马头门底鼓机理及防治技术研究

2013-06-26符利军曹世超

金属矿山 2013年4期

孟超符利军曹世超

(1.中国矿业大学矿业工程学院;2.深部煤炭资源开采教育部重点实验室;3.神华海外俄罗斯公司;4.中煤集团山西金海洋能源有限公司高山煤业;5.邢台职业技术学院)

巷道开挖引起的围岩内部应力状态及完整性发生变化，底板岩层向巷道内位移形成底鼓。底鼓造成巷道断面缩小，给矿井运输、通风和行人带来一定影响，严重时可能威胁到矿井的生产安全。随着采深的增大，煤矿巷道围岩条件及应力环境逐渐恶化，巷道底鼓问题也随之日益突出。长期以来，国内外学者对于巷道底鼓机理及控制技术作了诸多研究，并取得了一定的成果;但针对现场复杂的巷道围岩地质条件，现有研究成果及技术大多针对一般准备或回采巷道的底鼓变形，从控制变形作用方面入手，对于大断面条件下的巷道底鼓机理的研究较少。为此，本研究以麦垛山煤矿马头门工程地质特征为例，研究了该条件下的巷道底鼓机理及防治技术措施，为该类问题的解决提供有益借鉴。

1 工程概况

麦垛山煤矿井田含煤地层为侏罗系中统延安组，钻孔揭露深度平均358.25 m，岩性为中粗粒长石石英砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、泥岩及煤等组成;底部为粗粒砂岩、含砾粗砂岩与下伏三叠系上统上田组呈假整合接触。

副立井马头门巷道断面为直墙半圆拱形，掘进断面宽8.5 m，高9.5 m，属大断面巷道。副立井马头门布置于6煤顶板岩层中，巷道处于煤系地层中，软岩特征明显，且位于隔水层或弱含水层中，距含水层较近，掘后形成的次生裂隙多能导通上部含水层，引起水对围岩支护的扰动。该类软岩在干燥状态下强度较低，显硬脆性而不具韧性，在外力作用下易碎裂;其本身由于为泥质胶结，遇水后软化、崩解甚至泥化，极大降低了巷道围岩的自身强度，造成支护失效，巷道严重变形。当巷道底板为吸水膨胀性岩层时，常造成巷道底板强烈底鼓。马头门附近煤岩层柱状图如图1所示。

图1 煤岩层柱状图

2 围岩力学特征分析

马头门巷道围岩力学特征主要包括围岩变形特点、围岩内应力场、围岩破坏状况三方面。结合岩石物理力学性质及支护技术措施等因素，在巷道开挖、支护初期，运用数值模拟手段对围岩力学特征进行研究，并对其围岩的压力、变形和裂隙发育状况进行观测，进而总结巷道围岩的力学特征。

2.1 支护方案

针对副立井马头门巷道大断面及围岩条件特点，在巷道开挖后分两次对围岩进行支护控制，具体如下。

(1)一次支护。采用锚网喷支护:锚杆为 ø20 mm×2 200 mm的全螺纹树脂锚杆，间排距为700 mm×700 mm，每根锚杆用2支药卷锚固;钢筋网片规格为 ø6.5 mm圆钢加工，网格为100 mm×100 mm;喷射混凝土厚度100 mm，强度等级为C20。

(2)二次支护。采用双层钢筋混凝土砌碹支护，厚度为600 mm，强度等级为C60;配筋方面主筋规格为ø25 mm×300 mm×300mm。

2.2 巷道围岩力学特征研究

利用FLAC3D有限元分析对副立井马头门巷道开挖支护初期的围岩力学特征进行研究。

(1)巷道围岩应力分布特征。根据图2中巷道围岩的应力分布情况分析可知，在开挖和支护后，围岩内应力场分布呈现如下特征:①该巷道开挖引起的应力扰动范围平均约为15 m，而一般巷道开挖引起的扰动范围为6～10 m，表明大断面巷道围岩内应力扰动的范围远超于一般巷道。②在巷道两帮及底板分别出现拉应力，图2(b)中方框范围为拉应力出现位置。两帮及底板均为长直线形状，而四周来压使其向内变形，在帮底外侧易形成拉应力;除巷道断面形状的影响外，拉应力的出现也说明帮底两处支护抗力不足。③巷道浅部围岩的压应力变化快慢不同。围岩内应力值沿围岩由外向内逐渐降低。因此围岩内部应力分布特征与应力梯度有关，同一应力范围区域越小表明应力值变化越迅速，应力梯度越大。

图2 巷道围岩应力分布

(2)巷道围岩破坏状况。结合数值模拟计算，从图3中可以看出，巷道顶板及两帮围岩塑性区平均厚度约为4.5 m，而底板围岩塑性区范围达到8.3 m。大断面巷道底板围岩塑性区较大主要是因为巷道开挖面积大，扰动范围广，围岩内裂隙的数目相对增多，造成底板抗弯折能力降低，易于破坏;而一般巷道开挖断面较小、跨度不大，底板强度相对较高，破坏程度相对较低。

(3)巷道围岩内部位移。结合巷道围岩内部应力分布特征、围岩物理力学性质及断面尺寸形状等因素，对巷道围岩内部位移变化情况进行数值模拟研究，结果如图4所示。

图3 巷道围岩塑性区

图4 围岩变形矢量图

从图4中可以看出，巷道围岩的最大变形量出现在底板位置，其值为377.2 mm;另外，两帮变形相对较大，拱顶变形相对最小。围岩的变形特征呈现出明显的不均匀性，而围岩不均匀变形极易造成锚杆拉断拔出、砌碹破裂、底板鼓起等一系列问题。

2.3 巷道围岩支护中存在的问题

马头门巷道围岩的以上特点给其支护带来了诸多困难，主要包括以下几个方面。

(1)巷道开挖面积大，开挖引起的扰动范围广，而设计所使用的锚杆、锚索长度及直径不尽合理。

(2)锚索规格较低或数量不足，造成锚索承担的荷载超过其设计承载能力，因而在支护过程中容易产生拉断等破坏。

(3)巷道两帮围岩的控制仅采用锚杆支护，控制能力有所不足，两帮围岩未得到有效控制，变形较大。

(4)巷道底板围岩抗弯能力减低，破坏严重，缺乏有效支护措施。

3 底鼓类型及底鼓机理分析

3.1 底鼓机理一般分类

影响底鼓的因素有很多，概括起来有两个主要方面，即巷道周围过高的应力以及底板松软的岩层导致底板岩层弯曲变形，并向巷道内挠曲、流变等。巷道底鼓一般分为两帮挤压型底鼓、岩石扩容底鼓和岩石膨胀底鼓3种类型。

(1)两帮挤压底鼓。K·Haramy将巷道底板看成两端固支的岩梁，认为底板岩层一般成层状赋存，而巷道的底鼓量正是由这些层状岩层的岩性及位移决定的。底板岩层受下部垂直作用力和两端水平作用力，其中两固定端处所受应力最大。计算表明，在巷道两底角处会形成强烈的应力集中，因此巷道两底角处岩层最易发生破断;在两底角岩层破断后，底板岩层便基本失去垂向承载能力。巷道仅在两底角处发生破断，而底板岩层的完整性依然保持较好;因此在巷道两帮相对移近的过程中，将对底板岩层施加一水平作用力，当该作用力超过某一临界载荷时，底板岩层便会发生弯曲，进而失稳破断。

(2)岩石扩容底鼓。最大主应力减去最小主应力称为差应力，随着差应力的增加，差应力－体积应变关系由线性过渡为非线性，超过一定极限后，岩石则产生扩容现象，且扩容现象随差应力增加而继续增大。

(3)岩石膨胀底鼓。由于某些巷道底板岩层中含有黏土类矿物，吸水后膨胀，从而造成岩石膨胀底鼓;其中蒙脱石矿物的含量及类型对岩石膨胀的影响最大;另外，与岩石的密度、含水量等也有关。

目前，膨胀理论主要有2种:一种是一维膨胀理论，该理论基于压密式膨胀仪试验，用下式表述:

式中，εz为轴向剪胀应变;σz为轴向应力，MPa;ks为膨胀率;σ0为膨胀力，MPa。

另一种则是考虑了侧压对膨胀的影响的三维膨胀理论，用下式表述:

式中，Δe为膨胀应变第一不变量的变化;I1σ为岩石应力的第一不变量，MPa;μ为岩石泊松比。

试验表明，具有明显各向异性的岩层在垂直层理方向的膨胀远比沿层理方向的膨胀剧烈。

3.2 马头门底鼓类型及机理分析

根据麦垛山煤矿马头门底板围岩性质及其内部应力分布状态分析认为，马头门底板破坏主要是由于受两帮挤压变形，从而导致底鼓。

马头门处于煤系地层中，巷道围岩主要由细砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成，不同层位岩体强度相差较大。由于底板为软化系数较小的泥岩或泥质粉砂岩，吸水后岩体强度降低。在巷道两帮岩柱的压模效应和应力的作用下，底板软弱岩层挤压流动到巷道内，其力学模型及位移矢量如图5所示。

图5 巷道底鼓力学模型及位移失量图

当巷道底板为煤层时，其底板围岩的破坏过程如图6所示。

图6 底板为煤层时巷道底鼓特征

麦垛山煤矿风、副井联络巷所处层位为6煤顶板，岩性主要以粉砂质泥岩和泥质粉砂岩互层组成，岩石易软化，吸水后强度降低，抗变形能力较差。巷道层位如图7所示。

图7 巷道与煤层关系

在巷道掘进过程中，采用钻孔成像对围岩内部破坏情况进行观测，发现在不同深度出现多处裂隙，围岩破坏范围达8 m，掘后10 d内巷道底鼓量为450 mm，两帮移近量达100 mm。

4 底鼓的防治

根据麦垛山煤矿巷道及其围岩地质条件，针对马头门底鼓破坏形式，主要提出以下防治措施。

4.1 预防措施

(1)大型巷道施工抗流变桩法。在大断面巷道开挖施工过程中，可采用抗流变桩法控制底板岩层的破坏。抗流变桩可采用废旧钢轨，并根据实际情况采用单排或多排布置;采用探水钻机打眼，插入废旧钢轨后采用混凝土或砂浆灌注效果较好。

(2)底板防治水。为防止底板岩层遇水后强度弱化，在巷道施工过程中应及时铺底对底板进行封闭。铺底混凝土中加适量防水剂，减少水对底板浸泡，防止底板岩层遇水弱化，造成底板破坏。

4.2 治理措施

根据巷道变形破坏机理及破坏情况，提出了施工反底拱，底板打锚杆、锚索以及注浆加固底板岩层的综合技术措施，对巷道破坏情况进行治理。

(1)施工反底拱。巷道底板施工反底拱对于巷道底鼓的治理具有多方面作用。首先，可以使巷道支护整体上封闭，改变了底部无有效支护、变形在底部得不到抑制的状况。另外，不设底拱时砌碹与底板岩层通过帮脚接触，相互作用力为集中荷载的形式，应力集中程度高、极易发生破坏;而底拱的存在使砌碹与底板岩层的相互作用力为面荷载的形式，应力水平相对较低、更为安全。第三，通过封闭底部防止了水向巷道内渗出，由于巷道表面的水头逐渐升高最终能与远处的水头齐平，所以围岩内的裂隙水也会停止向巷道方向渗流，从而阻止了围岩不断受水弱化的情况。

(2)运用底角锚索、底板锚杆。巷道的开挖使底板岩层的厚度变小，造成底板岩层抗剪切和挠曲的能力越低，因此需对底板进行有效的加固。底角锚索可提供较大的支护反力，并能使浅部岩层与深部岩层结合为统一整体;在浅部岩层发生挠曲隆起或剪断胀裂时，会受到深部稳定岩层的制约，进而有效地抑制浅部岩层的变形破坏。底板锚杆可使厚度较小的岩层形成组合梁结构，提高底板岩层的整体强度和抵抗变形的能力。

(3)注浆加固底板岩层。巷道底板岩层注浆能够有效改善底板岩层的破碎状况，提高岩层的整体强度，并能阻止裂隙水的破坏作用，进而更好地抵抗岩层的变形破坏。