呂云龍

（開灤集團(tuán) 蔚州礦業(yè)公司，河北 張家口 075700）

0 引 言

巷道開掘后，巷道底板在采動應(yīng)力擾動下，應(yīng)力重新分布，底板巖體在擾動應(yīng)力影響下發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)破壞，造成底板發(fā)生底鼓等現(xiàn)象[1-4]。確定底板破壞深度是底板圍巖變形控制的基礎(chǔ)，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行底板破壞研究，通過數(shù)值模擬[5]、積分變換[6]等多種方法確定底板破壞深度解析解。楊仁樹[7]等人將底板假設(shè)為橫觀各向同行體，通過理論分析和數(shù)值模擬等方法確定底板應(yīng)力在不同方向分布的差異性，并進(jìn)行底板損傷破壞深度及損傷區(qū)分布求解；陳盼[8]等人針對軟巖巷道底板變形破壞問題，提出巷道整體支護(hù)的思想，通過合理優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，應(yīng)用反底拱技術(shù)進(jìn)行底板變形控制，并通過現(xiàn)場驗(yàn)證取得較好效果；王文才[9]等人通過理論分析和數(shù)值模擬對棋盤井礦煤層底板變形分析研究，提出“底板注漿幫角錨桿加固+底板表面澆筑混凝土”的方法控制底板變形，通過對比支護(hù)條件和無支護(hù)條件下的模型位移量、塑性區(qū)等因素確定方案控制效果；王憲勇[10]等人利用數(shù)值模擬和相似模擬試驗(yàn)的方法進(jìn)行不通過推進(jìn)距離底板破壞特征研究，確定采動作用下的底板破壞特征，并建立底板破壞與工作面推進(jìn)距離的解析表達(dá)式；黃琪嵩[11]等人使用傅里葉變化確定層狀底板采動應(yīng)力和破壞深度與采動應(yīng)力間的剛度矩陣關(guān)系，并使用Matlab 編程確定底板破壞深度解析解，通過與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比，確定剛度矩陣分析法更準(zhǔn)確預(yù)測采動應(yīng)力下底板破壞深度。

上述學(xué)者針對底板破壞進(jìn)行廣泛研究，通過數(shù)值模擬多因素分析，或建立解析式確定底板破壞理論深度，但結(jié)果缺少現(xiàn)場驗(yàn)證，有效性待驗(yàn)證。本文以首采區(qū)一煤西翼工作面為工程背景，通過分析底板圍巖破壞過程，確定底板應(yīng)力變化規(guī)律和巷道底板破壞深度，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，確定工作面底板破壞深度。

1 概 況

1.1 地 質(zhì)

首采區(qū)一煤西翼工作面地面相對位置為東距西莊村約193 m，南距工業(yè)廣場1 471 m，西北距崔家寨村約161 m、北距井田邊界560 m。井下相對位置北部為首采1 煤1104N 設(shè)計(jì)工作面，南部無采掘活動，東側(cè)為首采區(qū)1 煤東翼集中皮帶巷，西部無采掘活動；上覆為首采5 煤部分采空區(qū),下伏為煤系基底奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層，巷道采深為607.8～660.3 m。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of roof and floor

1.2 水 文

巷道掘進(jìn)期間主要充水水源為煤系基底奧陶系灰?guī)r水，局部受OD2 奧灰富水異常區(qū)影響，增強(qiáng)了其局部富水性；導(dǎo)水通道主要是斷層、地質(zhì)異常體。

因煤層底板與灰?guī)r間距較小，影響涌水量變化因素較多，并且根據(jù)實(shí)際鉆探單孔涌水量13 m3/h，分析預(yù)計(jì)，軌道巷、皮帶巷掘進(jìn)正常涌水量30 m3/h，最大涌水量45 m3/h。

1.3 巷道支護(hù)

頂部采用“錨網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)，幫部采用錨網(wǎng)支護(hù)。

1.3.1 頂部支護(hù)

頂部每排打設(shè)6 根頂錨桿及1 片4.4 mW 型鋼帶，錨桿采用φ20 mm×2 200 mm 右旋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù)。間距900 mm，排距900 mm。每個鉆孔加注2 支K2850 樹脂錨固劑，使用和錨桿配套的等強(qiáng)鐵托盤和螺母，設(shè)計(jì)錨固力≥70 kN。遇頂板節(jié)理發(fā)育、松軟、壓力大地段采用錨索加強(qiáng)支護(hù)。

1.3.2 幫部支護(hù)

根據(jù)圍巖穩(wěn)定性及工作面實(shí)際情況采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿采用φ16 mm×2 000 mm 等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每排每幫打設(shè)4 根，第一根距頂300 mm，第二根與第一根、第三根與第二根、第四根與第三根、間距均為900 mm，排距為900 mm，第四根幫錨桿呈45°向下打設(shè)。另外在第一根與第二根、第二根與第三根之間進(jìn)行打設(shè)五花眼。每個鉆孔加注2 支CK2530 樹脂錨固劑，托盤使用與錨桿配套的等強(qiáng)鐵托盤，設(shè)計(jì)錨固力≥40 kN。金屬網(wǎng)采用金屬菱形網(wǎng)（12 號鐵絲編織） 7 500 mm×1 060 mm（長×寬）。

總之，將法律認(rèn)同作為實(shí)現(xiàn)“一帶一路”倡議的基礎(chǔ)性工作，這要求我國在充分研究和尊重現(xiàn)有國際商事規(guī)則的基礎(chǔ)上，提出既適合中國國情，又適應(yīng)世界發(fā)展潮流的現(xiàn)代商事規(guī)則。只有在充分考慮國際社會可接受程度的基礎(chǔ)上，完善我國的商事法律制度并對外推廣才能真正在推動法律趨同的過程中獲得法律認(rèn)同。因此，在“一帶一路”倡議中向世界推行的商事規(guī)則，不可能等到我國商事規(guī)則完善之后才進(jìn)行，我國應(yīng)當(dāng)雙管齊下，在現(xiàn)代商法理念的指導(dǎo)下構(gòu)建與完善國內(nèi)商事法律制度的同時(shí)，積極探尋符合世界商事活動要求的商事規(guī)則，從而確保我國“一帶一路”倡議的準(zhǔn)確方向和最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，提升我國在當(dāng)代世界商事規(guī)則形成上的話語權(quán)。

1.3.3 臨時(shí)支護(hù)

臨時(shí)支護(hù)是由4 根長3 m 的10 號槽鋼或縱梁及配套吊環(huán)、銷子、木板組成的前探梁，每根前探梁用2 個厚度為10 mm 的鐵板制成的吊環(huán)固定在靠近迎頭的2 根頂錨桿上，前探梁上鋪設(shè)4 塊2 400 mm×200 mm×30 mm 木板，確保有效護(hù)頂。

（1） 倒環(huán)。將后路備用吊環(huán)倒至迎頭第一排頂錨桿上。

（2） 推梁。拆下木板，將前探梁前推800 mm，上齊木板。

（3） 撤梁。打好頂眼后，拆掉木板，后撤前探梁800 mm，將頂網(wǎng)連接好，錨桿機(jī)推送頂錨桿、鋼帶至上頂打好。

巷道支護(hù)具體如圖1 所示。

圖1 巷道支護(hù)示意Fig.1 Roadway support schematic

頂錨桿采用φ20 mm×2 200 mm 右旋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，鉆孔直徑30 mm，藥卷為φ28 mm×500 mm，金屬菱形網(wǎng)采用12 號鐵絲編織，長×寬為7 500 mm×1 060 mm，頂鐵托盤長×寬×厚為120 mm×120 mm×10 mm，錨索采用φ15.24 mm×7 000 mm 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力低松弛鋼絞線，4.4 mW 鋼帶。

幫錨桿采用φ16 mm×2 000 mm 等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，鉆孔直徑26 mm，藥卷為φ25 mm×300 mm，采用12 號金屬菱形網(wǎng)編織，長×寬為7 500 mm×1 060 mm，頂鐵托盤長×寬×厚為120 mm×120 mm×10 mm，錨索托盤長×寬×厚為500 mm×500 mm×10 mm。

頂錨桿采用φ20 mm×2 200 mm 右旋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，鉆孔直徑30 mm，藥卷為φ28 mm×500 mm，金屬菱形網(wǎng)采用12 號鐵絲編織，長×寬為7 500 mm×1 060 mm，頂鐵托盤長×寬×厚為120 mm×120 mm×10 mm，錨索采用φ15.24 mm×7 000 mm 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力低松弛鋼絞線，4.4 mW 鋼帶。

幫錨桿采用φ16 mm×2 000 mm 等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，鉆孔直徑26 mm，藥卷為φ25 mm×300 mm，采用12 號金屬菱形網(wǎng)編織，長×寬為7 500 mm×1 060 mm，頂鐵托盤長×寬×厚為120 mm×120 mm×10 mm，錨索托盤長×寬×厚為500 mm×500 mm×10 mm。

2 底板巖層破壞規(guī)律

工作面回采后，底板圍巖受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，在臨空區(qū)底板，受煤體支承壓力影響，底板發(fā)生微小的應(yīng)力變化，在采動應(yīng)力影響下，底板變形劇烈，底板產(chǎn)生底鼓等一系列嚴(yán)重變形[12]，具體應(yīng)力作用規(guī)律如圖2 所示。

圖2 支承壓力形成的底板破壞深度Fig.2 Floor failure depth formed by abutment pressure

分析圖2 可知，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，工作面推進(jìn)方向一定范圍內(nèi)，底板及煤體受支承壓力影響，使該區(qū)域的圍巖受壓，即圖中A 區(qū)，應(yīng)力沿底板向底板深部轉(zhuǎn)移。在采空區(qū)側(cè)，應(yīng)力沿著節(jié)理方向向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，即圖中C 區(qū)，該區(qū)域底板圍巖發(fā)生膨脹破壞，即產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象，在工作面覆巖關(guān)鍵塊破斷后壓實(shí)采空區(qū)，C 區(qū)圍巖處于壓縮狀態(tài)，即底板圍巖在先經(jīng)歷支承壓力壓縮破壞，采后膨脹破壞，覆巖垮落重新壓實(shí)的循環(huán)狀態(tài)。

在膨脹區(qū)內(nèi)底板圍巖裂隙發(fā)育，導(dǎo)水能力加強(qiáng)，在壓縮區(qū)和膨脹區(qū)分界，底板圍巖受到不同程度剪切應(yīng)力、拉應(yīng)力作用，在力的綜合作用下，底板形成破壞區(qū)域，并存在最大破壞深度hmax，底板圍巖破壞深度最大值為[13]：

式中：x為支承壓力峰值點(diǎn)到煤壁距離；φ為底板巖石的內(nèi)摩擦角。

基于礦井實(shí)際情況，取x=19.36 m，φ=32°，代入式（1） 可得hmax=30.68 m。

當(dāng)煤層呈近水平分布時(shí)，工作面底板破壞區(qū)域分布大致如圖3 所示，其中圖3（a） 為工作面沿傾向分布，受兩側(cè)煤體支承壓力作用，在巷道兩側(cè)近煤體側(cè)底板破壞深度大，在中部采空區(qū)底板，巷道受膨脹應(yīng)力的影響，變形向采空區(qū)側(cè)發(fā)育；圖3（b） 為沿工作面推進(jìn)方向底板破壞情況，即在支承壓力作用下，臨空側(cè)煤體底板受壓，采空區(qū)煤體膨脹變形，底板破壞范圍受反向單峰狀分布。

圖3 底板裂隙帶分布示意Fig.3 Distribution of floor fracture zone

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定底板破壞深度，礦井采用井下俯孔壓水試驗(yàn)法。設(shè)備布置后現(xiàn)場工作面底板破壞情況如圖4 所示。

通過數(shù)據(jù)提取分析，獲得表2 壓水?dāng)?shù)據(jù)。

表2 工作面底板壓水?dāng)?shù)據(jù)Table 2 Floor water pressure data in working face

分析表2 可知，當(dāng)鉆孔深度超過131 m 后，壓水流量急劇下降，說明此時(shí)底板圍巖較完整，即使增加壓水壓力，壓水流量變化也不明顯，說明鉆孔深度小于131 m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶較為發(fā)育，鉆孔深度大于131 m 時(shí)，圍巖完整性較好。

根據(jù)鉆探和壓水試驗(yàn)結(jié)果，確定試驗(yàn)孔處首采區(qū)一煤西翼工作面底板采動破壞帶大約在孔深131 m 左右，即底板采動破壞深度31.7 m，與理論計(jì)算值30.68 m 相差不大。

4 結(jié) 語

通過對首采區(qū)一煤西翼工作面底板圍巖破壞規(guī)律進(jìn)行理論分析，工作面回采后，底板圍巖受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，底板產(chǎn)生底鼓等一系列變形?；诘V井實(shí)際情況，確定支承壓力峰值點(diǎn)到煤壁距離等參數(shù)，根據(jù)建立的底板破壞最大深度表達(dá)式，得出底板最大破壞深度為30.68 m。通過井下俯孔壓水試驗(yàn)法得出底板最大破壞深度31.7 m 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。理論數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，證明深部礦井底板破壞深度范圍確定所建立的底板破壞最大深度表達(dá)式精度較高，可用于指導(dǎo)井下生產(chǎn)，相似地質(zhì)和生產(chǎn)條件的礦井可以采用。