了约20%。底板最大垂直位移约为25 mm，比加固前降低了约95%。加固后的底板整体塑性区范围比加固前降低了约33%。

通过上述对比分析得出，底板反底拱处理配合亲泥性注浆材料锚注加固的控制方法，对巷道底鼓治理效果较好。

6.2 现场监测

在加固巷道50 m处布置观测断面,对巷道底板位移进行监测，结果如图7所示。

图7 巷道底板位移变化曲线

由图7可以看出，前10 d巷道围岩应力变化较大且底板位移变化量较大；20～50 d底板位移变化量呈明显的下降趋势；50 d以后底板位移变化量较小，巷道围岩趋于稳定状态；80 d以后底板位移变化量基本不变，巷道底鼓得到了较好的控制，巷道支护状态稳定。

7 结论

1)王家山煤矿中二401回风平巷为深部大倾角高泥质软岩巷道，巷道处于高应力状态且非均称性较明显，巷道底鼓较严重，现场采用频繁挖底的方法来维持巷道的基本使用。但频繁挖底易造成巷道底板整体性越来越差，导致两帮与顶板支护系统失效，降低了巷道围岩的稳定性，有严重的安全隐患。

2)通过理论计算、数值模拟分析及现场实测得出，该巷道底鼓以应力型底鼓为主，膨胀型底鼓为辅。针对巷道底鼓严重的问题，提出对巷道底板采用反底拱处理配合锚注加固方法来解决。

3)数值模拟结果表明，采用反底拱处理措施并且配合注浆加固方案，对巷道底鼓治理效果最为明显。结合现场试验巷道底板位移实测数据分析，反底拱处理配合亲泥性注浆材料锚注加固的控制方法，能够有效降低巷道底鼓量，保持巷道的基本稳定。