采动影响下巷道底鼓现象防治研究

孙 亮

（霍州煤电集团云厦建筑工程有限公司白龙矿建分公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

随着煤炭资源不断向深部开采，导致巷道围岩应力恶化，底鼓问题尤其突出，在受采动影响的情况下更为普遍和严重，因底鼓发生机理复杂，受力情况变化较大，影响因素较多，因此，需针对具体条件进行研究[1-2]。郭玉[3]采用FLAC3D模拟了巷道底板围岩塑性区动态发展过程，优化了巷道支护密度，保证了围岩稳定；王襄禹[4]针对近断层采动巷道提出了非对称支护技术，围岩变形得到了有效控制。现针对回坡底煤矿采动影响下巷道底鼓治理进行研究。

1 工程概况

回坡底煤矿位于山西省洪洞县北西部和汾西县西南部，矿井设计规模为1.20 Mt/a，全井田开采10、11 号煤层划分为一个水平开采，水平标高+556 m。回坡底煤矿东一采区11-102 综采工作面所采煤层为11 号煤，开采顺序采用后退式顺序进行回采。老顶为粉砂岩，厚度2.2～2.6 m，平均厚度2.5 m，f=6～10；直接顶为泥岩，厚度3.3～3.6 m，平均厚度3.5 m，；直接底为铝质泥岩，平均厚度2.5 m，f=4～6。10 号煤与11 号煤层间距为6~7 m。

根据11-1021 巷具体所处的位置，可得出图1 的巷道空间位置剖面图，从图中可以看出，在10 号煤上方，存在着宽度范围约为25 m 的区段保护煤柱，11-1021 巷与10 号煤的区段保护煤柱边缘的错距约为10 m。虽然11-1021 巷已处于10-102 工作面的采空区卸压范围，但区段煤柱成为了应力集中区域，在煤柱上方会形成侧向的高支承压力，煤柱必会对下方的岩层产生一定的高应力作用，且随着与煤柱竖直方向距离越远的位置，其应力作用影响较小，或者在煤柱下方的同一层位，水平方向距离煤柱越远，受到的应力影响作用也越小。

图1 11-1021 巷空间位置剖面图

因此，10 号煤层存在的区段保护煤柱成为11-1021 工作面运输巷围岩稳定性的重要影响因素，根据目前11-1021 工作面运输巷的底板破碎情况与底板底鼓情况，推断11-1021 巷处于煤柱产生的高应力影响区域，正是由于11-1021 巷处于煤柱产生的高应力影响区，所以该巷才会产生严重的底鼓现象，因此研究保护煤柱下方不同位置处的应力集中状态具有重要的工程意义。

2 巷道围岩稳定性研究

11-1021 巷上方的10 号煤10-102 工作面回采结束后，不仅使煤柱产生支承压力，还会使底板产生一定的破坏范围，因开采而引起的底板破坏范围，可采用滑移线场理论进行分析。孤岛煤柱所产生的底板滑移线场如图2 所示。

图2 孤岛煤柱引起的底板滑移线场

由煤柱支承压力产生的滑移线场，在水平方向上可根据应力场、速度场划分为3 个区域其中图2 中的1 区域为主动应力区，2 区域为过渡应力区，3 区域为被动应力区。3 个区域应力场的应力大小顺序为1 区域＞2 区域＞3 区域，应力场的大小顺序说明在孤岛煤柱下方同一层位时，应力大小随着与煤柱之间的距离增大而减小。也就是说，11-1021 巷若距离孤岛工作面越远，巷道围岩稳定性越好。但根据11-1021 巷目前所处的位置，很有可能处于滑移线场的范围内，因此导致11-1021 巷处于围岩不稳定状态，从而产生严重的底鼓现象。

根据滑移线场理论，可知滑移线场下方的底板破坏深度公式为：

式中：φ为底板岩层内摩擦角。

根据11-1021 巷底板岩层物理参数，可计算得底板破坏最大深度Dmax=14.4 m，已知11-1021 巷位于10 号煤层下方7m 处，说明11-1021 巷极有可能处于底板破坏范围带，因此，根据滑移线场性质，得到图3，从图中可明显看出，11-1021 巷处于滑移线场破坏带范围内，这说明巷道围岩稳定性以及完整性会较差，在水平应力作用下，巷道底板容易发生底鼓现象，且巷道大部分面积区域在过渡应力区域，小部分处于被动应力区域，根据滑移线场的速度场关系，主动应力区域的速度为竖直向下；过渡应力区内的速度方向则与滑移线的切线方向成φ的角度（图中箭头所示），即绕着A 点产生旋转；被动应力区域速度方向也与滑移线的切线方向成φ的角度；因此，不难发现，11-1021 巷底板位移速度方向将会如图3 所示，底板速度倾斜向上，同时，距离煤柱越远一侧的底板位移速度更快，所以，11-1021 在10 号煤层孤岛煤柱产生的滑移线场影响下，将会产生非对称性的底鼓现象，如图4 中的虚线所示，在远离煤柱一侧的底板位移量更大。

图3 11-1021 巷底板与煤柱底板滑移线场位置关系

图4 11-1021 巷底板速度场示意图

3 巷道底板控制技术

3.1 底板卸压与加固防治底鼓技术

根据上述研究理论表明，结合回坡底11-1021 巷发生底鼓现象呈现出的非对称性，对比现场实际情况，参考底鼓防治卸压槽原理以及钻孔充填加固技术，拟在巷道底鼓关键部位采用钻孔充填加固底板的底鼓治理方案。该方法其优点在于相对卸压槽技术而言，其工程量更小，经济上更节约成本。

针对11-1021 工作面运输巷的底鼓现象，运用上述的底板钻孔充填加固技术进行Flac3d 数值模拟验证，各岩层物理参数根据实验室力学实验取得，所建立的模型大小为40.5 m×5 m×21.8 m（长×宽×高），模型底面、左右面、前后面均为固定边界，顶面施加载荷10 MPa，侧压系数取为1。各岩层均选用摩尔库伦模型。

该数值模拟采用5 种方案，一种为底板不采用任何支护技术的模拟方案，而另一种为采用了底板钻孔充填加固技术的模拟方案，5 种方案前期均为地应力平衡，然后进行巷道开挖，不采用底鼓防治技术的方案直接再开挖之后继续运算至平衡，而进行底板加固方案的巷道，在开挖完巷道之后需继续在距离巷道两帮 1m 处开挖直径为 0.25 m、深度为 1、2、3、4、5 m 的底板钻孔，每个钻孔均注入与钻孔深度相对应的浆料。另外，由于该模型宽度为5 m，所以在数值模拟模型中只开挖5 排钻孔，钻孔排间距为1 m×2.5 m。图5 为底板开挖钻孔分布图。

图5 底板钻孔分布图

另外，在模型中巷道宽度范围内的底板岩层中，进行单元竖直位移的监测，通过比较6 种方案的底板位移量来直观的看出最优的钻孔充填加固深度，以下为数值模拟结果的曲线。

图6 不同钻孔注浆深度与底鼓量关系

通过数值模拟结果可知，当巷道底板为裸露情况时，巷道底板最大底鼓量达到139 mm，产生的底鼓现象较为严重。而当对底板加固钻孔进行底板加固后，巷道底鼓量均有所减小，且随着充填深度的不断加深，巷道底鼓量减小程度也有所不同，而在这其中，钻孔充填加固深度为3 m 时，巷道底鼓量仅为54 mm，相对于钻孔充填加固深度为1、2 m 时有较大程度的改善，底鼓减少量分别达到54%和44%。而在钻孔充填加固深度为3 m 的基础上继续加大加固深度，此时，巷道底鼓减小程度不明显，甚至可以忽略；因此3m 的钻孔充填深度控制底鼓无论在经济上，还是在底鼓控制效果上，都是较为合理的选择，该数值模拟结果与上述塑性区破坏深度范围所得结果2.98 m 基本吻合。因此针对回坡底11-1021 巷的钻孔注浆深度，可确定为3 m。

由于10 号煤层102 工作面采空区及其残留煤柱的影响，回坡底煤矿11 号煤1021 巷道出现了严重底鼓现象。根据前面分析知，受10 号煤层残留煤柱作用而产生的集中应力使得1021 巷道两帮围岩中的应力出现了非对称分布特征，其中，靠近煤柱侧巷帮及底板围岩中的水平应力和垂直应力均大于另一侧，由于两侧应力相差较大，低应力侧对围岩变形的阻碍作用较差，从而加速了高应力侧对底板围岩变形影响的活化作用。应力的非对称分布也直接导致巷道底板围岩的非对称变形。

3.2 底鼓治理技术方案设计

针对皮带侧底板变形量较大并且围岩较为破碎的现象，为达到更好的底鼓防治效果。回坡底煤矿采用一侧巷道布置卸压孔、另一侧布置加固孔的技术方案。

由于1021 巷道与上覆煤层残留煤柱的水平错距为10 m，并且应力峰值点一般位于煤柱中心处或距离煤柱表面一定距离（取决于煤柱宽度），因此，若想对1021 巷道底板围岩的垂直应力进行卸压处理，在钻孔水平布置的前提下，需要保证卸压钻孔长度大于10 m。在回采巷道内施工长度大于10 m 的钻孔难度较大，并且，长度越大钻孔的稳定性越差，成孔率越低，钻孔失稳或闭合后难以保证长期卸压效果。基于上述考虑，没有对1021 巷道底板围岩的垂直应力进行卸压处理。

通过工程经验确定加固方案技术参数：①加固孔直径：该装置中的充填加固部分可以增强该矿底板岩层物理力学强度，因此，基于加强底板物理力学强度的思想，在不影响矿井正常生产情况下，该防治装备直径越大，对于底板的加固效果越好，回坡底煤矿底板钻孔机目前所能达到的最大钻孔直径为75 mm，因此加固孔直径即定为75 mm；②加固孔深度为3 m，结合抗让结合底鼓防治装备原理，将加固孔垂直深度定为3.5 m，充填加固部位定为钻孔中部，装置上、下各留25 mm 的水平变形空间，从而达到“抗让结合”的效果；③加固孔排距：加固孔排距越小，对底板充填加固效果更好，其加固间排距设计原理与锚杆支护底板设计原理相同，同时考虑到最大化减小底板加固成本，将底板加固孔排距与1021 巷顶板支护排距设为相同，即排距设定为1m。

对1021 巷道进行卸压和加固处理后，可有效改变底板应力传播路径，如图7 所示。卸压孔的存在可以将煤柱侧底板围岩中较高的水平应力转移到更深部岩层中，靠皮带侧底板围岩加固可以阻隔高应力对该区域底板的破坏。

图7 防治前后底板围岩应力路径对比

4 现场应用

为了验证本项目所提方案的底鼓防治效果，在1021 巷道部分区段进行了现场应用。在巷道内共设置了4 个围岩表面位移观测站，观测了回采期间和非回采期间采用本项目措施后的巷道底板变形情况，并将受采动影响和不受采动影响2 种条件下采用底鼓防治措施和不采用底鼓防治措施的监测结果进行对比。分析数据可知当巷道不受采动影响时，与未经过底鼓防治处理段巷道相比，防治段巷道底板变形量大幅减小，并且20 d 后防治段巷道底板变形速度减缓，变形趋于稳定，而未经防治处理段巷道变形量持续增加，变形速度近似恒定；当巷道受到采动影响时，防治段巷道与未经过底鼓防治处理段巷道相比底板变形量较小。

5 结束语

针对回坡底煤矿1021 巷道巷道受煤柱应力传递影响出现底鼓现象等问题，采用理论分析和数值模拟研究了巷道围岩受力情况，并针对性采取了底鼓防治措施。

1）采用滑移线场理论分析得到距离煤柱越远一侧的底板位移速度更快，所以巷道底板将会产生非对称性的底鼓现象。

2）采用数值模拟模拟了底板钻孔充填加固不同深度5 个方案，确定加固深度为3 m 效果最好，确定了具体的底鼓防治方案参数。

3）进行了现场应用，得到在此方案下可以有效降低巷道的底鼓变形量，保证巷道安全稳定。