深部开采回采巷道底鼓防治技术

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我国煤炭资源开采强度大，大部分服务年限较长的矿井已进入深部开采，巷道围岩的稳定性问题日益突出，尤其是软岩巷道，采动后上覆岩层支承压力传递至巷道底板，使应力在底板集中，引发巷道出现底鼓［1－4］。底鼓是巷道常见的动力现象，对巷道的行人、运输、通风等造成严重影响，使巷道经常返修，增加维护成本［5－8］。国内外学者对底鼓的发生机理进行了大量研究，如康红普［9］提出底鼓是巷道受动力影响发生的失稳现象，扰曲、弹塑性位移及扩容位移是引起底鼓三大因素。赵红涛［10］以车集矿巷道为研究对象，对深度软岩巷道围岩变形原因进行分析，发现巷道在底板松软、巷道底板及底角缺乏支护、围岩应力及采动压力等综合影响下出现底鼓，并提出采用大直径锚索束+反底拱+深浅孔注浆技术控制底板变形，现场取得较好的效果。贾进亚［11］等针对某矿－1000m软岩巷道底部变形严重问题，采用FLAC软件模拟分析不同底鼓加固措施效果，并最终优选底拱混凝土浇灌+底板锚杆底鼓治理方案，现场应用后底鼓量控制在30mm以内，取得显著的底鼓治理效果。贺永年［12］认为底鼓是顶板岩层应力通过两帮向底板传递，顶板与两帮应力在底板集中，底板在应力挤压作用下发生断裂，引起底板隆起。虽然国内外众多学者对底鼓的成因进行了大量研究，但是底板岩层性质及应力分布具有复杂性，应结合矿井的具体条件分析底鼓的发生机理［13－14］。常见的底鼓控制技术主要是对两帮和底板进行提前卸压，但常忽略了对顶板的卸压，尤其是对坚硬顶板的提前卸压，因此多数矿井很难控制底鼓［15］。本文以30201运输巷为研究对象，分析了巷道底板发生剪切破坏的机理，提出采用底板锚杆+开挖卸压槽联合治理底鼓，根据监测巷道围岩变形量可知，联合法治理效果明显，有效改善了巷道底板变形，为类似巷道底鼓控制提供了经验。

1工作面概况

母杜柴登煤矿30201首采工作面位于井田南翼中部，302盘区东侧，主采煤层为3煤，设计采高4．8m，生产能力4．2Mt/a。工作面设计长度3500m，宽度240m，为南北走向，向302盘区西部接续。煤层厚度为3．8～6m，总体南部厚，北部薄。煤层埋深为630．8～654．61m，南浅北深。煤层底板标高为+631．1～+646．132m，南高北低。整体为单斜构造，工作面煤层倾角1～2°，煤层倾向为北西向。煤层底板由泥岩、砂质泥岩构成，岩层强度低，上覆岩层高集中应力经两帮向底板传递，并在底板形成应力升高区，在外界扰动影响下，巷道底板发生底鼓。因此，为保证工作面回采速率，需提前对巷道底板进行卸压，避免底板出现应力集中。同时，加固底板，提高底板支护强度和稳定性。工作面两巷采用锚网索+锚注联合支护，支护参数如表1所示。

2底鼓发生机理

2．1力学分析30201运输巷掘进后，围岩的应力平衡状态被打破，应力重新分布。底板软岩强度低，上覆岩层高垂直应力经两帮向底板传递，并在底板形成主动应力集中区，该区域内软岩由弹性状态转化为塑性状态。随着应力载荷的不断增加，底板主动应力区不断膨胀挤压过渡区煤体，使过渡区的煤体发生频繁的剪切破坏，破裂面贯通被动区并延伸到巷道底板，巷道底板出现整体剪切破坏。

2．2数值模拟分析

2．2．1模拟方案采用FLAC3D模拟30201运输巷开挖后围岩应力分布及位移的变化情况，得到巷道围岩变形破坏规律。建立200m×100m×50m的力学模型，垂直方向施加15MPa应力。

2．2．2模拟结果分析①应力分布情况30201运输巷开挖前后巷道围岩应力分布情况如图1所示。由图1可知，30201运输巷掘进前，巷道应力处于平衡状态，垂直应力由上向下传递，并逐渐增大，但上下应力值相差不大。巷道掘进后应力重新分布，最大最小应力值相差较大，最大应力值为开挖前1．7倍。巷道围岩周围应力明显升高，最大应力分布在巷道两侧，两侧应力向底板传递，并在底板形成应力集中区，使底板出现底鼓。②位移变化情况30201运输巷未支护时巷道围岩位移分布情况如图2所示。由图2可知，30201运输巷掘进后若不及时采用支护措施，围岩受动压影响剧烈，在应力的作用下围岩发生严重的变形破坏，围岩变形量大，主要表现为顶板下沉、底板鼓起、两帮移近。根据模拟结果可知，最大顶板下沉量为490mm，最大底鼓量为460mm，最大两帮移近量为620mm。③侧压系数巷道围岩塑性区范围随测压系数增加而增大，顶底板增加范围大，两帮增加范围相对较小。当测压系数大于2后，巷道顶底板塑性区范围明显大于两帮，表明底板发生剧烈变形破坏。

3底鼓控制技术研究

常见的底鼓控制技术主要有加固法、卸压法和联合法。加固法主要通过支护提高底板强度，本文主要对底板锚杆支护进行研究;卸压法主要通过改变围岩的应力状态，使底板应力向深部转移，本文主要对开挖卸压槽进行研究;联合法将加固法和卸压法联合使用，共同治理底鼓。采用FLAC3D模拟30201运输巷采用底板锚杆、开挖卸压槽及两种方法联合使用后的巷道底鼓量，选择最合理支护措施及参数。

3．1底板锚杆

3．1．1模拟方案通过模拟锚杆不同长度、间距及倾角时巷道底鼓量，研究不同参数对控制底鼓的影响。设计3种不同支护方案，具体参数如表2所示。

3．1．2模拟结果分析①锚杆长度锚杆间距和倾角固定情况下，不同锚杆长度下的巷道底鼓量如表3所示。由表3可知，随着锚杆长度的增加，巷道底鼓量逐渐减小，但减小速率逐渐放缓。因此，不是锚杆长度越长支护效果越好，锚杆过长反而会增加施工难度和施工成本。锚杆长度为2．8m时，巷道底鼓量为最小值175mm。②锚杆间距在锚杆长度和倾角固定情况下，不同锚杆间距的巷道底鼓量如表4所示。由表4可知，随着锚杆间距的增加，巷道底鼓量逐渐增大，表明锚杆间距的增加对控制巷道底鼓量的作用逐渐减弱。当锚杆间距为0．5m时，巷道底鼓量为最小值125mm，较未支护时减小了72．8%，控制效果明显。③锚杆倾角锚杆长度和间距固定情况下，不同锚杆倾角下的巷道底鼓量如表5所示。表5不同锚杆倾角时巷道底鼓量锚杆倾角/°底鼓量/mm15220302024519560177由表5可知，随着锚杆倾角的增加，巷道底鼓量逐渐减小，治理效果变好。当锚杆倾角为60°时，巷道底鼓量为最小值177mm。模拟巷道底板锚杆不同长度、间距及倾角时的巷道底鼓量可知，锚杆长度及倾角越大、间距越小，越能降低底鼓量。在实际施工中，应综合考虑矿井的地质条件、经济效益及施工难度等因素，合理布置锚杆。

3．2卸压槽模拟开挖卸压槽不同深度和宽度时巷道底鼓量，设计卸压槽长度分别为0．25m、0．5m、0．75m，深度分别为0．7m、1．4m、2．1m、2．8m，模拟结果如图3所示。图3开挖卸压槽巷道底鼓量由图3可知，当卸压槽宽度一定时，随着深度的增大，底鼓量逐渐减小;当卸压槽深度一定时，随着宽度的增大，底鼓量逐渐减小，但减小速率相对不同深度时小，表明卸压槽宽度对控制底鼓量效果相对于深度小。卸压槽深2．8m、宽0．75m时巷道位移变形情况如图4所示。图4卸压槽深2．8m、宽0．75m时巷道位移变形图由图4可知，巷道开挖卸压槽底鼓量明显减小，相比未支护时，巷道最大底鼓量由460mm减小为140mm，减少了69．6%，最大顶板下沉量由490mm增大为505mm，开挖卸压槽能够有效控制底板变形，但对降低顶板下沉几乎没有效果。

3．3联合法模拟采用底板锚杆和开挖卸压槽联合支护时的巷道底鼓量，设计锚杆长度为2．4m、间距0．5m、倾角60°，卸压槽宽为0．75m、深为2．8m的参数，模拟结果如图5所示。由图5可知，联合法相对单一的底板锚杆、开挖卸压槽来说，更能充分发挥各自优势，控制巷道底鼓效果明显，能避免底板应力集中，提高底板的稳定性，巷道最大底鼓量降至95mm，支护效果好。

4效果检验

30201运输巷采用底板锚杆+开挖卸压槽控制底板变形，通过对巷道围岩变形量进行监测，掌握巷道底板变形规律，验证治理的合理性。在巷道共布置5个测站，间距15m，每个测站布置4个监测点，分别位于巷道顶板、底板及两帮，每天对巷道围岩变形量进行监测分析。在监测的30d内，巷道底板变形量随着时间的推移逐渐增加，增加速率逐渐变缓，20d后底板变形量逐渐趋于稳定。根据对5个测站的监测，最大底板变形量分别为70mm、71mm、68mm、75mm、78mm，均值为72．4m。各测站的最大底板变形量均在安全范围内，底板锚杆+开挖卸压槽的联合法控制底鼓量效果明显，能够有效提高底板的稳定性，保证了巷道掘进施工的安全性，为类似条件下巷道底鼓量控制提供了经验。

5结论

5．1以30201运输巷为研究对象，建立了巷道底板发生剪切破坏的力学模型。采用FLAC3D模拟巷道开挖后围岩应力分布及位移变化情况，根据模拟结果可知，巷道掘进后最大应力值为掘进前1．7倍，围岩应力明显升高，在底板形成应力集中区，使底板出现底鼓，最大底鼓量为460mm。巷道围岩塑性区范围随测压系数增加而增大，当测压系数大于2后，巷道顶底板塑性区范围明显大于两帮，底板发生剧烈变形破坏。

5．2采用FLAC3D模拟30201运输巷采用底板锚杆、开挖卸压槽以及两种方法联合使用后巷道底鼓量，选择最合理支护措施及参数。通过设计不同底板锚杆长度、间距及倾角时巷道底鼓量可知，当锚杆长2．4m、间距0.5m、倾角60°时支护效果最优。通过设计卸压槽不同长度及深度时巷道底鼓量可知，卸压槽深2.8m、宽0.75m时卸压效果最优。根据模拟结果可知，采用底板锚杆+开挖卸压槽联合治理巷道底鼓量效果最好，巷道最大底鼓量降至95mm，在安全范围内，治理效果明显。

5．3在巷道共布置5个测站监测巷道围岩变形量验证支护效果，根据监测结果可知，最大底板变形量平均值为72．4m，各测站的最大底板变形量均在安全范围内，底板锚杆+开挖卸压槽的联合法控制底鼓量效果明显，能够有效提高底板的稳定性，保证了巷道掘进施工的安全性，为类似条件下巷道底鼓量控制提供了经验。

参考文献:

［1］杨冉，郝兵元，刘世涛，等．多因素权重下底鼓巷道切槽深度分级研究［J］．煤炭技术，2022，41(07):15－19．

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作者:杨飞 单位:鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司