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1、软岩巷道底鼓机理及其控制技术研究 刘亮 同煤集团晋华宫矿 摘 要： 为控制 21101 工作面底鼓强烈, 巷道变形量大的问题, 根据巷道变形破坏特征对其破坏原因进行分析, 利用数值模拟手段提出底反拱+强化锚索控底技术方案, 并运用于工程实践, 研究结果表明:21101 工作面巷道底鼓类型为挤压流动型底鼓, 采用帮底互控支护技术提高了支护围岩承载结构的稳定性和承载能力, 保证巷道的正常使用。关键词： 工作面; 底鼓; 帮底互控支护; 变形观测; 数值模拟; 作者简介：刘亮 (1990-) , 男, 山西大同人, 助理工程师, 2013 年毕业于太原理工大学化学工程与工艺专业, 现在山西省大同市矿
2、区同煤集团晋华宫矿综采三队从事采煤技术工作收稿日期：2017-9-5Research on mechanism and control technology of soft rock roadway bottom heaveLiu Liang Jinhuagong Palace mine of Tong Coal Group; Abstract： For the control of 21101 working face the bottom drum is strong, the problem of large roadway deformation is analyzed accordi
3、ng to the characteristics of deformation and failure of roadway, and the technical scheme of bottom reverse arch + reinforced anchor cable controlled by numerical simulation is put forward, and applied in engineering practice, the results show that: the bottom drum type of roadway in 21101 face is e
4、xtruded flow type bottom drum., the support technology is used to improve the stability and bearing capacity of support-surrounding rock bearing structure and ensure the normal use of roadway.Keyword： working face; Bottom drum; bottom Mutual control support; Deformation observation; Numerical simula
5、tion; Received： 2017-9-5工作面回采期间, 如果巷道出现严重底鼓问题, 将严重影响行人、行车安全, 缩小巷道使用断面。为保障巷道正常使用, 必须对巷道进行数次的扩修, 刷帮挑顶及多次卧底工程, 不仅浪费大量人力、物力, 而且难以从根本上控制巷道的强烈变形。因此, 对于矿井安全生产来讲, 采取有效措施控制巷道的强烈底鼓十分必要。近年来, 随着对巷道底鼓问题的重视, 应运而生多种底鼓治理技术, 如底板注浆加固技术, 底板锚网支护技术等。但由于目前底板支护技术在支护技术、设备以及施工水平等多个方面存在技术问题, 且传统的支护方法无法满足软沿巷道变形量大的要求, 巷道底鼓问题一直
6、没有得到很好的解决。因此, 笔者以金龙煤业 21101 工作面为研究对象, 对其底鼓特征及原因进行分析, 通过数值模拟计算, 提出底鼓控制方案, 并对支护效果进行验证。1 工程地质概况21101 工作面设计走向长度 713.5m, 倾斜长度 103.5m, 开采煤层为二 1煤层, 煤层厚度沿走向起伏变化大, 厚度为 0.516m, 平均厚度为 5.5m, 煤层倾角814, 煤层结构简单。煤层伪顶不发育, 直接顶为细粒砂岩, 平均厚度3.8m, 整体性和强度较高;直接底为泥岩, 平均厚度 5.92m;老底为石炭系太原群地层, 结构稳定。工作面两侧均为采空区, 其上、下付巷采用沿空掘巷, 采空区边
7、缘留设 24m 小煤柱。巷道标高-160-181, 矿区地表标高+200 左右, 巷道平均埋深约 370m。上、下付巷均采用 36U 型钢棚支护, 支架下净宽 5634mm, 净高 3150mm, 净断面面积约 13m。在巷道顶部、帮部、肩窝处通过连锁打有 5道锚索, 锚索型号为 17.8mm5000mm 钢绞线。2 巷道变形特征及其原因分析21101 工作面巷道采取原有支护方式后, 支架在承载过程中主要存在以下变形特征:(1) U 型钢支架顶梁挤压变形, 整体可缩性受到限制, U 型钢棚搭接处卡缆螺母拉断;巷道两帮过大、顶板下沉严重, 不仅出现拱顶压平, 而且巷道两帮内移收敛导致棚腿失稳、顶
8、梁侧弯, 从而使支架支护失效。(2) 巷道底鼓及支架钻底严重, 巷道底鼓量普遍较大, 导致巷道净高普遍不足3m, 局部甚至不足 2m。(3) 锚索锚固效果差, 部分锚索起不到锚固作用, 甚至有些锚索已经松动。21101 工作面上、下付巷均为沿空巷道, 在滑动构造和采空区侧固定支承压力影响下, 现有支护方式难以控制巷道围岩变形, 巷道顶底板及两帮移近量呈非线性增加趋势, 支架结构性破坏严重。基于 21101 工作面采矿地质条件和现有U 型钢棚支护的变形破坏特征, 导致巷道失稳破坏的主要原因如下:(1) 二 1煤层松软, 具有强烈的流变特征。工作面巷道巷道埋深 370m, 原岩应力达到 10MPa
9、 左右, 采空区固定支承压力强烈作用下, 巷道围岩应力急剧增大, 实际应力为原岩应力的数倍以上。同时与顶、底板岩层相比, 二 1煤层强度明显偏低, 极为松散破碎。巷道掘出后, 松软煤体在高应力作用下易产生塑性流变, 并向巷道内挤出, 造成巷道断面急剧收缩, 且工作面底板未采取控底措施, 因此, 底鼓速度比顶帮收敛速度大得多。由 21101 上付巷底鼓特征可知:巷道底鼓属于挤压流动型底鼓。(2) 采空区侧固定支承压力影响。21101 工作面两侧均为采空区, 其回采巷道均为沿空巷道。由于上区段工作面回采, 在采空区边缘形成侧向支承压力, 沿空巷道实体煤侧围岩应力高。受煤柱侧支承压力引起的整体位移场
10、影响, 在采空侧底板会形成不均匀隆起区。沿空巷道底板由于没有支护, 成为自由面, 底板围岩在高水平应力作用下向巷道内挤出, 造成巷道严重底鼓。(3) U 型钢棚是一种具有可缩性的支架, 因为支架可缩性给予顶板一定卸压空间, 同时 U 型钢棚顶梁下缩后, 由于卡缆的预紧力矩减小, 易使支架出现低阻滑移。U 型钢支架的高阻可缩特性难以发挥, 支架工作阻力持续偏低, 对松软煤体提供的支护阻力较低。(4) 原有支护设计不合理。21101 工作面两侧均为采空区, 其上、下付巷采空区侧只留设 24m 小煤柱, 而原支护靠近采空区一侧的锚索长度为 5m, 锚索锚固段固定至松散煤岩体内, 达不到应有的锚固效果
11、, 以至起不到补偿作用。3 煤巷底鼓控制数值模拟分析应用有限差分软件 FLAC, 针对 21101 上付巷地质条件建立平面分析模型尺寸为宽高=100m100m, 共划分 40000 个单元, 模型计算准则选用 Mohr-Coulomb强度准则。为了对锚网索技术控底和底反拱+强化锚索技术控底进行一定程度上量化分析, 将几种支护条件下围岩稳定性特征的数值模拟结果制成量化表格, 见表 1。表 1 不同支护条件下巷道围岩稳定性特征 下载原表 由表 1 可知:锚网索控底技术和底反拱+强化锚索控底技术均有显著地控制底鼓效果, 同时能够一定程度的提高巷道周边围岩整体稳定性。然而, 针对金龙煤业 21011
12、工作面底板较为破碎的情况, 底反拱支护能够较好地适应破碎围岩底板, 甚至松软破碎底板反而降低了卧底难度, 因此, 采用底反拱+强化锚索控底技术可以使支护承载结构稳定性强, 更好的控制围岩变形。4 21101 上付巷帮底互控技术分析根据上述分析, 为了有效控制巷道底鼓, 工作面上付巷采用 36U 型钢高阻可缩封闭式支架作为基本支护;然后, 安装帮顶部结构补偿锚索, 对支架承载结构的薄弱部位进行结构补偿, 提高支架结构的整体稳定性;此外, 根据巷道底鼓情况, 决定是否在底板安装结构补偿锚索, 以进一步提高底板的稳定性。具体支护方案如图 1 所示。具体施工工艺过程如下:图 1 支护设计断面图 下载原
13、图(1) 架棚、设置拉杆。U 型钢棚棚距为 600mm, 采用 3 付普通卡缆进行搭接, 搭接时, 卡缆螺母的预紧力距不小于 250 Nm, 搭接长度为 500mm。U 型钢棚架设后, 在钢棚之间安装拉杆。(2) 挂金属网背板。在架设好的钢棚外侧铺设规格为 600mm5800mm10 号铁丝菱形金属网, 搭接长度为 100mm, 铺设时网片之间必须连接牢靠。(3) 安装锚索进行结构补偿。巷道顶板结构补偿锚索排距为 1200mm, 锚索材质选用 1860 钢绞线, 规格为 17.8mm8000mm, 锚固剂为 1 支 K2335 和 2 支Z2350 树脂药卷。锚索托梁由废旧 U 型钢加工而成,
14、 锚索预紧力不低于 9T。(4) 落底、施工底反拱。待架棚一段距离后, 依据设计安装底板反拱支架, 安装时, 卡缆螺母的预紧力距不小于 250 Nm, 反拱加工图如图 2 所示。图 2 底反拱支架加工图 下载原图(5) 安装底板锚索。底板锚索型号为 17.85000mm1860 钢绞线, 锚索孔孔深4700100mm, 锚固剂采用 1 支 K2335 和 2 支 Z2350 树脂药卷。托梁采用废旧 U型钢加工, 锚索预紧力不低于 9t。5 底鼓控制效果21101 工作面采用帮底互控技术支护后, 利用采用十字布点法对巷道进行表面位移监测, 用以分析巷道支护效果, 监测内容包括:顶底板相对移近量、
15、两帮相对移近量、底鼓相对量, 监测结果如图 3 所示。由图 3 可知:21101 工作面上付巷采用帮底护控支护技术后, 工作面回采期间, 巷道顶底板移近量和两帮移近量均在 200mm 以下, 且移近量增大趋势一致, 巷道呈全断面均匀收缩状态, 巷道支护效果较好, 能满足巷道的正常使用, 表明帮底互控支护技术不仅提高支护承载结构的结构稳定性, 而且采用底反拱支架控制底鼓, 真正提高了支护围岩承载结构的稳定性和承载能力, 是控制深部“三软”煤巷围岩变形的一种有效手段。图 3 观测站巷道表面位移量 下载原图6 结论(1) 通过对 21101 工作面巷道变形破坏情况进行分析可知:二 1煤层松软, 具有强烈的流变特征, 采空区侧固定支承压力影响, U 型钢棚顶梁下缩后, 由于卡缆的预紧力矩减小, 易使支架出现低阻滑移, 原有支护设计不合理等因素是巷道变形破坏的主要原因。(2) 通过数值模拟分析, 针对金龙煤业 21011 工作面底板较为破碎的情况。采用底反拱+强化锚索控底技术可以更好的控制围岩变形。(3) 通过矿压观测结果可知:工作面巷道采用的帮底互控支护技术不仅提高支护承载结构的结构稳定性, 而且采用底反拱支架控制底鼓, 真正提高了支护围岩承载结构的稳定性和承载能力, 是控制深部“三软”煤巷围岩变形的一种有效手段。
