回采工作面巷道底鼓机理与防治分析

刘利平（开滦钱家营矿业分公司，河北　唐山　063301）



回采工作面巷道底鼓机理与防治分析

刘利平
（开滦钱家营矿业分公司，河北唐山063301）

摘要：本文简要概述了矿井巷道底鼓对回采过程造成的影响和威胁，参照钱家营矿的实际情况并以动压巷道的底鼓机理为研究的原理基础，最终提出控制底鼓的措施，不仅可以解决现场生产的难题，而且也更加丰富了动压巷道控制方面的理论，这对煤矿高效生产有重大意义。

关键词：现状分析；技术研究；预防措施；重大意义

井下巷道中，回采工作面的上下顺槽的围岩条件及应力分布最为复杂，由于底板的相对软弱和超前压力的作用，底鼓现象在回采工作面普遍发生。综合机械化采煤工作面的巷道，由于巷道断面积大、工作面长度大、推进速度快的特点，能否从根本上控制底鼓维护巷道，对提高煤矿的产量和效率有着现实意义。

一、项目研究现状

工作面位置：

钱营矿1692回综采工作面地面位置位于东黄各庄西北340m，地面有农田、温室、低压线路和少量沟渠。这一工作面的位置在井田西翼六采区的9煤层，且与该工作面同煤层的倾斜上方1691东工作面以经被采毕，而其倾斜下方却暂未进行设计工程，其工作面西是1692东回风及运料边眼；其工作面上的覆8煤层中1683东工作面也已经被采毕，但1682东的设计工作面还未掘；其上覆的7煤层1672东以及1673东工作面也已被采毕；除上述之外，已暂无其他的工程。

二、项目研究过程和研究方法

1.数值模拟计算方法

本次计算研究使用拉格朗日有限差分的方法，有限差分法是最古老的用以验算微分方程组的给定初值及边值的一种数值方法。伴随着计算机技术的迅猛发展，具有独特计算风格及计算流程的有限差分法在数值方法家族中尤为突出，并应用在科学领域的许多复杂问题的计算分析中。

有限差分法的基本方程组及边界条件（通常是微分方程）也可类似用差分方程（也成为代数方程）表示，可由空间离散点的场变量（即：应力、位移）的代数表达式来进行代替。该变量在单元内不是确定的，因此求解微分方程要变成求解代数方程。与此相反，有限元法要求场变量（即：应力，位移）于每一个单元内依据一些特殊的参数控制方程进行变化，如图1所示。

图1有限差分网格划分

2.模型设计原则

数值分析首先需要建立数学和力学模型，模型设计是获得准确结果的前提条件。模型设计的原则：

（1）综采大断面巷道底板变形破坏的影响因素有许多，其中自然岩体是一个复杂且多变因素。在模型被设计之初，不可能考虑到所有的影响因素，但必须考虑的是数值的分析需要合理抽象及概化。所以，模型设计必须重点考虑主要因素，并尽可能多地考虑其他次要因素。

（2）模型是实体的简化，但不是真正的实体。设计模型时，需要很好地反映出材料的物理力学性能，例如材料的不均匀性、不连续性、各向异性以及弱面影响等。

（3）在实际中，因为地下工程是半无限域，而数值模拟只能在有限范围进行。因此设计模型时，要考虑边界效应并选择合适的边界条件。

（4）所有地下工程问题都具有时空特性，设计模型时要考虑时间因素，以模拟实际工程中的应力应变情况。

（5）数值计算的便利性是设计模型应考虑到的，与此同时也一定要考虑计算机的内存以及处理的速度。

3.数值计算模型的建立

计算采用的岩体力学模型为摩尔—库伦模型，此模型适合于理想的弹性、塑性体岩石的研究，适合于本工程对回采巷道力学行为的研究。依据巷道的实际状况，建立数值模型主要有：

矩形巷道，巷道宽5.2m，巷道高3.5m。采用规格为：φ22×2400mm且左旋无纵筋螺纹钢的顶锚杆，其托盘的规格为150mm×150mm×10mm。帮锚杆用规格为φ18×1700mm的圆钢锚杆，其托盘规格为200mm×200mm×10mm。而锚索采用规格为φ17.8×7300mm的七芯钢绞线，其托盘规格为250×250×10mm，另外再增加规格是150mm×150mm× 10mm的改型托盘。钢带采用φ12× 4600mm。另外在顶板以及帮部的稳定段，设立顶锚杆的间排距是：900mm× 900mm，且每排6根，另外最外面一根锚杆与帮的距离是：350mm，并且在每排的锚杆上增加一根钢带，钢带规格为φ12×4600mm；帮锚杆，每帮每排布置3根。而最上面一根需打在顶网与帮网相搭接的地方，同样在中间一排需打在帮网的搭接处，且下一根需要压住帮网下边缘进行布置，其间排距具体是1200×900mm。另外锚索的双排布置如下：应各布置一根于巷道的正中线的两边1.0m处，其排距是：2700mm，而其间排距是：2000mm×2700mm，同时外露长度要小于300mm。

数值模拟简图如图2所示。

4.模型边界条件的确定

当模拟无限体（井下巷道）时，因为计算机内存和计算时间的限制，不可能对整个物体进行单元划分。人工边界应保证足够远的距离，且不会对模拟岩层行为造成较大的影响。模型边界的远近，对于边界区域进行的应力、位移计算的误差有很大影响。为此，合理选择人工边界的位置应考虑以下几点：

（1）固定的边界导致对应力和位移估计偏低，而对应力边界估计过高。

（2）岩石的弹塑性行为大多发生在某一切断距之内，人工边界只需设在该距离之外，这样可以避免产生很大的误差。同时，任何人工边界不能设置太近，否则，往往会因为塑性流动而造成求解无效。

因此，在进行具体、详细模型的运算、分析时，应先运行一些边界位置不同的模型，目的是使边界效应对所研究模型的影响减到最小。

5.巷道围岩破坏状态分析

在围岩的破坏范围上，综采大断面回采巷道较普通实体煤掘巷要严重得多。主要表现在巷道的底板岩层和两帮煤体破坏深度和分布范围。在巷道两帮和底板的左侧深部岩层破坏范围有增大的趋势。巷道底板下部较深的岩层内部都产生剪破坏。区段保护煤柱的两端有大部分已进入塑性状态，由于大结构发生二次回转及调车硐室的开挖，进而使煤柱边缘进入破碎状态，承载能力进一步降低。

三、项目研究结果

综采工作面回采巷道底鼓防治的数值计算分析表明，在工作面采用宽煤柱护巷条件下，水平应力在巷道顶板上部和底板下部存在着明显的应力集中，而且底板的应力集中程度要高于顶板，这是造成巷道底鼓量明显高于顶板下沉量的主要原因。动压巷道底鼓主要有挤压流动性底鼓以及挠曲褶皱性底鼓，而发生挤压流动性底鼓的地质状况主要为：底板较松软破碎的动压巷道内，而发生挠曲褶皱性底鼓的地质状况主要为：底板呈层状赋存的动压巷道内。一般情况下，动压巷道底鼓为二者的结合。不管是哪一种底鼓形式，动压巷道的底鼓量主要来自岩体峰后变形。

四、项目展望

随着我国煤矿开采设备的大型化以及开采效率的不断提高，对巷道断面的要求也在不断地提高。我希望通过对回采工作面的巷道底鼓问题的不断研究实验和理论分析，使我们可以对回采巷道底鼓的力学原理有更深入更全面的认识，从而找出更直接更有效的控制措施，从根本上解决回采巷道底鼓所带来的威胁和影响，为钱家营矿井实现高产高效提供一些参考经验。

图2钱家营综采大断面回采巷道数值模型

参考文献

［1］吴玉文，宋选民，欧阳辉.布尔台矿3-1煤回采巷道底鼓机理分析与防治对策［J］.煤矿开采，2010，15（5）：92-95.

中图分类号：TD26

文献标识码：A