第頁9.4.2礦井通風(fēng)阻力計(jì)算沿著上述兩個(gè)時(shí)期通風(fēng)阻力最大的風(fēng)路，分別用下式計(jì)算出各段風(fēng)路井巷的磨擦阻力：（9-13）式中：巷道的摩擦阻力，Pa；巷道的摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；巷道的長度，m；巷道濕周，m；分配給井巷的風(fēng)量，m3/s;井巷的凈斷面面積，m2。把數(shù)據(jù)帶入公式9-13可得個(gè)井巷通風(fēng)容易和通風(fēng)困難時(shí)期摩擦阻力見表9-6和表9-7。表9-6礦井一水平通風(fēng)容易時(shí)期摩擦阻力計(jì)算表巷道名稱支護(hù)方式α×104N·s2/m4LmUmSm2Qm3/minhfrPa副井混凝土350260.0023.5650.26726024.72井底車場錨噴70234.5014.3013.306120103.81輔運(yùn)大巷錨噴70111.4914.3013.30612049.35軌道上山1段錨噴70976.2214.3013.306120432.142段錨噴70450.0014.3013.305040135.103段錨噴70460.1214.3013.30306050.924段錨噴70680.0414.3013.3010809.37軌道平巷錨網(wǎng)1501720.0616.0015.00108039.63工作面液壓支架30022016.0015.009007.04運(yùn)輸平巷錨網(wǎng)1501720.0616.0015.00108039.63運(yùn)輸上山1段錨噴70680.0714.3013.3010809.382段錨噴70449.9714.3013.30306049.803段錨噴70459.9714.3013.305040138.094段錨噴70673.8914.3013.306120298.31回風(fēng)大巷錨噴70958.6014.3013.306120424.34中央回風(fēng)井混凝土30260.0020.4233.1872606.38合計(jì)1818.01表9-7礦井一水平通風(fēng)困難時(shí)期摩擦阻力計(jì)算表巷道名稱支護(hù)方式α×104N·s2/m4LmUmSm2Qm3/minhfrPa副井混凝土350260.0023.5650.26924040.05井底車場錨噴70234.5014.3013.306120103.81輔運(yùn)大巷1段錨噴70297.4514.3013.306120131.672段錨噴701121.4614.3013.303060124.11軌道下山錨噴702267.8114.3013.303060250.97軌道平巷錨網(wǎng)1502483.4816.0015.00108057.22工作面液壓支架30022016.0015.009007.04運(yùn)輸平巷錨網(wǎng)1502483.4816.0015.00108057.22運(yùn)輸上山1段錨噴702235.7714.3013.306120989.712段錨噴70220.0014.3013.30306024.35運(yùn)輸下山錨噴702567.8114.3013.303060284.17回風(fēng)大巷錨噴70902.4014.3013.30306099.87北回風(fēng)立井混凝土30260.0020.4233.18924010.34合計(jì)2180.539.4.3礦井通風(fēng)總阻力計(jì)算容易時(shí)期通風(fēng)總阻力：（9-14）困難時(shí)期通風(fēng)總阻力：（9-15）式中：1.1為考慮風(fēng)路上有局部阻力的系數(shù)；礦井通風(fēng)容易時(shí)期的摩擦阻力之和，Pa；礦井通風(fēng)困難時(shí)期的摩擦阻力之和，Pa；所以，把數(shù)據(jù)帶入公式9-14和9-15可得， 9.4.4礦井總風(fēng)阻和等積孔計(jì)算礦井通風(fēng)總風(fēng)阻計(jì)算公式：（9-16）礦井通風(fēng)等積孔計(jì)算公式：（9-17）式中：礦井風(fēng)阻，Ns2/m8；礦井總阻力，Pa；礦井總風(fēng)量，m3/s；等積孔，m2。1.容易時(shí)期：礦井總風(fēng)阻：礦井等積孔：2.困難時(shí)期：（1）礦井總風(fēng)阻：（2）礦井等積孔：通風(fēng)容易時(shí)期和通風(fēng)困難時(shí)期的總風(fēng)阻和等積孔見表9-8和表9-9。表9-8礦井等積孔容易時(shí)期困難時(shí)期總風(fēng)阻/N·s2·m-80.140.10等積孔/m23.223.74表9-9礦井通風(fēng)難易程度與等積孔的關(guān)系通風(fēng)阻力等級(jí)通風(fēng)難易程度等積孔A大阻力礦困難﹤1m2中阻力礦中等1-2m2小阻力礦容易﹥2m2由以上計(jì)算看出，本礦井通風(fēng)容易時(shí)期和通風(fēng)困難時(shí)期總等積孔均大于2m2，總風(fēng)阻均小于0.35N·S2/m8，屬于通風(fēng)容易礦井。9.5選擇礦井通風(fēng)設(shè)備9.5.1選擇主要通風(fēng)機(jī)根據(jù)《煤炭工業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范》等技術(shù)文件的有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行通風(fēng)機(jī)設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)符合下列通風(fēng)機(jī)選型的原則：（1）礦井必須裝設(shè)2套同等能力的主通風(fēng)設(shè)備，其中一套備用。（2）風(fēng)機(jī)的服務(wù)年限盡量滿足第一水平通風(fēng)要求，并適當(dāng)照顧第二水平通風(fēng)；在風(fēng)機(jī)的服務(wù)年限內(nèi)其工況點(diǎn)應(yīng)在合理的工作范圍之內(nèi)。（3）當(dāng)風(fēng)機(jī)在服務(wù)年限內(nèi)阻力變化較大時(shí)，可考慮分期選擇電機(jī)，但初裝電機(jī)的使用年限不小于5年。（4）風(fēng)機(jī)的通風(fēng)能力應(yīng)留有一定的富裕量。在最大設(shè)計(jì)風(fēng)量時(shí)，軸流式通風(fēng)機(jī)的葉片安裝角一般比允許使用最大值小5；風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不大于額定值的90%。（5）考慮風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)盡量避免使用風(fēng)硐閘門調(diào)節(jié)。（6）正常情況下，主要通風(fēng)機(jī)不采用聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)前面計(jì)算，用扇風(fēng)機(jī)的個(gè)體特性曲線來選擇主要通風(fēng)機(jī)，要先確定通風(fēng)容易和通風(fēng)困難兩個(gè)時(shí)期主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工況點(diǎn)。1.自然風(fēng)壓由《煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范》可知：礦井進(jìn)、出風(fēng)井井口的標(biāo)高相差在150以下，井深均小于400m時(shí)可以不計(jì)算自然風(fēng)壓。本礦井前期進(jìn)、回風(fēng)井在同一工業(yè)場地中布置，標(biāo)高相差不足10m，后期進(jìn)、出風(fēng)井井口標(biāo)高相差不足10m，并且井深都小于400m。故設(shè)計(jì)中不必計(jì)算自然風(fēng)壓，即：。2.主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓該礦井為抽出式通風(fēng)，主要通風(fēng)機(jī)靜風(fēng)壓：通風(fēng)容易時(shí)期：（9-18）通風(fēng)困難時(shí)期：（9-19）式中：通風(fēng)容易時(shí)期主要通風(fēng)機(jī)靜風(fēng)壓，Pa；通風(fēng)困難時(shí)期主要通風(fēng)機(jī)靜風(fēng)壓，Pa；表示礦井通風(fēng)容易時(shí)期總阻力，1999.81Pa；表示礦井通風(fēng)困難時(shí)期總阻力，2398.58Pa；表示自然風(fēng)壓，本礦井hn=0；表示風(fēng)峒的通風(fēng)阻力，通常為20-50Pa，取50Pa。把數(shù)據(jù)帶入公式9-18和公式9-19可得主要通風(fēng)機(jī)的實(shí)際通過風(fēng)量因有外部漏風(fēng)（防爆門和通風(fēng)機(jī)風(fēng)硐漏風(fēng)）通過主要通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Qf必大于礦井總風(fēng)量Q，用下式計(jì)算：（9-20）式中：風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量，m3/s；風(fēng)井總風(fēng)量，m3/s；1.1礦井通風(fēng)外部漏風(fēng)系數(shù)；把數(shù)據(jù)帶入公式9-20可得通風(fēng)容易時(shí)期：通風(fēng)困難時(shí)期：4.選擇主要通風(fēng)機(jī)主要通風(fēng)機(jī)在兩個(gè)時(shí)期分別應(yīng)滿足的風(fēng)量、風(fēng)壓見表9-10。表9-10主要通風(fēng)機(jī)工作參數(shù)項(xiàng)目容易時(shí)期困難時(shí)期單位風(fēng)量/m3/s風(fēng)壓/Pa風(fēng)量/m3/s風(fēng)壓/Pa礦井一水平133.102049.81169.402448.58根據(jù)表9-10的數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，在供選擇的通風(fēng)機(jī)特性曲線圖上初選通風(fēng)機(jī)。選擇主要通風(fēng)機(jī)時(shí)要滿足三個(gè)要求。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，所選則工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)主要通風(fēng)機(jī)的靜壓效率不低于70%。從安全角度考慮，要求風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)處于穩(wěn)定區(qū)，且風(fēng)壓要小于最大風(fēng)壓的0.9倍。軸流式風(fēng)機(jī)葉片安裝角要在10-45°范圍內(nèi)。礦井選擇FBCDZ-8礦用通風(fēng)機(jī)No.26B-2×335kw型軸流式風(fēng)機(jī)，在該風(fēng)機(jī)的特性曲線上繪制風(fēng)阻線，由作圖求出初選風(fēng)機(jī)容易和困難時(shí)期的實(shí)際工況點(diǎn)M’1、M’2，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為h1、h2，風(fēng)機(jī)實(shí)際功率為N1、N2，如圖9-5所示。圖9-5FBCDZ-8-No.26B-2×335kw型軸流式通風(fēng)機(jī)實(shí)際工況點(diǎn)從而求得FBCDZ-8-No.26B-2×335kw型軸流式風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，見表9-11。表9-11軸流式風(fēng)機(jī)性能參數(shù)型號(hào)時(shí)期葉片安裝角/°轉(zhuǎn)速/r/min風(fēng)壓/Pa風(fēng)量/m3/s效率/%輸入功率/kwFBCDZ-8-No.26B-2×335kw容易時(shí)期35740209013476370困難時(shí)期447402474170745709.5.2電動(dòng)機(jī)選型由于，因此需要選用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)功率用下式計(jì)算：（9-21）式中：電機(jī)輸出功率，kW；困難時(shí)期通風(fēng)機(jī)輸入功率，570kW；電動(dòng)機(jī)容量備用系數(shù)，取1.2；電動(dòng)機(jī)效率，取0.92；傳動(dòng)效率，電動(dòng)機(jī)與通風(fēng)機(jī)直接相聯(lián)取1。把數(shù)據(jù)帶入公式9-21可得：根據(jù)電動(dòng)機(jī)的輸出功率和輸入功率以及主要通風(fēng)機(jī)要求的轉(zhuǎn)速，選擇型號(hào)為YBF710S1-8型異步電動(dòng)機(jī)，其詳細(xì)參數(shù)見表9-12。表9-12電動(dòng)機(jī)參數(shù)型號(hào)功率kW電壓V電流A轉(zhuǎn)速r/min效率%YBF710S1-880060005.574094.59.6安全災(zāi)害的預(yù)防措施9.6.1預(yù)防瓦斯和煤塵爆炸的措施（1）回采和掘進(jìn)工作面以及回風(fēng)巷中，必須定期檢查瓦斯，發(fā)現(xiàn)異常，必須按規(guī)定處理。（2）盲巷、盲硐、片幫及冒頂處等容易積聚瓦斯的地點(diǎn)，必須及時(shí)處理。（3）掘進(jìn)應(yīng)采用雙風(fēng)機(jī)，雙電源和風(fēng)電閉鎖裝置。（4）掘進(jìn)與回采工作面應(yīng)安設(shè)瓦斯自動(dòng)報(bào)警裝置。（5）大巷及裝煤站應(yīng)安設(shè)瓦斯自動(dòng)報(bào)警斷電儀。瓦斯超限后應(yīng)自動(dòng)切斷供電及架線電源。（6）所有易產(chǎn)生煤塵的地點(diǎn)。必須采取灑水滅塵等防塵設(shè)備及除塵設(shè)施。（7）井下風(fēng)速必須嚴(yán)格控制，防止煤塵飛揚(yáng)。（8）井下所有煤倉和溜煤眼均應(yīng)保持一定存煤，不得放空，不得兼作通風(fēng)眼。（9）綜采工作面應(yīng)采取煤塵注水。按照保安規(guī)程設(shè)計(jì)懸掛巖粉棚和防水棚。（10）煤塵應(yīng)定期清掃。巷道應(yīng)定期沖刷，各個(gè)轉(zhuǎn)煤點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行噴霧灑水。9.6.2預(yù)防井下火災(zāi)的措施（1）井下中央水泵房和中央變電所設(shè)置密閉門、防火門。并設(shè)區(qū)域返風(fēng)系統(tǒng)。（2）井下機(jī)電設(shè)備選用防爆型為原則。應(yīng)加強(qiáng)機(jī)電設(shè)備的安裝質(zhì)量。并加強(qiáng)維修及管理。防止漏電及短路產(chǎn)生高溫和火花。（3）對(duì)自然發(fā)火的煤層，應(yīng)加強(qiáng)煤炭與坑木的回收；加強(qiáng)密閉，及時(shí)密閉采空區(qū)；對(duì)停采線進(jìn)行黃泥灌漿或噴灑阻化劑；分層開采還應(yīng)在采區(qū)隨采隨注。（4）二阻化劑防火：根據(jù)化驗(yàn)與實(shí)踐，本礦自然發(fā)火期長，但為確保安全，應(yīng)預(yù)備部分黃泥用于危險(xiǎn)時(shí)期灌漿。9.6.3防水措施1.井巷出水點(diǎn)的位置及其水量，前采空區(qū)積水范圍、標(biāo)高和積水量，都必須繪在采掘工程圖上。2.主要水倉必須有主倉和副倉，當(dāng)一個(gè)水倉清理時(shí)，另一個(gè)水倉能正常使用。3.采掘工作面遇到下列情況之一時(shí)，必須確定探水線，進(jìn)行探水，確認(rèn)無突水危險(xiǎn)后，方可前進(jìn)。（1）接近水淹或可能積水的井巷、老空或小煤礦時(shí)；（2）接近水文地質(zhì)復(fù)雜的區(qū)域，并有出水征兆時(shí)；（3）接近含水層、導(dǎo)水?dāng)鄬印⑷芏春拖萋渲鶗r(shí)；（4）打開隔離煤柱放水時(shí)；（5）接近有出水可能的鉆孔時(shí)；（6）接近有水或稀泥的灌泥區(qū)時(shí)；（7）底板原始導(dǎo)水裂隙有透水危險(xiǎn)時(shí)；（8）接近其它可能出水地區(qū)時(shí)。

10設(shè)計(jì)礦井基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)礦井的基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表10-1設(shè)計(jì)礦井基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)序號(hào)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)單位數(shù)量或內(nèi)容1煤層牌號(hào)PSM2可采煤層數(shù)層13可采煤層總厚度m7.54煤層傾角°2-65（1）礦井工業(yè)儲(chǔ)量Mt778.91（2）礦井可采儲(chǔ)量Mt551.156（1）礦井年工作日d330（2）日采煤班數(shù)班27（1）礦井年生產(chǎn)能力Mt/a6.0（2）礦井日生產(chǎn)能力t/d181828礦井服務(wù)年限a719礦井一水平服務(wù)年限a4510（1）井田走向長度m18550（2）井田傾向長度m469011（1）瓦斯等級(jí)低（2）瓦斯相對(duì)涌出量m3/t3.2312通風(fēng)方式混合式13（1）礦井正常涌水量m3/h144（2）礦井最大涌水量m3/h29214開拓方式立井兩水平開拓暗斜井延深15（1）一水平標(biāo)高m+680（2）二水平標(biāo)高m+48016（1）生產(chǎn)工作面數(shù)目個(gè)2（2）備用工作面數(shù)目個(gè)017采煤工作面年進(jìn)度m170018（1）移交時(shí)井巷工程量m10008（2）達(dá)產(chǎn)時(shí)井巷工程量m1000819開拓掘進(jìn)隊(duì)數(shù)個(gè)420大巷運(yùn)輸方式膠帶輸送機(jī)21礦車類型MGC1.7-622機(jī)車類型及臺(tái)數(shù)JCP-8/600型齒軌卡軌車兩臺(tái)續(xù)表10-1序號(hào)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)單位數(shù)量或內(nèi)容23設(shè)計(jì)煤層采煤方法綜合機(jī)械化放頂煤24（1）工作面長度m220（2）工作面推進(jìn)度m/月154（3）工作面坑木消耗量m3/萬t2（4）工作面效率t/工93（5）工作面成本元/t27參考文獻(xiàn)[1]杜計(jì)平、孟憲銳等.《采礦學(xué)》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009[2]林在康、左秀峰.《礦業(yè)信息及計(jì)算機(jī)應(yīng)用》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000[3]張榮立、何國緯、李鐸.《采礦工程設(shè)計(jì)手冊》.北京：煤炭工業(yè)出版社，2003[4]戴紹城.《高產(chǎn)高效綜合機(jī)械化采煤技術(shù)與裝備》.北京：煤炭工業(yè)出版社，1997[5]東兆星、吳士良.《井巷工程》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004[6]錢鳴高、石平五.《礦山壓力及控制》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003[7]岑傳鴻.《采場頂板控制與檢測技術(shù)》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998[8]蔣國安、呂家立.《采礦工程英語》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998[9]李位民.《特大型現(xiàn)代化礦井建設(shè)與工程實(shí)踐》.北京：煤炭工業(yè)出版社，2001[10]綜采設(shè)備管理手冊編委會(huì).《綜采設(shè)備管理手冊》.北京：煤炭工業(yè)出版社，1994[11]能源部.《煤礦安全規(guī)程》.北京：煤炭工業(yè)出版社，1992[12]劉吉昌.《煤礦施工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》.太原：山西人民出版社，1983[13]武同振、趙宏珠.《設(shè)備選型配套圖集》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系，1993[14]林在康：《風(fēng)機(jī)裝置性能圖冊》，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003[15]煤炭科技名詞審定委員會(huì).《煤炭科技名詞1996》.北京：科學(xué)出版社，1997[16]章玉華.《技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995[17]王德明.《礦井通風(fēng)與安全》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005[18]《巷道斷面圖冊》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系，2003[19]《井筒斷面圖冊》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系，2003[20]《液壓支架圖冊》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系，2003[20]《煤礦工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》.北京：中華人民共和國建設(shè)部，2005[22]《中國采煤方法圖集》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990[23]《綜采技術(shù)手冊》.北京：煤炭工業(yè)出版社，2001[24]《綜采設(shè)備管理手冊》.北京：煤炭工業(yè)出版社，1994

回采巷道底鼓機(jī)理分析摘要：隨著采深的增加和巷道斷面的增大，巷道底鼓現(xiàn)象越來越突出，底鼓已成為該類巷道礦壓顯現(xiàn)的重要特征，是急待解決的技術(shù)難題。本文通過FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，展示了特定環(huán)境下回采巷道底鼓的過程和現(xiàn)象，另外，本文還簡單介紹了回采巷道底鼓的種類和原因，為有效防治底鼓措施提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：巷道底鼓數(shù)值模擬防治措施底鼓種類底鼓原因前言回采巷道底鼓是煤礦巷道底板常見的礦壓現(xiàn)象之一，它會(huì)影響通風(fēng)、運(yùn)輸和井下交通。底鼓嚴(yán)重的礦井需要進(jìn)行繁瑣的巷道翻修工作，甚至有的巷道因底鼓嚴(yán)重而報(bào)廢，這會(huì)給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失,甚至造成事故。在煤礦生產(chǎn)中，幾乎所有回采巷道都會(huì)出現(xiàn)不同程度的底鼓，因此有必要探索引起回采巷道底板鼓的真正原因，進(jìn)而為防治巷道底鼓提供科學(xué)依據(jù)。本文首先列出了底鼓的原因和種類，并針對(duì)每種底鼓給出了現(xiàn)行有效的防治措施，其次，本文通過FLAC3D軟件對(duì)深部軟巖回采巷道底鼓進(jìn)行了模擬，并分析了器成因和治理方法。1巷道底鼓研究現(xiàn)狀1.1回采巷道現(xiàn)階段我國采煤方法主要是長壁采煤，這樣就必須布置回采巷道。所謂回采巷道就是工作面兩側(cè)的服務(wù)于該工作面的巷道（分為回風(fēng)巷道和運(yùn)輸巷道），回采巷道一般和工作面的推進(jìn)距離相當(dāng)。本文只針對(duì)回采巷道底鼓進(jìn)行分析。1.2巷道底鼓定義由于巷道的開掘，破壞了巖體原有的平衡狀態(tài)，在巷道中形成了底板巖層的塑性變形而向巷道內(nèi)鼓起，即為巷道底鼓。由于底鼓造成巷道底板的不規(guī)則隆起，使巷道的有效斷面減小，影響工作面的運(yùn)輸、通風(fēng)、行人及正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)還可能引起巷道報(bào)廢。圖1原始巷道斷面示意圖圖2底鼓后的巷道斷面示意圖1.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀受采掘影響，巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體產(chǎn)生變形并向巷道內(nèi)產(chǎn)生位移，從而也形成底鼓。長期以來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)煤礦巷道底鼓機(jī)理和控制技術(shù)作了大量的研究工作，提出了許多底鼓控制技術(shù)。但由于巷道圍巖性質(zhì)、應(yīng)力環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，現(xiàn)有的理論還不能全部解決底鼓機(jī)理認(rèn)識(shí)與防治問題，因此，針對(duì)具體條件，提出經(jīng)濟(jì)有效的控制底鼓措施，這對(duì)深化底鼓機(jī)理的認(rèn)識(shí)和控制底鼓是非常有用的。一般情況下巷道發(fā)生底鼓現(xiàn)象，都采用拉底進(jìn)行處理，但并沒有從根本上解決問題，只是在被動(dòng)泄壓，沒有主動(dòng)對(duì)底板進(jìn)行支護(hù)，在巷道繼續(xù)承受較大的壓力或受到采動(dòng)影響的情況下，巷道的底板會(huì)出現(xiàn)二次甚至多次底鼓。目前國內(nèi)采用主動(dòng)支護(hù)處理巷道底鼓方法主要有兩種：（1）在砌碹巷道中主要采用料石砌碹反拱；（2）采用金屬底梁進(jìn)行加固,底梁一般采用拱形。1.4國外研究現(xiàn)狀多年來，國外一些主要采煤國家如蘇聯(lián)、西德、法國、日本、波蘭等均把防治底鼓問題作為重要課題之一加以研究，其防治底鼓的方法主要有：底板錨桿加固法；底板鉆孔注漿加固法；底板卸載法(包括開底板卸載槽、底板卸載鉆孔、底板卸載爆破等)，巷道側(cè)壁應(yīng)力釋放法（包括巷道側(cè)壁打連續(xù)深孔或巷道兩側(cè)開一定深度的小毛炯以減少巷道周圍的應(yīng)力集中）；封閉式拱形、梯形可縮性金屬支架等。1.5存在問題現(xiàn)階段，巷道底鼓問題沒有統(tǒng)一的解決方案，也沒有形成系統(tǒng)的理論，只是針對(duì)某一個(gè)具體的環(huán)境下巷道發(fā)生底鼓，并對(duì)其進(jìn)行研究，找出解決方法。2巷道底鼓成因、分類和治理2.1巷道底板所處的環(huán)境分類1.按巷道圍巖類別分類根據(jù)我國回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類可知，回采巷道圍巖可分為五類，所以巷道底板也被分為五類：（1）Ⅰ類底板多由砂巖、粉砂巖或砂質(zhì)頁巖構(gòu)成，非常堅(jiān)硬，強(qiáng)度大，很穩(wěn)定。（2）Ⅱ類底板多由砂質(zhì)頁巖、砂巖或致密頁巖構(gòu)成，強(qiáng)度較大，穩(wěn)定。（3）Ⅲ類底板多由頁巖或砂質(zhì)頁巖構(gòu)成，較穩(wěn)定。（4）Ⅳ類底板多由粉砂巖、砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，穩(wěn)定性較差。（5）Ⅴ類底板多由泥巖、頁巖及層理和節(jié)理十分發(fā)育的砂質(zhì)頁巖組成，松軟，有底鼓出現(xiàn)。2.按底板巖層的結(jié)構(gòu)分類（1）碎裂結(jié)構(gòu)（2）薄層狀結(jié)構(gòu)（3）厚層狀結(jié)構(gòu)3.按煤層埋藏深度分類（1）淺埋煤層（2）深埋煤層4.按地質(zhì)構(gòu)造分類（1）受到褶皺影響底板；（2）受到斷層影響的底板；（3）受到地下水侵害的底板；（4）受到采動(dòng)影響的底板。2.2巷道底鼓原因引起巷道底鼓的原因大致可以分為三種：巖層含水，彈性應(yīng)變變形，破壞變形。1.巖層含水按照L.繆勒-薩爾茲堡的定義，底鼓僅僅是指由于水而引起的底板鼓出，特別是含有白云母-伊利石的粘土，當(dāng)其含水時(shí)體積增大。而其它的含礦巖層，如硬石膏，是通過化學(xué)反應(yīng)使其體積增加的。巖層含水會(huì)對(duì)巖層產(chǎn)生下列影響：減少了巖石裂隙間的摩擦，導(dǎo)致了強(qiáng)度的減弱；減少了層面間的摩擦（形成了滑移層面），將致密巖層分為薄層；使巖石結(jié)構(gòu)松散（對(duì)于易受水損害的頁巖巖層強(qiáng)度可損失100%）；當(dāng)水在底板巖層間流動(dòng)時(shí)，這種巖性的改變更為突出。當(dāng)?shù)装逵羞m當(dāng)?shù)乃装鍘r體沒有遭到破壞時(shí)，則影響較小。因?yàn)镴.柏林通過對(duì)泥巖試樣的研究證明：沒有破碎的巖層在垂直層理方向的透水性實(shí)際上等于零。根據(jù)H.克納茲可以知道煤層圍巖受到水的影響后，其透水性、膨脹性、強(qiáng)度的改變以及破壞情況。2.彈性應(yīng)變變形由于掘進(jìn)了巷道，使巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)受到了干擾，在巷道空間的周邊形成了新的垂直與水平應(yīng)力高峰。根據(jù)彈性圓孔理論，在不利的情況下（側(cè)向壓力系數(shù)λ=1），在巷道空間周邊的底板（及在頂板）所作用的切向應(yīng)力，相當(dāng)于未開采時(shí)巖石壓力的兩倍。在以后的計(jì)算中將使用此值。當(dāng)巷道周邊處切向作用應(yīng)力比巖石的強(qiáng)度小時(shí)，形成了巷道空間周邊的彈性應(yīng)變變形。G.愛維林對(duì)一個(gè)均值體中圓形巷道進(jìn)行了計(jì)算，巖石形成的彈性位移很小。U.老伯通過對(duì)成層材料的模擬試驗(yàn)，模擬一個(gè)6米寬的矩形斷面巷道的底板，確定出底板的垂直方向彈性應(yīng)變變形為5至10毫米。3.破壞變形從大量的巷道模型試驗(yàn)中，可以觀察到巷道圍巖的破壞及其過程。巖體中由于開掘巷道，故可將巖層分為被切割的和未被切割的巖層。對(duì)于被切割巖層，它可以向平行于層理的方向延伸。在緩斜巖層中，被切割層的厚度即為巷道開掘的高度，而未切割的巖層（即在平行層理方向不可能延伸的巖層）則是指巷道的頂板和底板。（1）首先是開掘巷道的被切割巖層（指巷道兩幫），由于垂直應(yīng)力而被壓裂。它既表現(xiàn)為滑移破壞，又表現(xiàn)為斷裂破壞，或者是兩者的綜合。在巷道空間兩側(cè)的水平應(yīng)力接近于零。（2）而后巷道的頂板和底板，由于水平應(yīng)力的作用將向巷道內(nèi)鼓出。其中又首先是巷道的直接底板巖層遭到破壞，然后是更下面的巖層。作用于這些地區(qū)的水平應(yīng)力，此時(shí)由于底板的破壞已在相當(dāng)大程度上卸載了。此時(shí)可理解為被切割的巖層厚度增加了巷道底板巖層鼓起的厚度。（3）對(duì)巷道底板更深處的巖層，由于水平應(yīng)力而將繼續(xù)向巷道空間鼓出，最后達(dá)到底鼓的最終破壞深度。由于在平行層理的進(jìn)一步卸載，致使被切割巖層的厚度再次增加。在巷道底板發(fā)生褶皺以后，由于褶皺而使水平應(yīng)力降低，由于垂直應(yīng)力的作用，是兩側(cè)的裂縫繼續(xù)延深，并一直到發(fā)生褶皺的水平。也就是說，在那里形成了新的裂縫與楔形破壞區(qū)。（4）在巷道兩側(cè)及在巷道底板發(fā)生褶皺處的裂縫（被切割巖層的整個(gè)區(qū)域）發(fā)生了錯(cuò)動(dòng)。這種錯(cuò)動(dòng)擠壓著巖層向巷道空間方向運(yùn)動(dòng)，因而形成了巷道兩側(cè)的位移與底鼓明顯地增加。這種擠壓式由于垂直應(yīng)力作用的結(jié)果。每一種減少頂板下沉、側(cè)幫位移或底鼓的支護(hù)措施，都對(duì)整個(gè)巷道周圍發(fā)生的破壞有影響。所以其共同點(diǎn)是：當(dāng)采用一種措施可以使巷道底鼓顯著地減小，或當(dāng)巷道側(cè)幫巖體的移動(dòng)受到阻礙時(shí)，則巷道兩側(cè)的裂縫與楔形裂隙體同樣顯著減少。減少裂隙與楔形破壞區(qū)，也即意味著兩幫位移及頂板下沉比較小。要想使底鼓量更小些，還必須使用致密的壁后充填。在軟巖中，當(dāng)巷道底板阻止了由于應(yīng)力解除形成的破壞，將導(dǎo)致較大的側(cè)幫位移和頂板下沉。在硬巖層中，當(dāng)?shù)装灞豢刂撇话l(fā)生剪切破壞，則不會(huì)形成劇烈的側(cè)幫位移與頂板下沉。相反對(duì)底板破壞的控制，可以改善巷道的圍巖性能。2.3巷道底鼓分類根據(jù)國內(nèi)有關(guān)資料的綜合分析，由于巷道所處的地質(zhì)條件、底鼓圍巖性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的差異，底板巖層鼓入巷道的方式及機(jī)理也不相同。1.擠壓流動(dòng)性底鼓擠壓流動(dòng)性底鼓通常發(fā)生在直接底板為軟弱巖層(如粘土巖、煤等)，兩幫和頂板比較完整的情況下。在兩幫巖柱的壓模效應(yīng)和應(yīng)力的作用下，或者整個(gè)巷道都位于松軟破碎的底板巖層向巷道內(nèi)擠壓流動(dòng)。其力學(xué)模型如圖3和圖4所示。圖3擠壓流動(dòng)性底鼓圖4擠壓流動(dòng)性底鼓2.饒曲褶皺性底鼓饒曲褶皺性底鼓通常發(fā)生在巷道底板為層狀巖石，其底鼓機(jī)理是底板巖層在平行層理方向的壓力作用下，向底板臨空方向饒曲而失穩(wěn)，其力學(xué)模型如圖5所示。底板巖層的分層越薄，巷道寬度越大，所需的擠壓力越小，越易發(fā)生饒曲性底鼓。圖5撓曲褶皺性底鼓3.剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓主要發(fā)生在直接底板。即使是整體性結(jié)構(gòu)巖層，但在高應(yīng)力作用下，巷道底板也易遭到剪切破壞，或者在巷道底角產(chǎn)生很高的剪切應(yīng)力而引起楔形破壞，其力學(xué)模型如圖6所示。圖6剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓4.遇水膨脹性底鼓遇水膨脹性底鼓都發(fā)生在礦物成分含蒙脫石的粘土巖層，它與前述的各類底鼓的主要區(qū)別為底鼓是由底板吸水膨脹引起的，底鼓的機(jī)理不同，治理方法也應(yīng)有所不同。2.4巷道底鼓治理措施對(duì)巷道底鼓的防治，國內(nèi)外學(xué)者提出了好多種方法和途徑。總體上可概括為加固法和卸壓法2大類。加固法主要有底板錨桿、底板注漿、加固的底板碎石墊層、混凝土反拱等，卸壓法主要有底板切縫、底板鉆孔等。底板錨桿所謂底板錨桿，就是用一定規(guī)格的錨桿來錨固底板，對(duì)于不同的地質(zhì)條件錨桿的類型和錨固密度不同，它的機(jī)理一方面可以防止底板巖石的破碎，另一方面是將較軟弱的直接底與深層較堅(jiān)硬的老底連在一起。底板錨桿適用范圍如下：（1）底板系數(shù)≤3；（2）巷道掘進(jìn)速度≤5m/d；（3）單側(cè)和雙側(cè)的前進(jìn)式或后退式回采巷道。底板注漿礦井注漿主要用來加固破碎巖石，提高其抗變形能力。當(dāng)?shù)装鍘r石受到超過本身原始結(jié)合強(qiáng)度的壓力而產(chǎn)生裂隙和裂縫（在巖石的薄弱環(huán)節(jié)上）時(shí)，才可以進(jìn)行注漿。按注漿實(shí)際情況，選用的注漿介質(zhì)、注漿壓力和時(shí)間長短的不同，巖石中的裂隙和裂縫會(huì)部分地或全部地封閉起來。若注漿壓力超過巖石的抗壓強(qiáng)度，還會(huì)出現(xiàn)新的裂縫，并有灰漿壓入。其使用情況如下：（1）在折皺范圍內(nèi)平行層理方向的應(yīng)力大為減弱的情況。（2）底板不注漿，楔形破壞不斷加大、兩幫巖石的擠壓，可能引起底板繼續(xù)破壞。（3）因軟巖底板注漿效果不佳，所以要求底板系數(shù)≤3；加固的底板碎石墊層這種措施的實(shí)質(zhì)是，在巷道底板中形成一個(gè)厚的均質(zhì)卸壓區(qū)，并隨后用碎矸石加固該去。其做法是，先在鉆孔中裝少量炸藥爆破底板巖石，由于爆破完全破壞了巖層的層理，隨后由于用水泥漿又把碎塊巖石固結(jié)起來，故形成了某種礫石類的巖石。這種礫石類巖石受側(cè)壓時(shí)，將不會(huì)出現(xiàn)向上折皺的破壞，而是由于裂縫的作用使其錯(cuò)動(dòng)和開裂成堅(jiān)實(shí)的巖塊。當(dāng)裂縫只是造成滑移破壞時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)平緩的重疊錯(cuò)動(dòng)，而這種平緩重疊錯(cuò)動(dòng)所形成的底鼓要比褶皺型底鼓的危害性小些。此外，礫石類巖石的結(jié)合強(qiáng)度比層狀巖石高。其使用范圍如下：底板系數(shù)為3到6的巖石；不能在有軌道或其他運(yùn)輸設(shè)備發(fā)生歪斜的巷道中使用；可以在已掘好底板已經(jīng)開裂或已經(jīng)破碎的巷道中使用。混凝土反拱該種方式是在巷道底板上先挖出矩形坑槽，然后再填以遇水硬結(jié)的材料，使之成為混凝土反拱，這種底板支護(hù)，具有較高而且均勻一致作用于底板上的支護(hù)阻力。加裝可伸縮支撐件可進(jìn)一步加強(qiáng)混凝土反拱，使其獲得更大的抗底鼓的殘余變形阻力。沒有灌注混凝土的空間，填以掘進(jìn)矸石，填平到原來的底板水平。在鋪軌的巷道中，填充的矸石起緩沖作用，以防護(hù)底板支護(hù)變形。其適用性如下：適用于永久性巷道的底板支護(hù)；從經(jīng)濟(jì)上考慮，若加裝支撐件最好應(yīng)用在高應(yīng)力和服務(wù)時(shí)間長的巷道中。底板切縫有底板切縫德巷道，巖層的切割厚度增大了一個(gè)切縫的深度，巷道邊緣的水平應(yīng)力，因底板切縫而向巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，故使巷道底板的水平應(yīng)力得以解除。底板中可能發(fā)生褶皺的范圍因而也向巖體內(nèi)推移。在已切割的巖層范圍內(nèi)，兩幫巖石因垂直應(yīng)力作用而向巷道空間擠出，并使切縫閉合。考慮到經(jīng)濟(jì)因素，底板切縫適用于底板系數(shù)在2以上的中等強(qiáng)度以下的巖石中。底板鉆孔原則上講，巷道底板鉆孔的工作原理同填充切縫相似。這就是說，如果鉆孔間距很小，在兩側(cè)巖石壓力的作用下，使保留在鉆孔之間的巖石在巷道底板斷裂之前就發(fā)生破壞，這就起到了填充切縫的作用。因?yàn)殂@孔間巖石近似地起著切縫的充填材料作用，即對(duì)于兩幫側(cè)壓力的阻力作用，鉆孔間巖石破壞后，巷道底板就向鉆孔中推擠。所以就可以這樣確定鉆孔的直徑，即不給巖石提供平行層理鼓起的條件。2.5巷道底鼓小結(jié)以上系統(tǒng)論述了巷道底板所處的環(huán)境，巷道底鼓產(chǎn)生的原因，巷道底鼓的類型以及常用的巷道底鼓的治理方法。巷道底鼓是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)物理變化過程，對(duì)它的治理要根據(jù)具體的地質(zhì)環(huán)境采區(qū)恰當(dāng)?shù)拇胧?具體案例3.1礦井基本概況王莊礦地處上黨盆地西北部，屬高原內(nèi)部斷陷堆積盆地。盆地北部黃土沖溝發(fā)育，局部有基巖出露，南部為山前斜坡地帶，區(qū)內(nèi)地勢起伏不平，均被較厚的第四系黃土所覆蓋，井田北部較高，南部較低，最大標(biāo)高1024..7m，位于寒山煤礦附近；最小標(biāo)高898m，位于礦區(qū)東部邊界一帶，最大相對(duì)高差為127m左右。3.2礦井的圍巖特征本采區(qū)的老頂、直接頂、老底、直接底從東北至西南項(xiàng)厚度上有變薄趨勢。老頂從東北到西南向由中砂巖相變?yōu)榧?xì)砂巖、粉砂巖、局部為砂質(zhì)泥巖；直接頂多為粉砂巖，局部為泥巖、砂質(zhì)泥巖；直接底多為泥巖，南部、東部部分地區(qū)為砂巖，老底多為中、細(xì)粒砂巖。中部南部相變?yōu)槟鄮r、砂質(zhì)泥巖。老頂：位于直接頂之上，其巖性為灰白色石英長石砂巖，塊狀，厚層，分選性，磨園性中等。鈣質(zhì)膠結(jié)，堅(jiān)硬致密，分層厚度大且不穩(wěn)定，范圍從5.94-18.58米，平均厚度11.50米。直接頂：位于煤層和偽頂之上，為灰黑色泥巖或砂質(zhì)泥巖，含植物化石碎片，層理較發(fā)育。層厚不穩(wěn)定，變化大，變化范圍0-12.65米，平均4.93米。偽頂：直接位于煤層之上，為黑色泥巖或炭質(zhì)泥巖，厚度極不穩(wěn)定，硬度低，完整性差，含有豐富的植物化石碎片，一般隨生產(chǎn)進(jìn)行隨采隨落。直接底：為淺灰、灰、紫或雜色的泥巖偶夾砂質(zhì)泥巖，致密性脆。層厚在0.4-0.7m內(nèi)變化，平均4.2m。老底：為細(xì)粒砂巖為主，層厚較厚，在1.4-56m內(nèi)變化，平均厚度為34m。表1煤層圍巖特征表序號(hào)地層名稱層厚巖性描述1泥巖10多呈斑狀，厚層2粉砂巖18以粉砂巖為主，局部含有細(xì)粒砂巖3砂泥巖互層2以砂泥巖互層為主，局部含有砂質(zhì)泥巖4砂質(zhì)泥巖16厚層狀，以石英長石為主52號(hào)煤層1俗稱腰煤，全區(qū)不可采6砂質(zhì)泥巖8厚層，常相變?yōu)槟鄮r，局部含少量砂巖7細(xì)砂巖3細(xì)粒砂巖為主，間夾粉砂巖，砂質(zhì)泥巖8砂質(zhì)泥巖5薄-厚層狀，常為砂質(zhì)泥巖，含植物碎屑化石93號(hào)煤層8俗稱香煤，黑色塊狀，煤層穩(wěn)定10泥巖4淺灰、灰、紫或雜色，多為泥巖11砂質(zhì)泥巖10常為砂質(zhì)泥巖，含植物碎屑化石12細(xì)砂巖27厚層狀，間夾粉砂巖，砂質(zhì)泥巖4數(shù)值模擬4.1數(shù)值模擬簡介FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua，連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析)是由Cundall和美國ITASCA公司開發(fā)出的有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序，主要適用地質(zhì)和巖土工程的力學(xué)分析。其建立在拉格朗日算法的基礎(chǔ)上，采用有限差分顯式算法來獲得模型全部運(yùn)動(dòng)方程的時(shí)間步長解，從而可以追蹤材料的漸進(jìn)破壞，也就是它直接應(yīng)用材料的本構(gòu)方程，根據(jù)每個(gè)時(shí)步得到的單元的應(yīng)變求出單元的應(yīng)力。因此，F(xiàn)LAC適用于幾何非線性和材料非線性的大變形問題的求解，對(duì)求解巖土力學(xué)方面的工程問題很有發(fā)展前途。由于FLAC在求解過程中不需要形成整體剛度矩陣，占用較少的內(nèi)存，日常用的一般計(jì)算機(jī)即可基本滿足計(jì)算的需要。FLAC與有限元程序相比求解規(guī)模要大得多，且求解速度也比較快。FLAC針對(duì)不同材料的特性使用相應(yīng)的本構(gòu)方程，能真實(shí)的反映實(shí)際材料的力學(xué)特性。為了設(shè)置FLAC模型來進(jìn)行模擬，必須指定問題的三個(gè)組成部分：①一個(gè)有限差分網(wǎng)格；②構(gòu)造行為和物質(zhì)屬性；③邊界和初始化條件。網(wǎng)格定義問題的幾何學(xué)特性，構(gòu)造行為和相關(guān)的物質(zhì)屬性表明了干擾下的模型的反應(yīng)類型，邊界和初始條件定義內(nèi)部狀態(tài)。這些條件被定義以后，模型將以初始的平衡狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。然后設(shè)置一個(gè)改變，接著模型的響應(yīng)又被計(jì)算。對(duì)于直接的有限差分程序像FLAC和一個(gè)習(xí)慣的隱含解決程序而言，它們對(duì)某個(gè)問題的實(shí)際解決方法是不同的。FLAC使用一個(gè)直接的時(shí)間步驟方法去解決代數(shù)方程。當(dāng)達(dá)到一定的計(jì)算步驟以后，可以得到結(jié)果。在FLAC中，得到結(jié)果所要求的步數(shù)可以由代碼自動(dòng)控制或者由用戶手工控制。FLAC的基本流程圖如圖7所示。圖7FLAC運(yùn)算流程圖目前該程序已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水利、采礦、地震，地質(zhì)、石油和土木等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)力場及位移場的分析，取得了很好的效果，F(xiàn)LAC2D和FLAC3D可以建立相應(yīng)的二維和三維的地質(zhì)模型。FLAC數(shù)值模擬軟件在分析沖擊礦壓的發(fā)生機(jī)理、礦山壓力規(guī)律等方面取得了頗多成果4.2數(shù)值模擬的建立1.模型的建立本次研究的數(shù)值模擬的地質(zhì)條件是參考王莊煤礦的地質(zhì)和開采條件。數(shù)值模擬對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行簡化，巖層傾角按0°考慮，模型見圖8，模型垂直方向從下到上為細(xì)砂巖27m，砂質(zhì)泥巖10m，泥巖4m，煤層8m，砂質(zhì)泥巖5m，細(xì)砂巖3m，砂質(zhì)泥巖8m，煤層1m，砂質(zhì)泥巖16m，砂泥巖互層2m，粉砂巖18m，泥巖10m。模型尺寸為長500m×寬300m×高112m，根據(jù)巖層的實(shí)際情況，材料本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型。圖8數(shù)值計(jì)算模型平面圖2.建立初始模型在FLAC軟件中，根據(jù)上述模型的構(gòu)建，在巷道開挖前，原始巖體由46500個(gè)大小不同的網(wǎng)格構(gòu)成，其尺寸為500m×300m×112m。本模型采用FLAC3D軟件，所以模型是三圍的，可以很形象的描述回采巷道底鼓的變形特征。原始模型如圖9所示。（1）煤巖層力學(xué)參數(shù)數(shù)值模擬中的煤巖體力學(xué)參數(shù)，參考王莊煤礦地質(zhì)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，對(duì)于煤巖層厚度簡化取整數(shù)考慮，具體的煤巖層力學(xué)參數(shù)見表3-1。表2煤巖層力學(xué)參數(shù)巖層密度kg/m3體積模量/GPa剪切模量/GPa粘結(jié)力/MPa內(nèi)摩擦角/°抗拉強(qiáng)度/MPa泥巖26408.04.84.23511.55粉砂巖2700371.85砂泥巖互層2600368.2砂質(zhì)泥巖2600368.22號(hào)煤層14001.094.133.6832砂質(zhì)泥巖2600368.2細(xì)砂巖25004.744.13711.55砂質(zhì)泥巖2600368.23號(hào)煤層14001.094.133.6832泥巖26408.04.84.23511.55砂質(zhì)泥巖2600368.2細(xì)砂巖25004.74.04.13711.55（2）邊界條件：模型采用平面應(yīng)變分析，底板和兩幫固支，即：左、右邊界橫向位移及速度為零，底部邊界豎向位移及速度為零，頂板載荷按上覆巖層厚900m計(jì)算的應(yīng)力值加載，故模型上邊界施加22.85MPa的等效垂直應(yīng)力載荷，重力加速度為9.8m/s2，模型假定王莊礦的原巖圖9原始巖體模型立體圖原巖應(yīng)力平衡監(jiān)測本模型的原巖應(yīng)力平衡采用兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，一個(gè)是點(diǎn)（52.5，10，45）在Z軸方向上的位移迭代變化，另一個(gè)是模型中的最大不平衡力。如果最大不平衡力很小，說明記錄的位移變成常數(shù)，達(dá)到平衡狀態(tài)。本模型求解設(shè)置最大不平衡力為50N，一旦小于此值，則求解過程終止。兩個(gè)監(jiān)控變量變化曲線圖如圖10和圖11。圖10最大不平衡力采樣記錄圖圖11點(diǎn)（52.5，10，45）Z軸位移采樣記錄圖從圖10和圖11可知，最大不平衡力和點(diǎn)（52.5，10，45）在Z軸上的位移隨著模型動(dòng)態(tài)的求解而逐漸趨近于0，說明此時(shí)模型已經(jīng)處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。2.開挖巷道王莊煤礦設(shè)計(jì)，工作面長度為220m，回采巷道寬度為5m，高為3m，沿著煤層底板掘進(jìn)，所以在模型中巷道外側(cè)各留有50m，以保證模型的相似性。模擬結(jié)果如下圖所示。圖12巷道開挖立體圖圖13回采巷道斷面圖模擬過程中同時(shí)監(jiān)控了點(diǎn)（52.525040.8）在Z軸方向上的迭代位移量和最大不平衡力，通過點(diǎn)（52.525040.8）在Z軸方向上的位移量可以反映巷道開挖后巷道底板位移量，即反映了巷道底鼓量的大小。如下圖所示圖14開挖巷道模型最大不平衡力采樣記錄圖圖15點(diǎn)（52.5,250,42.5）Z軸位移采樣記錄圖3.開挖工作面因模型中兩個(gè)回采巷道貫穿了模型，所以將工作面開挖在模型的一端，只貫穿兩個(gè)回采巷道，這樣帶有工作面的回采巷道模型就生成了，模擬最終結(jié)果如下圖所示：圖16工作面開挖立體圖圖17回采巷道斷面圖圖18開挖工作面模型最大不平衡力采樣記錄圖模型運(yùn)行過程中，同時(shí)檢測了點(diǎn)（52.525040.8）在Z軸方向的迭代位移量和最大不平衡量，這樣與開挖巷道時(shí)該點(diǎn)的位移量對(duì)比可以看出采煤工作面對(duì)距工作面245m遠(yuǎn)的地方的采動(dòng)影響。監(jiān)控曲線如下圖所示圖19開挖工作面點(diǎn)（52.525040.8）Z軸位移采樣記錄圖4.最終結(jié)果（檢測巷道底板的位移量）從以上分析可知，王莊煤礦巷道底鼓不明顯，但是巷道開挖和采煤工作面開挖后，對(duì)巷道底板有影響，從圖11、圖15和圖19對(duì)比可知，巷道未開挖前模型各點(diǎn)的位移是平滑過渡的，而巷道和工作面開挖后，底板點(diǎn)的位移就是上下劇烈浮動(dòng)的過渡，直至達(dá)到新的平衡。說明，巷道開挖后，巷道底板會(huì)受地應(yīng)力的影響而發(fā)生變形，當(dāng)圍巖穩(wěn)定性差或底板較軟時(shí)，就可能發(fā)生底鼓。5結(jié)論本文首先通過理論論述了巷道底鼓產(chǎn)生的原因，巷道底鼓的類型，以及常用的巷道底鼓的治理方法；其次，本文通過FLAC3D軟件對(duì)王莊煤礦回采巷道進(jìn)行了巷道底鼓模擬分析，證實(shí)了王莊煤礦底鼓不明顯，同時(shí)給出了研究巷道底鼓的數(shù)值模擬方法。巷道底鼓是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，它的原因也不能孤立考慮，要綜合考慮所有可能的情況，然后進(jìn)行現(xiàn)場治理試驗(yàn)，選擇正確的治理措施。參考文獻(xiàn)[1]錢鳴高、石平五.礦山壓力與巖層控制.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003[2]王作棠、周華強(qiáng)、謝耀社.礦山巖體力學(xué).徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007[3]陳炎光、陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994[4]康紅.軟巖巷道底鼓的機(jī)理及防治.北京：煤炭工業(yè)出版社，1993[5]M.奧頓哥特.巷道底鼓的防治.北京：煤炭工業(yè)出版社，1985[6]楊慶.膨脹巖與巷道穩(wěn)定.北京：冶金工業(yè)出版社，1995[7]李增學(xué).煤礦地質(zhì)學(xué).北京：煤炭工業(yè)出版社，2009[8]杜計(jì)平、孟憲銳.采礦學(xué).徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009[9]許家林.煤礦綠色開采.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2011英文原文EnergyEfficientClusteringProtocolforEarlyWarningSystemforMiner'sSafetyinCoalMinesK.A.UnnikrishnaMenon,DeepaMaria,HemalathaThirugnanamAmritaCentreforWirelessNetworksandApplicationAmritaVishwaVidyapeetham,AmritapuriEmail:kaumenon@,deepamaria89@,hemalatha@Abstract:EarlydetectionofspontaneousexplosionsincoalminescanbemadepossiblebymonitoringtheconcentrationoftoxicgasessuchasCarbonmonoxide(CO),Methane(CH4)andHydrogensulfide(H2S).Methanegasdetectionisveryimportantforoutburstprediction.Inordertoprotectpeopleandtoavoiddestructivesequence,itisnecessarytodesignasystemthatcanpredictmethaneoutburstincoalmines.Inordertoimprovethereliabilityofgasmonitoringincoalmine,wedesignawirelesssensornetwork(WSN)withgassensors.Thewirelesssensornetworkissuitablefortoxicgasmonitoringinthesevereenvironmentofundergroundcoalmines.Semiconductortypemethanesensorhavinglowpowerconsumptionandhighsensitivityisusedintheproposedsystem.ThechaintypeclusteringoflowpowersensornodesalongwithdataaggregationisdevisedtooptimizethepowerconsumptionbytheWSN.Additionalfeatureofminimumdatatransmissionandstatetransitionsbetweenlistening,sleepingandtransmittingmodesinsensornodesalsoguaranteepoweroptimization.1.INTRODUCTIONMiningindustryissusceptibletovarioustypesofdisasterswhichleadtoheavylossofhumanlives,propertyandinfrastructure.[1]Theissueofsafetyintheminesisstillunsolvedalmostallovertheworld.Thereareanumberofriskfactorsinvolvedintheundergroundcoalmineslikefaulting,mineexplosions,minefires,suffocationbythepoisonousgasesformed,mineinundations(floodingfromwatertable),minecave-insorrooffallsandseismicchanges(duetonaturalearthquakesorduetominingoperations).Aspersurvey,itwasseenthatthemineexplosionsarethemaincauseformajorityoftheundergroundmineaccidents.Themaincauseformineexplosionsisthepresenceoftoxicmethanegasinaninsufficientoxygenenvironment.Theproposedsystemaimsatdevelopinganadvancedpowerefficientearlywarningsystemtosafeguardtheminersfromhighexposuretothetoxicmethanegas.Anearly-warningsystemmustbeestablishedsoastosendsignalsbeforeadisasterhappens.Alongwiththetechnologyforanearly-warningsystem,theproposedsystemhelpstodecreasetherateofaccidentsandtoimprovetheemergencysafetymeasures.Existingsafetysystemsuseawiredinfrastructurewhichcouldgetdestroyedduringsomedisasters,powerfailureorpropagationhazardswhichwillleadtoaninefficientsystem,necessitatingdeploymentofawirelesssensornetwork.Theobjectiveistodevelopapoweroptimizedandefficientwirelesssensornetworktosensethepresenceoftoxicmethanegasandtowarnthemonitoringstationabouttheincreaseingasconcentration.Light,compact,lowcostandpowerefficientwirelesssensornodessubstitutethetraditionalwired,heavyandfixedmonitoringequipmentandleadstofaster,easierandlarge-scaledeploymentsinaharshandsophisticatedenvironment.Thesystemcanthusreducethechancesofmineexplosionsanditshigherimpactontheminersbyprovidingawarningbeforethehazardhappens.Wirelesssensornetworkshaveattractedmoreandmoreresearchinterestincoalmineapplicationsfortheiradvantagesofselforganization,lowcostandhighreliability.Sensornetworksareusedinvariousapplicationsmainlyduetothesimplicityandefficiency.WSNisacombinationofsensortechnology,embeddedsystemsandwirelesscommunications.Ithasbeenusedinmonitoring,datacollectionofenvironmentalparametersandtransmittedtoterminalsbyselforganizingwirelessnetworkswithrelaymethod.WSNconsistsofmanytinysensornodeswithwirelesstransmissionabilityandcomputationalability.ThedistanceamongnodesofWSNisalwaysveryshort.Itusesmulti-hopwirelesscommunicationforlongdistanceapplications.WSNnodeshavethefollowingfundamentalfunctions:datacollectionofparameters,dataprocessinganddatatransmission.CombiningWSNwithappropriatecommunicationtechnologyisaperfectschemeformineemergencycommunication.Themonitoringsystemforminesafetywasdesignedtocatertheproblemsfacedbyminersandtomonitorvariousenvironmentalparametersinthecoalmines.2.RELATEDWORKAlthoughthereareanumberofminemonitoringsystems,onlyafewofthemmakeuseofwirelesscommunicationtechnology.Monitoringsystemsmainlyusetheconventionalwiredinfrastructuresoastoensureminimumpacketloss.Therearemanyissueslikeexplosions,disasterslikeearthquakesandfloodingtohamperthewiredinfrastructureandwhichdestroythecommunicationlinksunderground.Also,whentheminingprocessextend,thewiringhastobeextendedwhichincreasesthecostofthesystem.Thorstenet.alhasdescribedinthepaper[2]aboutasinglesemiconductorgassensordeviceoperatedinaT-cycledmode.Inthistheydevelopedahierarchicalidentificationstrategyfortheuseinundergroundcoalminesearlyfiredetectionsystems.Pramitandothershaddevelopedasystemin[3][4]todetecttheexactfirelocationandspreadingdirectionandalsoprovidethefirepreventionsystemtostopthespreadoffiretosavethenaturalresourcesandtheminingpersonnelfromfire.Simulationanalysisresultsshowedthattheaveragenetworkdelayvariesalmostlinearlywiththeincreaseinthenumberofhops.Inanotherpaper[1],awirelesssolutionforthemonitoringandcontrolsystemwasdesignedanddetailsofthenetworkestablishmentandasoftwaresystemtoviewthedetailswasalsoobserved.Theycomparedthreebasicstar,meshandmixednetworktopologystructuresandselectedthetopologystructuremoreappropriateforlargescalesensornetworks.Thenetwork,accordingtothemixednetworktopology,whichintendstocombinetheadvantagesincludingthesimplicityofthestarnetwork,themulti-hoptransmissionandself-healingfromthemeshnetwork,wasfoundtobeappropriate.LocalizationofminersusingRFIDwasdiscussedin[5].Localizationalgorithmstofindtheexactlocationoftheminersweredesigned.Paper[6]dealswithanenergyefficientmethodingasmonitoringbutthesystemmakesuseofawiredmedia.3.PROPOSEDSYSTEMA.OverviewInthecurrentresearchwork,weconsideredresearchissueslikechoosingofanefficientwirelesstechnologyincoalmines,methodtodevisefasttransmissionofwarningsignalstolongrangedistanceanddevelopmentofenergyandcostefficienthardwaremodule.Intheproposedsystem,[6]ZigBeetechnologywaschosenasanefficientwirelesstechnologytobeusedincoalminessinceitisalowcost,lesspowerconsumingtechnologywhichhaslongbatterylifetime.Also,anumberofnodescouldbeconnectedinanetworkbyusingZigBeetechnologyandisanefficienttechnologywhenimplementedincoalmines.Asapartofimplementingthisnetwork,ahardwaremoduleisdevelopedforasensingtoxicmethanegasandtotransmittheexcessivegasconcentrations.Hardwaremoduledesignedforthesensornodewasofverylowcostandthuscanbedeployedinlargenumbersinthecoalmines.Poweroptimizationinthesystemwasbroughtbydecreasingtheamountofwastefulenergyconsumed,theamountofdatatransmittedandbydevisingsomeenergyefficientdataaggregationandroutingprotocols.Sincetheapplicationistomonitorthegasconcentrationsundergroundbyconsideringpowerusageminimization,chaintypeclusteringisagoodtopology.Also,theclusteringprotocolprovidesaneffectivemethodforprolongingthelifetimeofawirelesssensornetworkandforlongrangecommunication.Protocolwilltransferdatafromthelowerlevelsensornodestoneighboringclusterheadnodes(CH)andpropagatethistillthecentralmonitoringstationinchaintypemulti-hops.Chaintypeclusteringofthesensornodesisshowninfigure1.Theprotocolconsistsoftwoparts,oneiswithrespecttoclustermanagementinsensorarea,andtheotherisaboutthedataaggregationanddatatransmissionbetweenthesensorareaandthecentralmonitoringstation.Accordingtotheproposedprotocol,performanceaftermulti-hopcommunicationismuchbetterthansingle-hopclusteringprotocolsintermsofnetworklifetimeandenergyconsumptionwhenthemonitoringstationislocatedfarawayfromthesensingarea.Fig1:ChainTypeclusteringofsensornodesSeveralsensornodesaredeployedinaparticularregiontoensuredataaccuracy.FewsensornodescombinetoformaclusterandaCHischosenasthenodewithmaximumremainingenergy.Thenodesinaparticularregionwhichsensedvaluesaboveapredefinedthresholdvalue(lowerexplosivelevel),transmitthegasconcentrationvaluestotheCH.Explosivelimitsofmethanegaswerefoundtobe5%-15%.AttheCH,thedifferentvaluesobtainedisaggregatedusingsomefunctionandisforwardedtotheneighboringCH's.Atlast,aftermanymulti-hoptransmissions,centralmonitoringstationreceivestheareaswherethereisexcessiveamountofgasconcentrationandrescueoperatorsareinformedabouttheregionswherethereischancefordisastrousexplosionsandfastandtremendousrescueoperationsareheld.Assumptionstakenfortheproposedsystemare:?Sensornodesarefixed/static.?Sensornodesaresynchronizedintimewithallothernodes.?RemainingenergyofeachofnodesisknowntotheneighboringnodesandthusitiseasytoelecttheCH.?Locationofthenodesisknownpreviously.?Interferencefromotherdevicesisassumedtobenegligible.?Nodesarelargelydeployedinaregionfordataaccuracy.Accuracyofdatacanbeobtainedbydeployinganumberofsensorsinaparticularregion.B.SystemDesignIntheproposedsystemwemakeuseofseveralsensornodesdeployedinthemines.SystemArchitecturefortheproposedsystemisshowninthefigure3.Mostlythesenodesareplacedalongthewallsorroofofthemineswherethegasconcentrationcanbemeasuredmoreaccurately.Thereisacentralmonitoringstationabovethegroundwhichwillhaveanumberofofficersmonitoringthesafetyoftheminersworkingunderground.Wheneveranalarmorwarningofsomeexplosionisreceivedatthestation,theyinformtherescueoperatorsandquickrescueorevacuationoperationsarecarriedout.Architectureofasinglenodeisasshowninfigure2.Ateachsensornodetherewillbedifferentmoduleslikesensorunitconsistingofvarioussensors,aprocessingunittoperformseveralcomputations,memorytostorethevaluestemporarily,powerunittosupplyexternalpowerandacommunicationmoduletotransmitthesensedvalueswirelessly.Therewillbesomeprotocolslikedataaggregationandclusteringprotocolsinordertoreducethepowerortomakethenodemoreenergyefficient.Powerefficiencytothewholesystemcanbebroughtaboutbyusingsomeclustering,efficientdataacquisitionanddataaggregationprotocols.Clusteringroutingprotocolprovidesaneffectivemethodforprolongingthelifetimeofawirelesssensornetwork.Powerco