西河煤矿南轨道巷底鼓机理及控制技术研究

邢飞++付茂新

摘 要：巷道底鼓是煤矿中一种常见的矿压显现，它严重影响了煤矿的安全生产，是煤矿开采中最难解决的问题之一。通过分析软岩巷道底鼓的影响因素，研究了西河煤矿南轨道巷的底板变形机理，发现其为膨胀和挤压挠曲型的复合式底鼓。为了能够有效地控制底鼓量，依据底鼓机理设计出加固方案，在最近的翻修工程中采用了新提出的包含底锚索、底反拱和两帮锚固复合支护技术的控制方法，并通过现场观测矿压数据证明了其可靠、合理。

关键词：煤矿巷道；大断面巷道；底鼓；数值计算

中图分类号：TD322 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）05-0153-03

随着煤炭开采深度的增加和巷道断面的不断加大，巷道的稳定性越来越难控制，尤其是在巷道所处位置岩层比较软弱的情况下，巷道底鼓现象越来越多。底鼓导致巷道断面形状发生变化，巷道帮部底板支撑能力下降，进而引起巷道顶板的稳定性变差，造成巷道断面收缩，阻碍运输、通风，甚至巷道报废，严重影响煤矿的生产和安全。底鼓一直是煤矿巷道难以解决的复杂难题之一，底鼓严重会导致过多的维护和返修工作，增加了巷道的维护成本，严重影响正常的生产。软弱地层处高应力动压巷道底鼓比较常见，是一个迫切需要解决的关键技术问题。

1 工程背景

西河煤矿的煤岩层属于中生代侏罗纪，泥质岩层的强度是13 MPa，煤层强度是32 MPa，在这个区域内一个独特的现象是底板泥岩强度低于煤层强度，且存在较强的构造应力、膨胀应力和工程扰动应力。南轨道巷埋深约460 m，巷道总长度为2 400 m，巷道断面为矩形，宽4.6 m，高4 m，采用锚网喷支护。巷道发生严重底鼓，后期经历了三次挑底返修，但巷道底鼓变形仍得不到有效控制，考虑到顶板和帮部稳定性较好，存在顶帮硬、底软弱的特性，经过分析后认为，巷道顶、帮、底刚度和强度不协调是巷道底鼓的重要原因。

底板暴露后容易风化，且存在遇水膨胀、软化的特征。根据现场观测得知，随着底板的风化、吸水和水平应力的挤压作用，巷道底鼓值平均在450 mm以上。这是一种复合底鼓形式，传统单一的控制方法重复维修难度大，严重影响矿井的正常、安全生产。南轨道巷底鼓图见图1。

2 巷道底鼓机理分析

2.1 底鼓影响因素

影响巷道底鼓的因素主要有：巷道底板地质条件、应力特征和底板岩层的流变特征。

2.1.1 地质条件

南轨道巷底板处于泥岩层中，此岩层存在遇水易膨胀、软化的特征，且强度低，处于较高的应力水平中。

2.1.2 应力特征

由于巷道顶板和帮部岩体强度较高，在高应力的作用下，帮部岩体容易对底板岩层形成较高的支承压力，这种压力数值早已超过底板岩层的强度极限，加之巷道所处位置水平构造应力极高，进一步的水平挤压使得巷道底板岩层容易发生结构破断，形成块体结构，深部岩层进一步破断，上覆岩层上移，底板底鼓持续增大。

2.1.3 流变对巷道的影响

巷道底板的失稳破坏是一个渐进的破坏过程，为一个时间的函数。所以，要研究巷道的底鼓必须考虑岩体随时间而产生的流变特性。流变是岩体在应力的作用下对时间的一种响应，底板岩层较软，流变特性相对较为明显，且由于存在易风化和遇水膨胀、软化的特性，使得其对时间的敏感性增强，在短时间内极可能发生强度降低、结构变形乃至发生底板弯曲、破坏的情况。

2.2 底鼓机理

西河煤矿南轨道巷埋深在460 m水平位置，自重应力约11.5 MPa，最大水平构造应力接近28 MPa，应力集中区域数值达38 MPa。巷道处于高应力区域，巷道底板为软弱易碎的泥岩层，当岩体结构发生破坏时，巷道就会发生严重的底鼓现象，且底板泥岩易吸水膨胀和软化。随着巷道掘成时间的推移，底板岩层的强度越来越低，所以巷道底板为低强度、吸水膨胀软化型工程软岩。

导致软岩变形破坏的因素很多，在特定的工程背景下，底鼓并非为单一因素所导致的结果，从南轨道巷的现场实际情况来看，此处巷道底鼓的原因主要在于高应力区巷道底板的软弱性+帮部的垂直压力+水平方向的高应力挤压+底板膨胀向上位移所导致。底板由于受帮部的支撑压力作用，先在帮底部发生破坏，再通过水平挤压力的作用发生结构破断，形成更碎的块体结构。由于上层底板破坏无法承受载荷，下层岩层随即载荷增大，依次发生破坏和向上位移，并推动上面已破坏底板岩层进一步向上移动。综合分析认为，南轨道巷底鼓属于复合型变形机制。

图1 南轨道巷底鼓图 图2 巷道底板岩层破坏变形机制图

图2为通过数值模拟帮部不同硬度条件下巷道底板中央距底板表面不同位置处铅垂位移曲线图。从图2可以看出，在软、硬帮两种情况下，巷道底板的相对铅垂位移特征基本相同，最大值位于巷道表面中部，在帮部软弱的情况下，巷道底板铅垂位移值比帮部较硬时要大得多。由此可知，帮部的软硬程度对巷道底鼓的影响较大。

在现场实际观测中，在帮部软硬差别较大的情况下，两者的底鼓量相差比数值模拟结果要大，究其原因是由于巷道的帮部强度较大时，受到支承压力作用后所产生的塑性区和破碎区都很小，巷道的实际跨度较小，所以，硬帮巷道的底板能够承受大的水平应力，其底鼓量要小。相应的软帮巷道因为煤帮部的塑性区和破碎区都很大，底板实际裸露宽度增大，所以在水平应力的作用下就会产生压曲破坏。

底板的破坏深度一般可以采用土力学中地基计算方法，由塑性理论可知，在底板上极限平衡区分为三个区，如图3所示。

随着支承压力的持续增加，当超过底板主动区（Ⅰ区）极限强度时，极限平衡区宽度内的底板将在底脚处与岩体分离。主动区的岩体受到上方垂直压力的作用而发生变形破坏，形成破碎区。同时，由于水平作用力的影响将岩体进一步挤压到过渡区（Ⅱ区），并把应力传递于这一区域。过渡区继续挤压被动区（Ⅲ区），使得岩体在主动区支承压力的影响下向巷道内移动，并形成剪切滑移面，形成不同程度的底鼓。endprint

3 底鼓控制措施及效果

3.1 控制措施

对于南轨道巷，控制底鼓应考虑底鼓的主要影响因素和其变形机理；对于复合型底鼓巷道，控制底鼓的主要思路就是为了提高巷道自身的承载力，使巷道在结构上达到承载协调。这就要求不仅要采取措施加强支护底板，而且还要克服底帮刚度不协调、整体性不好的特征，尽可能地克服水对底板带来的危害。

很明显，水是影响巷道底鼓的一个重要因素。在水的作用下，巷道开挖后底板遇水膨胀，强度降低，且底板整体性降低，形成半流动性塑性底板，因此，防水是控制底鼓的一个必备方法。

提高底板岩体强度，利用整体锚固技术是提高底板抗底鼓能力的另一条途径，要使底板具有高强度的承载力，必须使底板和帮部尽量成为一个整体。

总之，控制西河煤矿南轨道巷的方法主要包括：通过锚固、注浆等手段提高底板的整体强度；采取防水措施防止底板遇水软化和膨胀；打设巷道底角锚杆，增强巷道帮部和底板的整体性。

根据控制底鼓措施制订的巷道支护断面示意图详见图4.

图3 底板中的极限平衡区 图4 防底鼓巷道支护断面图

3.2 控制效果

为了能够验证底鼓的控制效果，在南轨道巷安装三个测站监测底板底鼓量，分析测站底鼓数值和它的变化特征。

图5—图7为三个测站底鼓量随时间变化曲线图。从图中可知，底板两侧底鼓量小于中央，随着时间变化底鼓速度先增大，然后基本保持不变，底鼓稳定时间大约为20 d，底鼓量最大值在6～10 mm，由此可知，此方法对控制此类巷道底鼓成效显著。

图6 测站二底鼓量 图7 测站三底鼓量

随时间变化曲线 随时间变化曲线

图8是在采用底板反拱加固段和未加固段底板完整性窥视图。从图中可以看出，采用反拱加固后，巷道底板完整性好，而未加固段底板完整性较差，底板破碎深度达1.3 m以上。

通过现场底鼓观测和底板完整性窥视可知，采用底角锚杆和反拱加固可以明显抑制底板岩层的破坏程度，保护底板以维持底板的承载能力，可以有效控制巷道底鼓的发生。

图8 底板完整性窥视图

4 结论

西河煤矿南轨道巷处于高构造应力区，高水平构造应力、低强度底板岩层和遇水软化膨胀是巷道底鼓的主要影响因素。

防止巷道底鼓应当维持底板的承载能力、转移底板载荷，采用底板加固，使底板和帮部、顶板成整体承载体，以维护巷道底板的稳定性。

控制西河煤矿南轨道巷底鼓的措施主要为整体锚固、打设底板反拱、底板铺设防水材料。经过现场试验证明，控制效果合理、可行。

参考文献

[1]Wang jiong，Guo Zhibiao，Yan Yubiao.Floor heave in the west wing track haulage roadway of the Tingnan caol mine：mechanism and control[J].International Journal of Mining Science and Techanology，2012（3）.

[2]Shaoqing NIU，Shuangsuo YANG，Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softening Model after Peak Based on Morh-Cloumb Theory Criterion[J].Advanced Materials Research，Vols. 261-263 （2011）：1439-1443.

[3]钱铭高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[4]杨双锁.回采巷道围岩控制理论及锚固结构支护原理[M].北京：煤炭工业出版社，2004.

[5]牛少卿.长壁开采三顺槽围岩控制理论技术研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[6]杨双锁.煤矿回采巷道围岩控制理论探讨[J].煤炭学报，2010，35（11）：1842-1853.

[7]R.N. Singh，I. Porter，J. Hematian. Finite element analysis of three-way roadway junctions in longwall mining[J].International Journal of Coal Geology，2001，45（1）：115-125.

[8]Taber，J.T.，Grenney，W.J.A multi-media expert system for intersection and roadway access design[J].Annual Meeting，Institute of Transportation Engineers，1995：467–470.

[9]Eckoff，P.A.，Braverman，T.N.Development and application of a refined roadway application model CAL3QHCR[J]. Joint Conference on Applications of Air Pollution Meteorology，1996，9（1）：617–621.

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作者简介：邢飞（1983—），男，山西长治人，2013年毕业于东北大学，副总工程师，主要从事采矿工程方面的管理与技术工作。

〔编辑：白洁〕

Xihe Coal Mine South Rail Mechanism of Floor Heave of Roadway and Control Technology Research

Xing Fei ， Fu Maoxin

Abstract： Floor heave is a common ore mine in pressure behavior， which seriously affected the production of coal mine safety， coal mining is one of the most difficult problems to solve. By analyzing the factors of soft rock roadway floor heave， studied the floor deformation mechanism Xihe coal mine south rail Lane， was found to expansion and compression deflection type of composite kick drum. In order to effectively control the amount of kick drum， kick drum mechanism design based reinforcement program， using a new proposed includes a bottom anchor， anchoring the bottom inverted arch and two control methods to help support technology complex in a recent renovation project， and mine pressure through field observation data to prove its reliability and reasonable.

Key words： coal mine tunnel； large section of roadway； kick drum； numerical calculationendprint

3 底鼓控制措施及效果

3.1 控制措施

对于南轨道巷，控制底鼓应考虑底鼓的主要影响因素和其变形机理；对于复合型底鼓巷道，控制底鼓的主要思路就是为了提高巷道自身的承载力，使巷道在结构上达到承载协调。这就要求不仅要采取措施加强支护底板，而且还要克服底帮刚度不协调、整体性不好的特征，尽可能地克服水对底板带来的危害。

很明显，水是影响巷道底鼓的一个重要因素。在水的作用下，巷道开挖后底板遇水膨胀，强度降低，且底板整体性降低，形成半流动性塑性底板，因此，防水是控制底鼓的一个必备方法。

提高底板岩体强度，利用整体锚固技术是提高底板抗底鼓能力的另一条途径，要使底板具有高强度的承载力，必须使底板和帮部尽量成为一个整体。

总之，控制西河煤矿南轨道巷的方法主要包括：通过锚固、注浆等手段提高底板的整体强度；采取防水措施防止底板遇水软化和膨胀；打设巷道底角锚杆，增强巷道帮部和底板的整体性。

根据控制底鼓措施制订的巷道支护断面示意图详见图4.

图3 底板中的极限平衡区 图4 防底鼓巷道支护断面图

3.2 控制效果

为了能够验证底鼓的控制效果，在南轨道巷安装三个测站监测底板底鼓量，分析测站底鼓数值和它的变化特征。

图5—图7为三个测站底鼓量随时间变化曲线图。从图中可知，底板两侧底鼓量小于中央，随着时间变化底鼓速度先增大，然后基本保持不变，底鼓稳定时间大约为20 d，底鼓量最大值在6～10 mm，由此可知，此方法对控制此类巷道底鼓成效显著。

图6 测站二底鼓量 图7 测站三底鼓量

随时间变化曲线 随时间变化曲线

图8是在采用底板反拱加固段和未加固段底板完整性窥视图。从图中可以看出，采用反拱加固后，巷道底板完整性好，而未加固段底板完整性较差，底板破碎深度达1.3 m以上。

通过现场底鼓观测和底板完整性窥视可知，采用底角锚杆和反拱加固可以明显抑制底板岩层的破坏程度，保护底板以维持底板的承载能力，可以有效控制巷道底鼓的发生。

图8 底板完整性窥视图

4 结论

西河煤矿南轨道巷处于高构造应力区，高水平构造应力、低强度底板岩层和遇水软化膨胀是巷道底鼓的主要影响因素。

防止巷道底鼓应当维持底板的承载能力、转移底板载荷，采用底板加固，使底板和帮部、顶板成整体承载体，以维护巷道底板的稳定性。

控制西河煤矿南轨道巷底鼓的措施主要为整体锚固、打设底板反拱、底板铺设防水材料。经过现场试验证明，控制效果合理、可行。

参考文献

[1]Wang jiong，Guo Zhibiao，Yan Yubiao.Floor heave in the west wing track haulage roadway of the Tingnan caol mine：mechanism and control[J].International Journal of Mining Science and Techanology，2012（3）.

[2]Shaoqing NIU，Shuangsuo YANG，Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softening Model after Peak Based on Morh-Cloumb Theory Criterion[J].Advanced Materials Research，Vols. 261-263 （2011）：1439-1443.

[3]钱铭高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[4]杨双锁.回采巷道围岩控制理论及锚固结构支护原理[M].北京：煤炭工业出版社，2004.

[5]牛少卿.长壁开采三顺槽围岩控制理论技术研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[6]杨双锁.煤矿回采巷道围岩控制理论探讨[J].煤炭学报，2010，35（11）：1842-1853.

[7]R.N. Singh，I. Porter，J. Hematian. Finite element analysis of three-way roadway junctions in longwall mining[J].International Journal of Coal Geology，2001，45（1）：115-125.

[8]Taber，J.T.，Grenney，W.J.A multi-media expert system for intersection and roadway access design[J].Annual Meeting，Institute of Transportation Engineers，1995：467–470.

[9]Eckoff，P.A.，Braverman，T.N.Development and application of a refined roadway application model CAL3QHCR[J]. Joint Conference on Applications of Air Pollution Meteorology，1996，9（1）：617–621.

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作者简介：邢飞（1983—），男，山西长治人，2013年毕业于东北大学，副总工程师，主要从事采矿工程方面的管理与技术工作。

〔编辑：白洁〕

Xihe Coal Mine South Rail Mechanism of Floor Heave of Roadway and Control Technology Research

Xing Fei ， Fu Maoxin

Abstract： Floor heave is a common ore mine in pressure behavior， which seriously affected the production of coal mine safety， coal mining is one of the most difficult problems to solve. By analyzing the factors of soft rock roadway floor heave， studied the floor deformation mechanism Xihe coal mine south rail Lane， was found to expansion and compression deflection type of composite kick drum. In order to effectively control the amount of kick drum， kick drum mechanism design based reinforcement program， using a new proposed includes a bottom anchor， anchoring the bottom inverted arch and two control methods to help support technology complex in a recent renovation project， and mine pressure through field observation data to prove its reliability and reasonable.

Key words： coal mine tunnel； large section of roadway； kick drum； numerical calculationendprint

3 底鼓控制措施及效果

3.1 控制措施

对于南轨道巷，控制底鼓应考虑底鼓的主要影响因素和其变形机理；对于复合型底鼓巷道，控制底鼓的主要思路就是为了提高巷道自身的承载力，使巷道在结构上达到承载协调。这就要求不仅要采取措施加强支护底板，而且还要克服底帮刚度不协调、整体性不好的特征，尽可能地克服水对底板带来的危害。

很明显，水是影响巷道底鼓的一个重要因素。在水的作用下，巷道开挖后底板遇水膨胀，强度降低，且底板整体性降低，形成半流动性塑性底板，因此，防水是控制底鼓的一个必备方法。

提高底板岩体强度，利用整体锚固技术是提高底板抗底鼓能力的另一条途径，要使底板具有高强度的承载力，必须使底板和帮部尽量成为一个整体。

总之，控制西河煤矿南轨道巷的方法主要包括：通过锚固、注浆等手段提高底板的整体强度；采取防水措施防止底板遇水软化和膨胀；打设巷道底角锚杆，增强巷道帮部和底板的整体性。

根据控制底鼓措施制订的巷道支护断面示意图详见图4.

图3 底板中的极限平衡区 图4 防底鼓巷道支护断面图

3.2 控制效果

为了能够验证底鼓的控制效果，在南轨道巷安装三个测站监测底板底鼓量，分析测站底鼓数值和它的变化特征。

图5—图7为三个测站底鼓量随时间变化曲线图。从图中可知，底板两侧底鼓量小于中央，随着时间变化底鼓速度先增大，然后基本保持不变，底鼓稳定时间大约为20 d，底鼓量最大值在6～10 mm，由此可知，此方法对控制此类巷道底鼓成效显著。

图6 测站二底鼓量 图7 测站三底鼓量

随时间变化曲线 随时间变化曲线

图8是在采用底板反拱加固段和未加固段底板完整性窥视图。从图中可以看出，采用反拱加固后，巷道底板完整性好，而未加固段底板完整性较差，底板破碎深度达1.3 m以上。

通过现场底鼓观测和底板完整性窥视可知，采用底角锚杆和反拱加固可以明显抑制底板岩层的破坏程度，保护底板以维持底板的承载能力，可以有效控制巷道底鼓的发生。

图8 底板完整性窥视图

4 结论

西河煤矿南轨道巷处于高构造应力区，高水平构造应力、低强度底板岩层和遇水软化膨胀是巷道底鼓的主要影响因素。

防止巷道底鼓应当维持底板的承载能力、转移底板载荷，采用底板加固，使底板和帮部、顶板成整体承载体，以维护巷道底板的稳定性。

控制西河煤矿南轨道巷底鼓的措施主要为整体锚固、打设底板反拱、底板铺设防水材料。经过现场试验证明，控制效果合理、可行。

参考文献

[1]Wang jiong，Guo Zhibiao，Yan Yubiao.Floor heave in the west wing track haulage roadway of the Tingnan caol mine：mechanism and control[J].International Journal of Mining Science and Techanology，2012（3）.

[2]Shaoqing NIU，Shuangsuo YANG，Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softening Model after Peak Based on Morh-Cloumb Theory Criterion[J].Advanced Materials Research，Vols. 261-263 （2011）：1439-1443.

[3]钱铭高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[4]杨双锁.回采巷道围岩控制理论及锚固结构支护原理[M].北京：煤炭工业出版社，2004.

[5]牛少卿.长壁开采三顺槽围岩控制理论技术研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[6]杨双锁.煤矿回采巷道围岩控制理论探讨[J].煤炭学报，2010，35（11）：1842-1853.

[7]R.N. Singh，I. Porter，J. Hematian. Finite element analysis of three-way roadway junctions in longwall mining[J].International Journal of Coal Geology，2001，45（1）：115-125.

[8]Taber，J.T.，Grenney，W.J.A multi-media expert system for intersection and roadway access design[J].Annual Meeting，Institute of Transportation Engineers，1995：467–470.

[9]Eckoff，P.A.，Braverman，T.N.Development and application of a refined roadway application model CAL3QHCR[J]. Joint Conference on Applications of Air Pollution Meteorology，1996，9（1）：617–621.

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作者简介：邢飞（1983—），男，山西长治人，2013年毕业于东北大学，副总工程师，主要从事采矿工程方面的管理与技术工作。

〔编辑：白洁〕

Xihe Coal Mine South Rail Mechanism of Floor Heave of Roadway and Control Technology Research

Xing Fei ， Fu Maoxin

Abstract： Floor heave is a common ore mine in pressure behavior， which seriously affected the production of coal mine safety， coal mining is one of the most difficult problems to solve. By analyzing the factors of soft rock roadway floor heave， studied the floor deformation mechanism Xihe coal mine south rail Lane， was found to expansion and compression deflection type of composite kick drum. In order to effectively control the amount of kick drum， kick drum mechanism design based reinforcement program， using a new proposed includes a bottom anchor， anchoring the bottom inverted arch and two control methods to help support technology complex in a recent renovation project， and mine pressure through field observation data to prove its reliability and reasonable.

Key words： coal mine tunnel； large section of roadway； kick drum； numerical calculationendprint