受采动影响弱胶结软岩临近巷道底鼓机理及控制研究_马成甫.pdf

受采动影响弱胶结软岩临近巷道底鼓机理及控制研究马成甫1，张涛1，赵鑫1，于凤海2，王博1，计鹏举1，杨学瑞2（1.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯017000；2.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东青岛266590）摘要：西部矿区双巷掘进模式下弱胶结软岩临近巷道受采动影响时底鼓严重，直接造成巷道无法预留作为下一工作面的巷道正常使用。针对此情况，采用现场调研、理论分析与数值模拟相结合的研究方法，探究临近巷道受采动影响底鼓变形演化规律，揭示底鼓发生机理，提出该类巷道底鼓控制策略与控制方案，并进行现场应用实践。研究结果表明：基于现场调研分析，获取了程度大、非对称的阶段性底鼓特征；通过理论分析，获取了采动影响下两帮不同侧向支承压力作用产生底板两侧不同破坏深度的底鼓机理；结合底鼓特征及机理提出了“底板中部切槽+帮部卸压孔”的底鼓治理技术，通过数值模拟确定施工参数并进行现场试验，表明该技术底鼓量可减小约80%，有效控制了采动影响下弱胶结软岩临近巷道底板变形。关键词：弱胶结软岩；采动；临近巷道；底鼓机理；控制中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 064 05Research on Mechanism and Control of Floor Heave in AdjacentRoadway of Weakly Cemented Soft Rock Affected by MiningMA Chengfu1,ZHANG Tao1,ZHAO Xin1,YU Fenghai2,WANG Bo1,JI Pengju1,YANG Xuerui2(1.Ordos City Haohua Hongqingliang Mining Co.,Ltd.,Ordos 017000,China;2.School of Energy and MiningEngineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)Abstract：Under the double roadway driving mode in western mining area,the floor heave is seriouswhen the weak cemented soft rock adjacent roadway is affected by mining,which directly causes thatthe roadway cannot be reserved as the next working face.In view of this situation,it adopts theresearch method of field investigation,theoretical analysis and numerical simulation to explore thedeformation evolution law of floor heave affected by mining in adjacent roadway,reveal the mechanismof floor heave,put forward the control strategy and control scheme of floor heave in this kind ofroadway,and carry out field application practice.The results show that:based on the field investigationand analysis,the stage floor heave characteristics with large degree and asymmetry are obtained;throughtheoretical analysis,the floor heave mechanism of different failure depths on both sides of the floorunder different lateral abutment pressures of the two sides under the influence of mining is obtained;combined with the characteristics and mechanism of floor heave,the floor heave control technology ofmiddle floor cutting groove side pressure relief hole is proposed.The construction parameters aredetermined by numerical simulation and the field test is carried out.The results show that the amountof floor heave can be reduced by about 80%,which effectively controls the deformation of roadway floornear weak cemented soft rock under mining influence.Key words:weakly cemented soft rock;mining;adjacent roadway;floor heave mechanism;control第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0120引言在西部矿区，部分矿井运用双巷布置进行煤炭开采，随着开采深度不断向中深部延伸，受采动影响下临近巷道围岩失稳现象频繁，尤其是在岩石强度低、胶结能力差的弱胶结软岩条件下的巷道中，底鼓程度剧烈。许多学者针对采动影响下巷道底鼓机理及控制措施进行了深入研究，周文凯等应用理论分析和数值模拟方法研究了“三软”煤层条件下留巷主应力及塑性区的变化规律，分析了非对称变形的原因；孙晓明等基于欧拉公式，利用压杆稳定理论、摩尔库仑准则和挠曲破坏力学模型及数值模拟，分析了不同层状软岩巷道变形破坏机理及破坏动态演化规律；杨生彬等通过多个试验巷道工程底鼓控制措施对比，并运用三维数值模拟方法，研究了底角锚杆在深部软岩巷道底鼓控制中的工作机制；王晓卿等通过现场调研及数值模拟方法，探索了高应力软岩巷道底鼓机理及控制方法，提出了应用端锚锚索束对64图2辅运巷道支护断面图11302辅运巷道围岩结构较简单，顶底板岩层以砂质泥岩为主，整体围岩强度较低，胶结性能差，为典型的弱胶结软岩，顶底板岩层分布如表1所示。表1顶底板岩层分布1.2受采动影响底鼓特征及演化经现场调研勘察可知，受11302工作面采动影响，该辅运巷道底鼓破坏严重，最大底鼓量可达2.7 m，严重影响巷道围岩稳定性和安全性。选取11302辅运巷道第4、5联巷间区段为主要调研区域，从底鼓变化量、底鼓位置、与工作面距离3方面描述底鼓特征，并划分为3个阶段：初始阶段、加速阶段、稳定阶段，各阶段底鼓特征如图3所示。图3底鼓破坏特征示意图巷道各阶段底鼓特征（见图4）：（1）底鼓初始阶段为工作面至后方采空区约20 m范围，巷道围岩整体稳定性较好，近煤柱帮侧地坪轻微开裂变形，底鼓显现较弱，整体底鼓量不超过0.3 m；（2）底鼓加速阶段为距工作面约20 m位置至后方采空区120 m范围，巷道围岩整体变形明显，近煤柱帮侧地坪开裂鼓起，底鼓显现剧烈，底板变形速率快，整体底鼓量超过2 m；（3）底鼓稳定阶段为距工作面大于120 m的后高应力软岩巷道的底鼓治理；文志杰等研究了软岩回采巷道剪切错动型底鼓破坏机制，并提出了新型反底拱底鼓控制技术；杨仁树等采用数值模拟与力学分析相结合的方法，对弱胶结软岩巷道层状底板失稳机理及控制技术展开研究，提出了“高强锚网梁索+喷浆密闭+底板锚注”的底鼓治理措施；华心祝等通过现场调研及相似材料模拟试验研究了深井沿空留巷底鼓演化特征及机理，将底鼓划分为滑移-弯曲线形成期等5个阶段，并提出了针对各阶段的防控对策；贾后省煤柱巷道底板强度低下以及在采动影响下围岩应力环境出现非均匀现象，进而导致巷道底板塑性区出现非均匀分布，是造成非对称底鼓的内在原因；张官禹针对底鼓影响因素较多的情况，采用锚梁+锚杆+网喷+浇筑混凝土的联合支护技术；熊鹏飞等针对弱胶结软岩巷道底鼓速度快、时间长、变形大等难题，分析了软岩巷道的围岩变形特征及底鼓机理，采用锚梁+锚杆+网喷+浇筑混凝土的底鼓联合支护技术。此外，国内外许多专家学者在巷道底鼓治理技术方面进行了大量的技术研究，主要分为加固法、卸压法及联合支护法，如打设底角锚杆、底板切槽、卸压孔及多种方法结合的治理技术。专家学者们对采动影响下巷道底鼓特征及机理做了大量研究，但双巷布置方式下弱胶结软岩受采动影响临近巷道底鼓特征及控制技术仍需进行研究。本文以鄂尔多斯市红庆梁煤矿11302工作面辅运巷道为研究对象，拟采用现场调研、理论分析与数值模拟相结合的方法，分析双巷掘进模式下弱胶结软岩临近巷道受采动影响下的底鼓演化特征，研究围岩应力演化规律，提出治理方案，采用数值模拟优化方案参数，并进行现场试验。1受采动影响临近巷道底鼓演化规律1.1工程地质情况11302工作面采用双巷掘进模式，辅运巷道作为下一工作面预留巷道，为临近巷道，与运输巷道间煤柱宽度为20 m，埋深约为500 m，巷道局部布置如图1所示。巷道顶板采用“锚杆+锚索+金属锚网”联合支护，帮部采用“锚杆+锚网”联合支护，开采帮采用20 mm2 400 mm玻璃钢锚杆，间排距800 mm1000mm，加塑料网支护；煤柱帮采用22mm2400mm螺纹钢锚杆，间排距800 mm1 000 mm，具体断面支护设计如图2所示。受采动影响弱胶结软岩临近巷道底鼓机理及控制研究马成甫，等第42卷第03期Vol.42 No.03图1局部巷道布置示意图岩性描述杂色，以灰白色为主，巨厚层状，砾石以石英岩和花岗岩为主，砂泥质充填深灰色，砂泥质结构，含砂量均匀黑色，弱沥青光泽，为半暗煤深灰色，砂泥质结构，含砂量均匀厚度/m15.0820.154.419.83.86.203岩性砾岩砂质泥岩煤砂质泥岩第5联巷第4联巷第3联巷第2联巷第1联巷20 m11302辅运巷道11302运输巷道11307工作面（未开采）11302工作面（回采中）顶部螺纹钢锚杆202 400排距1 000顶部锚索21.67 300排 距2 000，矩 形 布 置（3-3-3）锚索加W钢带联合支护螺纹钢锚杆202 400排距800金属网玻璃钢锚杆222 400排距800塑料网5 0005 2001001002503030100金属网4008008003 6003 9502080060050045100500R1 0001 5001 5007007004570070035035050050060020800800800400150底鼓初始阶段底鼓加速阶段回采方向底鼓稳定阶段底鼓量与工作面距离/m-20-120065方采空区范围，巷道围岩整体变形破坏严重，近煤柱侧底鼓非常严重，底鼓量最大可达2.7 m，底鼓变化速率减小，底鼓量较为稳定。（a）初始阶段（b）加速阶段（c）稳定阶段图4分阶段底板破坏形态图综上所述，巷道断面顶沉、帮鼓现象明显，特别是全断面底鼓显现，底鼓变化特征主要有2个特点：（1）底鼓程度大在采空区后方120 m范围外最大底鼓量可以达到2.7 m，超过11302辅运巷道垂直高度的1/2。（2）呈现非对称性受采动影响，近煤柱帮侧底板变形严重，呈现非对称性特征。2受采动影响临近巷道底鼓机理2.1底鼓力学模型在采动后侧向支承压力的作用下，弱胶结软岩巷道底板承载能力不足而产生底鼓，分析支承压力分布规律可认为在煤柱传递压力的作用下，巷道底板两侧的支承压力分布不均，从而建立受采动影响弱胶结软岩巷道非对称底鼓力学模型。假设底板岩层破坏为理想弹塑性破坏，基于郎肯土压力理论及滑移线场理论，计算底板破坏极限深度，可建立受采动影响临近巷道底鼓力学模型，如图5所示。图5受采动影响临近巷道底鼓力学模型I为朗肯主动区，三角楔体的岩体随支承压力的增大一起移动，并一直处于弹性平衡状态，这个楔体称为弹性楔体；为底鼓过渡区，其内岩体主要发生径向剪切破坏；为朗肯被动区。最大破坏位置与煤帮之间距离h=r sin（1）最大极限破坏深度d=h/tan（2）式中r对数螺旋线长度，m；夹角，()。2.2底鼓机理根据图5，分析在11302辅运巷道受采动影响后帮部侧向支承压力变化及底鼓特征产生的机理。以煤柱帮传递的垂直应力作用下底板为研究对象，受工作面采动影响后，帮部传递的垂直应力作用至底板，随着工作面不断推进，应力增加，I、II、III3个破坏区不断增大，且煤柱帮底板破坏范围大于实体煤侧。经计算可得底鼓特征演化过程如图6所示，底板破坏深度随采动应力影响程度的变大，其最大破坏深度位置由两帮位置逐渐向巷道中心转移至距煤柱帮1.18 m处，且底鼓破坏的最大深度也逐渐加深至2.53 m。巷道底鼓由初始阶段的底角底鼓演化至稳定阶段的全断面底鼓。由上述内容可知，弱胶结软岩条件下的临近巷道受采动影响导致两帮侧向支承压力增大，在不同垂直应力作用下使底板两侧产生不同的破坏范围，形成程度大、非对称性底鼓特征。3受采动影响临近巷道底鼓控制研究3.1底鼓控制策略及方案底鼓控制策略主要有2种：（1）通过增加支护措施对巷道进行加固，以增加支护阻力来提高围岩的承载能力；（2）提前破坏岩石，使岩层出现不连续，从而起到释放变形来降低应力集中、向深部岩体转移应力的作用。基于上述11302辅运巷道弱胶结软岩巷道受采动影响后的底鼓破坏特征及机理，从改善采动影响对底板应力环境角度考虑，采用卸压方法，确定“底板中部切槽+帮部卸压孔”的技术方案，通过底板切槽释放底板围岩中的应力，帮部卸压孔减小向底板受采动影响弱胶结软岩临近巷道底鼓机理及控制研究马成甫，等第42卷第03期Vol.42 No.03211212煤柱帮底角鼓出非对称底鼓实体煤地坪开裂非对称底鼓煤柱帮实体煤非对称底鼓煤柱帮实体煤采空区基本顶直接顶煤柱实体煤11302辅运巷道brho底板66传递应力影响并向深部转移，降低对底板的垂直应力作用产生的巷道底鼓破坏范围。（a）初始阶段（b）加速阶段（c）稳定阶段图6底鼓特征形成过程示意图3.2数值计算模型采用FLAC3D数值软件，选定11302工作面为工程原型，计算模型选取X水平方向长度220 m，Y水平方向长度100 m，Z垂直方向80 m建立数值计算模型。各岩层自上而下依次是砾岩、砂质泥岩、煤、砂质泥岩、细砂岩和砂质泥岩。现场巷道埋深约500 m，在模型上部边界施加12.5 MPa均布压应力，选取巷道断面具体形状为矩形巷道，巷道尺寸为5 m4 m。具体模型如图7所示。图7数值计算模型图模型中采用的岩石力学参数如表2所示。表2FLAC3D中岩石力学参数选取3.3模拟结果对于“底板中部切槽+帮部卸压孔”的技术方案，根据现场实际施工条件及要求，切槽宽度确定为1000mm，卸压孔尺寸为煤柱帮150 mm14 000 mm，实体煤150 mm11 000 mm，排距3 000 mm，因此需对切槽深度进行模拟优化，确定合理的尺寸参数。设置4种工况，分别对切槽深度为1 500、2 000、2 500、3 000 mm进行数值模拟，具体工况参数如表3所示。表3FLAC3D模拟工况mm不同切槽深度下垂直位移云图、垂直位移曲线如图8、图9所示，切槽深度为1 500 mm时，最大底鼓量控制在80 mm左右；切槽深度为2 000 mm时，最大底鼓量控制在60 mm左右；切槽深度为2500mm时，最大底鼓量控制在50 mm左右；切槽深度为3 000 mm时，最大底鼓量控制在40 mm左右。由此可见，在深度小于2 500 mm时，通过增加切槽深度来控制底鼓的效果较显著，深度大于2 500 mm时，通过增加切槽深度的方式来控制底鼓的效率有所降低。考虑现场作业施工效率，故将切槽深度定为2500mm。综上可知，治理方案为切槽尺寸1000mm2500mm，卸压孔尺寸为煤柱帮150 mm14 000 mm，实体煤150 mm11 000 mm，排距3 000 mm。4现场试验为了验证底鼓治理方案的控制效果，保证11302辅运巷道能在临近工作面开采时作为回风巷道继续使用，对11302辅运巷道第1联与第2联巷间局部区域试验“切槽+卸压孔”底鼓治理方案，并在超前工作面100190 m内间隔30 m分别设置位移监测测点。具体区域及测点布置如图10所示。以位移测点1观测结果为例（见图11），由图11可知：滞后于工作面约10 m时，开始出现轻微变形，顶板及帮部较稳定，后底鼓变化逐渐增加，于约150 m时趋于稳定，整体底鼓为377 mm，底鼓量可减小约80%；滞后于工作面约80 m时，帮部出现鼓出现象，顶板整体变化较小。结果表明该方案可大大减小底鼓量，应用效果良好。受采动影响弱胶结软岩临近巷道底鼓机理及控制研究马成甫，等第42卷第03期Vol.42 No.03密度/kgm-32 7002 6101 4802 5502 6752 680岩性砾岩砂质泥岩3-1煤砂质泥岩细砂岩砂质泥岩层序654321体积模量/GPa3.101.651.851.552.901.75剪切模量/GPa1.620.870.950.810.891.07内聚力/MPa2.831.431.081.331.951.53内摩擦角/()352830283228抗拉强度/MPa2.831.631.151.442.211.94支护设计切槽宽度切槽深度工况11 0001 500工况21 0002 000工况31 0002 500工况41 0003 00011302工作面11302运输巷道煤柱砂质泥岩15 m细砂岩10 m砂质泥岩15 m砂质泥岩15 m3-1煤层5 m砾岩20 m11302辅运巷道Q=12.5 MPaql1qr10.5 m1.2 mql2qr21 m1.7 mql3qr31.18 m2.53 m67受采动影响弱胶结软岩临近巷道底鼓机理及控制研究马成甫，等第42卷第03期Vol.42 No.03(a)1.5 m(b)2.0 m(c)2.5 m(d)3.0 m图8不同切槽深度下垂直位移云图（单位：mm）图9不同切槽深度下垂直位移曲线（切槽位置无监测数据）图图10现场实测区域5结语（1）由现场调研分析可将底鼓变形破坏特征分为3个阶段：初始阶段、加速阶段及稳定阶段。受采动影响，巷道主要表现为以煤柱帮侧底鼓量较大的非对称底鼓特征，累计底鼓量最大可达2.7 m。图11位移监测曲线图（2）基于郎肯土压力理论及滑移线理论分析围岩应力分布变化，获取了采动影响下两帮不同侧向支承压力使底板两侧围岩破坏范围不同，从而产生非对称底鼓特征的机理。（3）结合底鼓机理和现场条件提出了“底板中部切槽+帮部卸压孔”的底鼓治理技术，通过数值模拟优化施工参数，确定方案参数为切槽尺寸1 000 mm2 500 mm，卸压孔尺寸为煤柱帮150 mm14 000 mm，实体煤150 mm11 000 mm，排距3 000 mm。工程实践表明该技术底鼓量可减小约80%，有效控制了采动影响下弱胶结软岩临近巷道底鼓程度。参考文献：1杨凯,勾攀峰.高强度开采双巷布置巷道围岩差异化控制研究J.采矿与安全工程学报,2021,38(1):76-83.2赵增辉,马庆,高晓杰,等.弱胶结软岩巷道围岩非协同变形及灾变机制J.采矿与安全工程学报,2019,36(2):272-279,289.3周文凯,种阳,李云茂,等.“三软”煤层采动巷道底鼓控制技术研究J.煤炭技术,2021,40(8):23-26.4孙晓明,苗沛阳,申付新,等.不同应力状态下深井水平层状软岩巷道底鼓机理研究J.采矿与安全工程学报,2018,35(6):1099-1106.5杨生彬,何满潮,刘文涛,等.底角锚杆在深部软岩巷道底臌控制中的机制及应用研究J.岩石力学与工程学报,2008(S1):2913-2920.6王晓卿,阚甲广,焦建康.高应力软岩巷道底鼓机理及控制实践J.采矿与安全工程学报,2017,34(2):214-220,227.7文志杰,卢建宇,肖庆华,等.软岩回采巷道底臌破坏机制与支护技术J.煤炭学报,2019,44(7):1991-1999.8杨仁树,朱晔,李永亮,等.弱胶结软岩巷道层状底板底鼓机理及控制对策J.采矿与安全工程学报,2020,37(3):443-450.9华心祝,杨明,刘钦节,等.深井沿空留巷底鼓演化机理模型试验研究J.采矿与安全工程学报,2018,35(1):1-9.10贾后省,王璐瑶,刘少伟,等.综放工作面煤柱巷道软岩底板非对称底臌机理与控制J.煤炭学报,2019,44(4):1030-1040.11张官禹,赵龙,尚玉强.软岩巷道底鼓成因分析及关键控制技术研究J.煤炭科学技术,2019,47(11):63-67.12熊鹏飞,朱美燕.新疆伊北矿区软岩巷道底臌机理及其控制措施的研究J.煤矿现代化,2019(1):115-117.13华心祝,李迎富.沿空留巷底板变形力学分析及底臌防控J.煤炭学报,2016,41(7):1624-1631.14郝育喜,王炯,袁越,等.沙吉海煤矿弱胶结膨胀性软岩巷道大变形控制对策J.采矿与安全工程学报,2016,33(4):684-691.15鲁健,弓培林,李鹏.深井软岩巷道底鼓机理与钻孔卸压技术研究J.矿业安全与环保,2019,46(6):35-41.作者简介：马成甫（1974-），湖南武冈人，工程师，研究方向：矿山压力与岩层控制，电子信箱：；通信作者：杨学瑞，电子信箱：.责任编辑：王泽兰收稿日期：20220407Contour of Z-DisplacementPlane:active on7.875 7E-025.000 0E-020.000 0E+00-5.000 0E-02-1.000 0E-01-1.500 0E-01-2.000 0E-01-2.500 0E-01-3.000 0E-01-3.500 0E-01-4.000 0E-01-4.262 4E-01Contour of Z-DisplacementPlane:active on7.353 4E-025.000 0E-020.000 0E+00-5.000 0E-02-1.000 0E-01-1.500 0E-01-2.000 0E-01-2.500 0E-01-3.000 0E-01-3.500 0E-01-4.000 0E-01-4.437 0E-01Contour of Z-DisplacementPlane:active on7.052 3E-025.000 0E-020.000 0E+00-5.000 0E-02-1.000 0E-01-1.500 0E-01-2.000 0E-01-2.500 0E-01-3.000 0E-01-3.500 0E-01-4.000 0E-01-4.621 5E-01-4.500 0E-01Contour of Z-DisplacementPlane:active on6.928 6E-025.000 0E-020.000 0E+00-5.000 0E-02-1.000 0E-01-1.500 0E-01-2.000 0E-01-2.500 0E-01-3.000 0E-01-3.500 0E-01-4.000 0E-01-4.793 1E-01-4.500 0E-0180706050403020100垂直位移/mm距煤柱侧壁水平距离/m3.0 m2.5 m2.0 m1.5 m54321011302采空区11302工作面第2联巷11302辅运巷道11302运输巷道第1联巷试验区段测点1测点2测点34003002001000两帮移近量底板鼓出量顶板下沉量距工作面距离/m500-50-100-150-200围岩移近量/m68