浅析深部巷道围岩失稳机理及防治措施

摘要：随着矿井开采深度的增加及地应力的增加,巷道变形成为影响生产的重要因素。文章分析了巷道变形失稳的原因,提出了防治巷道围岩失稳主要措施。最后结合3273S上山掘进过程中的围岩失稳现象进行分析。

关键词:巷道底鼓；底板注浆；全断面支护；底板卸压

Abstract: with the increase of mining depth and ground stress, deformation and become an important factor affecting the production. This paper analyzes the causes of instability of roadway deformation, puts forward the control stability of the roadway surrounding the main measures. Finally, combined with the 3273S mountain rock tunneling process instability analysis.

Key Words: floor heave of roadway; floor grouting; whole section supporting plate pressure relief

中图分类号：TD324.2文献标识码：A

巷道由于掘进或回采以及在维护过程中引起其围岩应力失衡、性质发生变化,使巷道顶底板和两帮岩体移近量增加，从而影响巷道的正常使用和后期维护，严重者可能造成航道的报废。一般而言,轻微的巷道变形对巷道的稳定性以及运输和通风功能的影响不大，不需要采取专门的防治措施。但当变量较大时就会影响巷道的有效断面,造成巷道围岩塑变量加剧，从而影响巷道的支护稳定。因此,急需对深部高应力诱发巷道变形的机理和控制方法进行深入研究。

我国是一个煤炭资源丰富的国家。据煤炭资源开发和资源保护研究预测,我国总煤炭储量73.2%埋深在1000m以下。具有关资料统计，目前煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加。预计在未来20年,很多煤矿的开采将进入1000～1500m的深度。随着我国地下煤炭的开采,近些年来煤炭开采逐渐走向深部,进而地应力相应增大,巷道底鼓问题日趋突出严重,从而暴露出很多影响煤矿安全生产的问题。过分底鼓而使巷道条件变坏的一个严重后果就是事故大大增加。因此,研究巷道底鼓的机理、预测方法及防治措施等问题,对于我国深部资源开采,建设高产高效矿井,提高人员安全保证有着重大的理论意义和实际应用价值。

一、 深部巷道围岩变形分类及机理分析

随着矿井开采深度的增加，巷道围岩所承受的原始应力越大，巷道掘进或回采扰动，巷道围岩所承受的原岩应力失衡，巷道围岩会向内部应力较弱方向发生形变，具体体现为巷道底鼓，顶板来压，巷道支护体变形等，上述现象与巷道围岩应力力的传递方向、围岩性质、抗拉强度以及遇水的膨胀性质等多方面因素有关。

（一） 高压

巷道围岩中存在高压是巷道发生形变的重要因素。随着开采深度的加大,地应力相应增大,加之由于受采动影响造成围岩应力集中,巷道顶、底板岩石松软,侧压大时压力由两帮传递到底板,加之煤层底板松软无法承受较大压力而产生塑性变形,导致巷道围岩形变加剧，严重影响巷道的正常使用功能。

（二） 底板岩性软弱

随着矿井开采深度的加大,岩体强度明显降低。由于采深增加,巷道围岩的集中应力超过了围岩的自身强度,致使围岩移近率相对增加,巷道周边塑性区范围扩大。在塑性区范围内,岩石内聚力与内摩擦角迅速下降,致使岩体稳定状态恶化。围岩强度降低,围岩孔隙率增大,加上地质构造发育的影响,导致巷道变形呈软岩特性。在围岩应力作用下表现出显著的塑性和流变性。另外，由于采深增加,地温增高，高温环境会促使岩石从脆性向塑性转化，使围岩产生塑性变形。巷道内水气增多，使围岩软化。巷道底板岩体软弱、强度低、承载力不足是造成底鼓的直接原因。

在深部开采中,由于岩石受到以上地质因素的影响,很多煤层底板是比较软弱的。在巷道中受两帮的压模效应和应力作用下,或者整个巷道都位于松软碎裂的岩体内,由于围岩应力重新分布及远场地应力的作用,底板软岩石就会因受到挤压而产生流动变形（如图1）。

图1 底板软岩受挤压产生流动变形示意图

（三） 巷道的大小和形状

巷道底鼓与巷道本身的规格和形状有关,特别宽大的巷道比窄巷道易发生底鼓,而巷道的宽度是由采矿作业的相关要求而决定的。在某些情况下,特别是辅助巷道,宽度能保持在一定限度以内,而通过增加巷道高度使横截面保持不变，以满足通风等的要求，这样可以减轻巷道底鼓。

（四） 水平构造应力对巷道稳定性的影响

构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。实测资料表明,原岩应力场内铅直应力基本上等于上覆岩层重量,而由于构造应力的存在,水平应力普遍超过金尼克假设由式(1)计算的数值,水平构造应力一般为铅直应力的0.5～5.5倍,在地质条件复杂地区可以达到更高。

δx=δy =μδz/1-μ=μγH/1-μ 式(1)

式中μ———泊松比;

γ———体积力;

H ———煤层埋藏深度。

在软岩和厚煤层中,底板岩层在水平应力作用下,与形成褶曲构造相类似,向巷道空间鼓起。如果底板岩层呈粘—塑性变形,底板岩层进入蠕变状态(如图2)。因此高水平应力是造成底板岩层破坏强烈的主要原因。

（五） 水理作用

浸水后的巷道底板往往产生严重的底鼓,一般表现为3个方面: ①底板岩层浸水后,其强度降低,更容易破坏; ②泥质胶结的岩层,浸水后易破碎、泥化、崩解,甚至强度完全丧失; ③当底板岩层中含有蒙脱石、伊利石等膨胀性岩层时,浸水后会产生膨胀性底鼓。因此,巷道积水的治理是控制巷道底鼓的重要环节。

二、 巷道形变的防治措施

（一） 锚索调动深部围岩强度

巷道形变多是因为顶板上覆岩层自重，重力传递到两帮煤体以及底板而引起的。利用锚索支护技术,将上覆不稳定岩层压力转移到深部稳定岩层,缩小两帮煤体的塑性变形区，从而避免或减轻顶、底板及两帮移近量的发生。

（二） 底板锚杆

应用底板锚杆,要求底板岩层具有较好的完整性,如果底板岩层已经破碎,锚杆将失去其锚固作用,因此在使用底板锚杆前首先要对巷道进行评价。巷道底板锚杆的形式,应根据巷道服务年限、用途和生产条件选定。底板锚杆的长度应能穿过全部底鼓的岩层。

（三） 底板注浆

底板注浆一般用于加固已破碎的底板岩层,从而提高岩层抗底鼓的能力。当底板岩石承受的压力超过岩体本身的强度而产生裂隙和裂缝时,应采用注浆的办法使底板岩层的强度提高,达到防治底鼓的目的。可通过选择注浆形式、材料、压力和时间长短不同,达到不同的底板注浆加固效果。如果将注浆和锚固结合使用,即锚注支护方式（用中空锚杆兼做注浆管），就可以使原来只适用两者的范围得到扩展。

（四） 封闭式巷道支架

当底板为软弱破碎岩体时,用打底锚杆的方法来控制底鼓效果并不理想,采用封闭式支架往往可有效防治巷道底鼓,见图3。封闭式支架的特点具有反拱,支架抵抗巷道两帮内移的能力大大加强,减少了巷道底板所承受的水平力,控制了巷道底板岩层的离层和断裂。支架反拱对底板的支撑力改变了巷道底板岩层的受力状态,使底板岩层由两向受力变为三向受力,提高了围岩的强度,增加了巷道围岩的稳定性,有利于围岩承载圈的形成。

（五） 巷道卸压法

（1）巷道底板开卸压槽(孔)

在容易发生底鼓的巷道中,沿巷道轴线在巷道底板中部开卸压槽,可使巷道底板围岩沿边处的水平应力和可能发生皱褶的范围向岩体内部转移,从而使巷道底板的水平应力得以解除,达到防治底鼓的目的,见图4。

（2）松动爆破卸压法。

在巷道底板的某一深度上用爆破法将岩石紧密联结的性能加以破坏，使之与增压带的岩石脱离，这样来自巷道岩体的侧压力将由深部较硬的岩石来承担。

（六） 水的控制

岩石遇到水后使其强度软化,因此在巷道掘进过程中要做好排水工作,及时将巷道内的水排出去,这样就可以从某种意义上控制底鼓的发生。

三、工程实例

某矿业分公司掘进队在掘进3273S上山时，采用锚梁网支护。由于受3273N采空区煤柱超前应力影响，底鼓及两帮移近量相当严重，通过数据监测，巷道形成支护后，两帮最大日变量达到235mm,底板最大日移近量达到56mm。严重影响巷道的使用和后期维护。下面就此底鼓问题做如下分析：

3273S上山井下位置及四邻采掘情况：北部为3273N采空区，南部为设计3273S采面，尚未回采，东、西部没有工程，上部为3253S采空区，下部的南部区域为三水平大巷，其余无工程。

其煤层顶底板情况如表1：

表1 3273工作面煤层顶底板情况

通过分析，认为3273S上山底鼓量大的原因主要是受采动超前应力影响，如图5所示：

工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为15-30m,少数可达35-40m,应力增高系数（即支承压力峰值与原岩铅直应力的比值）为2-3，如果增大煤柱宽度会造成大量的煤炭损失。由以上两图可以看出，受3273N采动影响，3273S上山处在应力相对集中区域，中间的煤柱要经历掘进、开采、顶板垮落多次扰动影响,稳定之后,3273S上山两侧固定支承压力较大。受掘进及回采的影响,3273S上山两侧形成的集中应力与原岩的应力叠加在两侧形成较高的支承压力。该应力通过帮部的煤体传递给底板,巷道底板岩层在该应力的作用下产生形变，表现为底鼓。

针对以上底鼓原因，可以采用以下方法进行控制：

（1）锚索调动深部围岩强度，已经使用了锚索支护技术,将上覆不稳定岩层压力转移到深部稳定岩层,以减小上覆岩层对巷道两帮煤体的挤压，减小地板应力集中。同时可以有效控制巷道两帮煤体塑性变形向深部延伸，缩小巷道顶底板跨度，通过两帮将压力传递到底板，从而避免或减轻巷道形变量。

（2）可以采用锚杆加固底板（图7），底板注浆（图8），开底板卸压槽或松动爆破等方法进行底鼓防治，但应用到实际中要考虑经济因素及巷道服务年限等，通过经济、实际工程要求等方面分析比较，认为防治3273S上山巷道变形底鼓比较好的方法是利用帮锚索加强巷帮支护，同时利用底板锚杆或开底板卸压槽进行卸压。

(3)注意水的防治，前面说过,岩石遇到水后使其强度软化,因此在巷道掘进过程中要做好排水工作,这样就可以从一定程度上控制底鼓的发生。

四、结语

在深部开采中,巷道的底鼓问题将更加突出,巷道底鼓是影响矿井安全生产的重要问题,所以要很好地解决才能使矿井安全,达到高产高效。

虽然以上这些方法应用到底鼓不太严重及服务年限短的巷道可能在经济上不划算，但对于底鼓特别严重及服务年限长的巷道是很有意义的，由于某矿及开滦唐山地区的一些其他矿已经进入深部开采，所以思索这些防治底鼓的方法是很有必要的。

对巷道底鼓的防治总体上可概括为加固法和卸压法两大类。由于巷道底鼓的原因各异,底鼓严重程度不同，防治巷道底鼓的方法也要根据其成因及矿山的技术经济条件,选择相应的防治办法。如底鼓程度不严重且服务年限短的巷道，在经济合理的情况下可以只采用清卧的方法来治理底鼓。岩性受水影响较大的岩层要采取隔离水源的措施,水平应力大的底板可采取开卸压槽或松动爆破进行卸压。除此之外,根据底板的不同性质,有效的防治方法还有混凝土反拱、底板锚杆、底板注浆、锚注等相应的防治措施,来维护矿井的正常生产,达到符合国家标准的高产高效矿井的要求。

另外，在采用底鼓控制技术后,一定要配合量测监控,以便及时调整支护参数。