煤矿巷道底鼓问题分析

摘 要：　分析巷道底鼓应将巷道整体作为研究对象，不能只考虑底板因素。通过侧压力系数将铅垂应力与水平应力联系起来，总体考虑巷道底鼓问题；根据巷道底板岩性将巷道底鼓总体分为挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、剪切错动性底鼓、遇水膨胀性底鼓四种类型；并详细分析巷道底鼓的影响因素；针对底鼓发生机理，将底鼓治理方法分为加固围岩法、卸压法两种，并介绍各类型典型方法。

关键词：　巷道底鼓；发生机理；影响因素；控制技术

近年来，随着我国煤矿开采深度的不断加深，巷道压力显现越来越明显，巷道围岩变形量也逐渐增大。由现场结果分析可知，在深部开采的矿井，如果未进行底板支护，则巷道顶底板移近量的2/3～3/4是由底鼓引起的，这就使得巷道维修量中绝大多数工作量是由底鼓造成的。

1　底鼓机理分析

巷道开挖后，由于破坏了围岩原始应力，巷道围岩应力重新分布，出现应力集中现象，使得巷道底板向上隆起，巷道断面面积减小，影响矿井的正常生产。

在分析巷道底鼓机理时，我们必须将全部巷道看成一个整体，而不是单独讨论底板的影响。在巷道开挖后，上覆岩层的集中应力通过巷道两侧煤壁传至巷道底板。当该集中应力超过底板岩层的极限强度时，底板岩体由弹性状态转变成塑性状态，在底板岩层中将会逐渐的产生连续剪切破坏。在应力的作用下，底板岩层将沿着底板滑移线被挤出至巷道。

通过上述分析可知，两帮的垂直应力使得底板岩层发生剪切破坏，使得垂向应力的影响转变成水平应力的影响，在水平应力的作用下，底板岩层产生褶皱变形，导致底鼓发生。为研究最大水平应力与铅垂应力的关系，本文在此引入侧压力系数，它是最大水平应力与铅垂应力的比值。不同的侧压系数会导致巷道塑性区分布不同：当侧压系数为0时，巷道塑性区主要出现在顶、底板两角；当侧压系数为1时，巷道塑性区较小，沿巷道断面分布较为均匀；当侧压系数为3时，巷道塑性区主要出现在底板处，从而导致大量底鼓发生。

我国实测资料表明，我国矿井的侧压力系数一般为0.8～3.0。由现场分析可知，底鼓量与侧压力系数成正比关系。当侧压力系数较小时，随着侧压系数的增大，底鼓量增长缓慢；当侧压力系数较大时，随着侧压系数的增加，底鼓量迅速上升。[1]

根据现场观测、数值模拟的研究结果，可将巷道底鼓分为4种基本类型[2]：

1）挤压流动性底鼓：这类型底鼓一般发生在巷道底板为破碎岩层的巷道中，由于巷道两帮和顶板结构较为完整，强度远大于底板围岩。在巷道两帮的压模效应和远场应力的作用下，底板破碎岩层受到挤压而流动到巷道内。

2）挠曲褶皱性底鼓：这种类型底鼓一般发生在巷道底板为薄岩层的巷道中。由于底板为层状岩层且层厚较薄，在平行于层里面方向的应力作用下层状底板向巷道空间发生挠曲褶皱，形成底鼓。

3）剪切错动性底鼓：这类底鼓一般发生在巷道底板为较厚岩层的巷道中。由于底板较为完整，在高应力作用下，常常会先发生剪切破坏。在水平应力的作用下，使得岩层沿剪切面发生错动而导致底鼓发生。

4）遇水膨胀性底鼓：当巷道底板岩层遇水膨胀性较高时，会因为底板积水而使底板强度降低，产生膨胀性变形导致底鼓发生。

2　巷道底鼓影响因素

通过上述对底鼓机理的研究可知，对底鼓产生影响的因素是多方面的。其主要影响因素有：围岩应力、底板岩性、水的作用、巷道支护、巷道布置及断面等。

1）围岩应力：巷道开挖后，原岩应力受到破坏，围岩内应力重新分布。同时巷道的开挖也改变了围岩的受力状态，使得围岩产生塑性区域。巷道是否发生底鼓决定于其围岩应力的大小。当巷道围岩应力超过围岩稳定的极限强度时，则底鼓发生。

2）底板岩性：通过对底鼓类型的概况，底板岩性对底板发生机理及破坏程度大小起着关键性作用。当巷道底板为砂岩等坚硬岩石时，底板完整性和稳定性均较强，在一般围岩应力下不会发生底鼓。而当巷道底板为软弱破碎岩层时，底板强度较低，稳定性差，在矿山压力的作用下很容易发生底鼓现象。

3）水的作用：在矿井生产过程中，很容易在巷道底板产生积水，使得底板岩层浸水。一般岩体均具有软化性，即岩石浸水后其强度降低，这就使得巷道在同等围岩应力的条件下更容易破坏。如果巷道底板岩层为泥质胶结岩层时，遇水后产生破碎、泥化，甚至完全丧失强度。遇水膨胀性底鼓发生是由于底板岩层含有大量粘土矿物，遇水后产生膨胀和崩解，从而导致底鼓。

4）支护作用：在控制围岩变形技术中，支护起着至关重要的作用。合理的支护方法，可以有效的控制巷道围岩变形。采用围岩锚杆支护、锚索支护等主动支护，可以增强围岩强度及自承能力，优化了围岩受力条件和赋存环境。采用U型钢等架设支架支护方法，对围岩施加一定的径向力，既可以支撑松动塌落岩石，又能加大巷道围压，保持围岩三向受力状态，限制塑性区域及破碎去的发展。其次，对于支护时间的选择也要合理，选择最佳支护时间进行支护，可以最大限度地发挥围岩塑性区承载能力而又不出现松动破坏。

5）巷道布置及断面选择：从巷道围岩控制的角度出发，巷道的布置最好避开采掘活动的影响，将巷道尽量布置在煤层开采后所形成的应力降低区内。在采矿系统的允许范围内，选择稳定的岩层进行巷道布置，尽量避免含水层对巷道的破坏。同时巷道的轴线方向尽可能与构造应力方向平行，避免垂直构造应力方向。所以巷道的优化布置可以大大地降低围岩应力，增加围岩强度，有效的控制围岩变形与破坏。

巷道断面形状的选择也应认真考虑，当顶压、侧压都很大同时底鼓严重时，可以选用马蹄形、椭圆形或圆形等封闭式断面，可以有效的减小底鼓量。

3　巷道底鼓治理措施

针对煤矿底鼓的治理问题，要做到预防为主，治理为辅。在巷道发生严重底鼓前，采取相应方法控制底鼓加剧。结合上文对底鼓发生机理的研究，底鼓的产生主要是由于围岩应力和围岩强度共同决定的。降低围岩应力和增加围岩强度均可以有效控制底鼓。所以巷道底鼓的防治措施总体上可以归结为两类方法：

1）加固围岩法：传统的加固方法只是围绕底板进行的，被动地对底板进行维护，在一定程度上可以控制底鼓，但是在高应力软岩巷道中，很难达到较好的控制效果。从现场实测可知，控制巷道底板要从巷道整体入手，在巷道两帮、底角均进行加固，可以有效的控制底鼓。

2）卸压法：该方法的控制机理在于改变巷道底板的应力分布，使其处于应力降低区，来保证巷道底板的稳定，阻止底板向巷道内移动。常用的卸压方法有开卸压槽、钻孔或松动爆破等。

各类典型方法介绍如下：

超挖锚注回填技术：该方法首先在巷道底板超挖，使得底板岩层应力得　到释放，然后利用锚杆注浆加固，最后将高强度混凝土回填至超挖前高度，可以有效的改善围岩力学性质，控制巷道底鼓。

利用压力将浆液充填至围岩裂隙中去，可以有效的改善围岩力学性质，增大裂隙的粘聚力和内摩擦角，提高围岩整体的稳定性。这就为锚杆提供了可靠的着力基础，使得锚杆的锚固作用大大发挥出来，更进一步地提高了围岩体的强度。

在实施该方法后，由于对底板的超挖，使得巷道底板应力得到一定的释放，同时由于锚注支护，底板强度大大增高，从根本上解决了巷道底鼓问题。

望峰岗矿-817水平北翼轨道石门掘出后，底鼓强烈，反复卧底后仍有较大底鼓量。现场采用底板超挖锚注回填方法后有效改善底板岩层的力学性质，成功的控制巷道底鼓，取得了良好的技术经济效益。现场具体实施为：在巷道变形趋于稳定后，对巷道底板向下超挖800mm岩体；在超挖底板处进行锚注支护，锚杆间排距为2m×2.5m，注浆材料选用硅铝酸盐水泥单液泥浆，水灰比为0.6；最后用混凝土对底板超挖部分进行回填。[3]

3）开槽卸压法：在巷道底板为破碎软弱岩层时，由于底板强度较低首先被破坏，使底板应力向深处转移，造成底板底鼓发生。如果在巷道开挖过程中及时对巷道底板高应力进行卸压，可以保持巷道底板的完整性，这样对于日后的巷道底板维护有积极作用，可以有效的控制巷道底鼓。开槽卸压法就是利用该原理，在巷道掘进过程中，对巷道两帮和底板及时进行切槽，在底板未被破坏前使底板高应力去转移至深部岩层，使巷道底板在掘进时就处于应力降低区，保护底板岩层的完整性，为后期巷道支护及加固创造有利条件。

由现场实测和数值模型计算可知，巷道底部切槽深度对卸压效果有很大影响，合理的切槽深度可以最大程度的控制底板底鼓。根据数值模拟结果及现场实践，当切槽深度小于巷道底板宽度1/2时，未能较好地控制底鼓，一般切槽深度应尽量大于巷道底板宽度的1/2才能对底鼓进行有效的控制。

4　结论

1）分析巷道底鼓应将巷道整体作为研究对象，不能只考虑底板因素。通过侧压力系数将铅垂应力与水平应力联系起来，总体考虑巷道底鼓问题。

2）围岩应力、底板岩性、水的作用、支护作用等是影响巷道底鼓的关键因素。在进行巷道底鼓控制时要综合各种因素来考虑。

3）控制巷道底鼓要从两方面入手：加强巷道整体强度及降低巷道围岩应力。做到预防为主，治理为辅。

参考文献：

[1]郭保华、陆庭侃，深井巷道底鼓机理及切槽控制技术分析[J].岩石力学与工程学报，2008，25（1）.

[2]姜耀东、赵毅鑫、刘文岗、李　琦，深部开采中巷道底鼓问题的研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23（14）.

[3]常聚才、谢广祥，深部岩巷底鼓机理及底板超挖锚注回填技术[J].采矿与安全工程学报，2011，28（3）.