正善煤矿底鼓机理与治理技术研究

刘应龙

（山西汾西正善煤业有限责任公司，山西 孝义 032300）

随着矿井开采深度的增加与地质条件的日趋复杂，巷道围岩所承受的应力逐渐增大。围岩应力的增大会导致矿山压力显现明显，巷道出现底鼓、冒顶和冲击地压等安全问题，影响矿井的安全生产。巷道底鼓是由于上覆岩层自重应力、构造应力和水平应力等共同作用下，在巷道底板应力集中，当集中的应力超过巷道所能承受的极限时，巷道会出现底鼓[1-4]。工作面的采深、构造情况和底板岩层性质等是影响巷道出现底鼓的主要因素。巷道底鼓影响矿井的生产效率，对矿井的安全有一定的影响。因此，对于底鼓应当采用有效的措施进行治理，使矿井能够安全生产。

1 概况

山西汾西正善煤业有限责任公司位于孝义市西南直距约20km处，井田呈规则四边形，南北长约3.203km，东西宽约3.298km，批准开采2、3、4号煤层，井田面积10.5602km2。全矿井工业储量为2368万t，矿井可采储量为1689.4万t，服务年限14.4a。矿井地质构造属简单类型，水文地质条件为中等类型，属自燃煤层，煤尘有爆炸危险性，为低瓦斯矿井。

全井田划分一个水平开拓，水平标高+724m，划分为两个采区，装备1个综合机械化采煤工作面，即2201首采工作面，工作面走向长度1698m，倾向长度176.5m，平均采高2.2m。

2 底鼓发生机理

巷道开掘之前，煤岩体是处于三向应力的平衡静止状态[5-6]。巷道的开掘使其平衡状态破坏，应力重新分布，受到高集中应力的作用，主要表现为应力范围的增大和应力的峰值向煤壁深部转移，在巷道边缘前方形成应力增高区，部分围岩的应力进入塑性状态分布。由于塑性区内的岩体的粘聚力已经基本消失，主要依靠岩块间的摩擦力维持稳定，煤体的承载能力大幅下降，处于极不稳定的状态，在外界扰动的作用下，围岩的塑性的范围会逐渐扩大，会导致巷道围岩发生频繁的剪切破坏。

由于正善煤矿采深大，底板岩层强度低，巷道掘进时，上覆岩层的高集中应力经过两帮向巷道底板传递，在水平应力与自重应力的共同作用下，会在巷道底板形成高集中应力区，在该区域巷道底板应力由弹性状态转化为塑性状态。随着巷道的不断掘进，底板所承受的集中应力不断增大，底板岩层发生频繁的剪切破坏，当集中应力超过巷道所能承受的极限时，岩层不断剪切破坏出现的断裂面延伸到巷道底板，巷道底板出现底鼓。其发生机理如图1所示。

图1 底鼓发生机理示意图

3 数值模拟

3.1 模拟方案

（1）对不同采深下巷道底板底鼓量进行数值模拟，来判定自重应力对巷道底板量的影响。

（2）分析构造应力对巷道底板底鼓量进行数值模拟，来判定构造应力对巷道底板量的影响。

3.2 自重应力对巷道底鼓影响数值模拟

通过RFPA数值模拟软件分别模拟巷道200m、400m、600m、800m埋深时，自重应力对巷道底板的破坏情况，模拟结果如图2所示。

图2 不同采深巷道底板破坏模拟图

由图2数值模拟结果可知，巷道在不同埋深时底板底鼓量不同，随着巷道埋深的逐渐增加，巷道底鼓量越来越大。当巷道埋深为200m时，巷道底板的两帮底角区域为薄弱区域，底板受到水平应力的作用开始出现剪切破坏，由底角区域逐渐向巷道底板延伸，断裂面延伸到巷道底板区域底板出现倒三角现象。随着埋深的增大，倒三角区域逐渐增大，底鼓现象越发严重。因此，由模拟结果可知，巷道开采深度增加会导致自重应力增大，巷道底鼓现象也越发明显。

3.3 构造应力对巷道底鼓影响数值模拟

在地质构造复杂的地方开掘巷道，巷道开掘所承受的应力以构造应力为主，构造应力为主应力，不同的地质构造条件巷道所承受的构造应力的方向和大小有所不同[7-8]。不同于自重应力场中自重应力作为巷道主应力的情况，在构造应力场中水平应力大于垂直应力，因此水平应力作为巷道的主应力，通过RFPA数值模拟，在巷道埋深一定的情况下（400m），分析不同水平应力系数K=1.2、K=1.8、K=2.0时，巷道底板底鼓量。数值模拟结果如图3所示。

图3 构造应力场不同水平应力系数巷道底鼓量

由图3可知，随着水平应力的增大，在巷道埋深一定的情况下，巷道底鼓量越来越大。在巷道开掘过程中，自重应力和构造应力是影响巷道底鼓量的两个重要因素，不管是自重应力还是构造应力都会加大巷道的底鼓量。

4 巷道底鼓治理措施

4.1 开掘卸压槽

在巷道底板开掘槽，可以降低巷道底板的集中应力，卸压槽的挖掘，破坏了巷道底板应力传递的连续性，使巷道所承受的水平应力向深部转移，避免了应力在巷道底板集中，卸压槽的挖掘吸收巷道出现底鼓的能量。图4为巷道底板开掘卸压槽示意图，由图4可以看出，泄压槽的开掘，巷道底板的应力由C向深部D转移，减少巷道底板所承受的应力，避免巷道出现底鼓。

在2201首采工作面运输巷与回风巷掘进过程中，为了避免巷道底板出现底鼓，在巷道掘进过程中挖掘一条沿着巷道走向布置的卸压槽进行底板卸压，卸压槽的宽为0.5m，深为1.8m，巷道掘完后，采用矸石对卸压槽进行人工充填，避免影响矿井行车、行人安全。

图4 开掘卸压槽巷道底板应力转移图

4.2 底板支护

2201首采工作面运输巷与回风巷掘进过程中采用底板锚杆和锚索对巷道底板进行支护，通过锚杆来提高巷道底板的抗剪切能力，阻止底板岩层由于应力集中而出现相对滑动，加固底板岩层的强度，提高巷道底板的稳定性。巷道底板通过锚杆进行支护后，巷道底板岩层形成组合拱结构，组合拱结构能加固底板岩层强度，控制底板变形。支护参数为：锚杆选用Ф20×3000mm（MSGLD-500/20）左旋等强度全螺纹锚杆，锚杆间排距为1000×1000mm；锚索选用Φ17.8×5000mm钢绞线（SKP18-1/1860）锚索，断面间排距为1500×2700mm。其底板支护布置示意图如图5所示。

图5 底板支护布置示意图

4.3 底板注浆

底板注浆的原理是通过注浆加固底板由于剪切破坏而导致的破碎岩层，注浆液可以增强岩层间的粘聚力，提高底板围岩的强度，增强巷道底板抗变形能力，保持巷道底板的完整性，避免巷道出现底鼓现象。底板注浆可以在控制底板变形过程中形成一个控制底板鼓起的反拱。

在2201首采工作面运输巷与回风巷底板无注浆时，底鼓量为241mm，巷道底鼓量较大，对矿井的安全生产有一定的影响；在矿井采用注浆加固底板时，巷道底鼓量明显减小，底鼓量为123.5mm。因此，采用底板注浆的措施能有效地减小底板的底鼓量。

底板注浆不仅可以降低减小巷道的底鼓量，其对底板的加固作用在一定程度上也可以防治底板欲裂水，降低发生底板型冲击地压的危险性。因此，矿井底板注浆能够降低发生灾害的危险性，对矿井的安全生产具有重要的意义。

5 结论

（1）分析了巷道底鼓发生的机理，是在自重应力、构造应力和水平应力等作用下，在巷道底板形成应力集中区，当集中的应力超过底板所能承载的极限时，巷道底板会发生底鼓。

（2）采用RFPA数值模拟分析了自重应力与构造应力对巷道底鼓的影响，通过模拟结果可知，巷道埋深越大，巷道所处位置地质构造越复杂，巷道底鼓量越大。

（3）采用开掘卸压槽、底板锚杆、锚索支护、底板注浆加固的的措施治理巷道底鼓，实践证明具有良好的效果。