巷道底鼓力学机理的探讨

2014-10-17张旭和张芳卫黄泉清

河南科技 2014年18期

张旭和张芳卫黄泉清史磊

（郑州四维矿业机械有限责任公司，河南郑州 454000）

1 引言

巷道由于掘进或回采影响引起围岩的应力状态和围岩性质发生变化，使顶底板和两帮岩体发生变形并向巷道内位移，底板岩体向巷道内位移为底鼓。一般来说，少量的底鼓对巷道的稳定性并不构成危害，因为这种底鼓变化量对巷道的通风、运输、行人等活动影响不大。但当巷道底鼓量超过这个范围时，就会对生产造成影响，并且随着底鼓量的不断发展，对整个围岩造成的失稳与破坏也会越发严重。大量实测数据表明，巷道围岩的变形失稳破坏大约有2/3～3/4是由底鼓引起的，对底鼓的维修量会占到巷道总维修量的50%[1、2]。因此，要及时进行底鼓机理和力学特性的分析以及防治措施的制定，最终把巷道围岩控制在一个相对稳定的状态。

2 巷道底鼓的类型与机理

由于巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态的差异，其底鼓的方式和机理也不相同，一般可以分为挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、遇水膨胀性底鼓和剪切错动性底鼓四种基本形式[3]。

2.1 挤压流动性底鼓

挤压流动性底鼓发生条件主要有：

（1）直接底为软弱岩层（如粘土岩、泥岩、煤）时，两帮和顶板的强度高于底板的强度的情况下，在两帮岩柱的压模效应和地应力作用下底板软弱岩层挤压流动到巷道内（如图1（1）所示）。

（2）在远场地应力作用下会挤压周边破坏岩体向巷道内流动（如图 1（2）所示）。

图1 挤压流动性底鼓

煤矿巷道一般处于沉积岩中，层状赋存是其基本特征，岩层的分层厚度不同，其发生底鼓的类型也不相同。

2.2 挠曲褶皱性底鼓

当底板为薄层状岩层时，在平行于层理方向的压力作用下，会向临空方向挠曲褶皱。岩层的分层厚度越薄，巷道宽度越大，所需的临界失稳载荷（岩层抗平行于层理方向压力的极限值）越小，就越容易发生挠曲底鼓（如图2所示）。

2.3 剪切错动性底鼓

当巷道直接底板为厚岩层体时（厚度大于1/3巷道宽度），在较高的岩层应力作用下底板一般为剪切破坏，由于底角处存在较高的应力集中因而首先形成剪切破坏带，随着破坏的发展剪切带贯通而形成楔形破坏。当顶板和两帮的岩性与底板相当时，在顶板和两帮也同样会产生楔形破坏（如图3所示）。

表1 剪切错动与挤压流动性对比表

2.4 遇水膨胀性底鼓

此类型底鼓多发生在矿物成分含蒙脱石的粘土岩层，膨胀岩是与水发生物理化学反应，引起岩石含水量随时间而增高且体积发生膨胀的一类岩石，属于易风化和软化的软弱岩石。由于巷道底板经常积水，当岩体中含有蒙脱石、高岭土和伊利石等强亲水粘土矿物时，其晶体结构特殊，能将水分子吸附在晶层表面和晶层内部，引起膨胀性底鼓，其强度会完全降低且产生膨胀应力。

工程中遇到的膨胀性岩石有两种：一种是化学转化膨胀岩石，另一种膨胀岩石是指含有强亲水性粘土矿物的粘土类岩石。它与前述的各类底鼓的主要区别为底鼓是底板吸水膨胀引起的，其底鼓的机理不同，所以治理方法也有差别。

3 影响巷道底鼓的因素

3.1 由内因导致的围岩状态

底板岩层的矿物成分（含有强亲水粘土矿物底鼓量比非亲水岩层高3～5倍）、结构状态（破碎程度、薄层结构、厚层结构）、底板岩层的软弱程度（煤、泥岩等要比细砂岩等坚硬岩石底鼓量高3～4倍）决定着底鼓量的大小。底板软弱岩层的厚度对底鼓量也有重要影响[4]。

图4所示为采用UDEC2D离散元数值模拟软件，在给定相同的垂直压力梯度、水平应力值、巷道断面、顶板及上下帮岩性和力学参数的条件下，对不同破碎程度底板的岩层底鼓量进行的模拟。

通过模拟表明：底板岩层破碎程度对巷道底鼓量起着决定作用，底板越破碎，由其造成的巷道底鼓量也越大。所以，针对由此造成的巷道底鼓，可以采取以底板注浆、打全封闭U型钢为主的方式进行底鼓的治理。

（1）节理块平均长 l=0.3m。（2）节理块平均长 l=0.6m。（3）节理块平均长l=0.8m。

3.2 由外因导致的围岩应力状态

只有岩层应力满足一定条件时才会底鼓，在构造应力、自重应力、矿山压力的作用下，岩体产生破坏变形，随着裂隙的扩展和贯通，形成拉伸破坏和剪切面，进而产生扩容。因此，深部开采的巷道比浅部开采的巷道底鼓严重得多，受采动影响的巷道比不受采动影响的巷道底鼓破坏强烈，处于断裂带、风化带附近，或有水的巷道底鼓严重。

3.3 支护强度

人们习惯于将支护的重点放在顶板和两帮，这样会导致巷道两帮的收敛量不大，但底鼓量很大，从而占了巷道围岩变形量的绝大部分。所以，应该加强底板支护，底板支护阻力对底鼓量的控制起关键作用。

图5为权台煤矿回风巷中的现场观测结果。由图可见，巷道底鼓量与对巷道底板支护阻力存在双曲线关系，即随着支护阻力的提高，底鼓量会逐渐减小，但支护阻力达到一定程度后，其对底鼓量的抑制作用将逐渐减小。

图5 底鼓量—支护阻力线性回归曲线

3.4 断面形状

为了有效利用断面，煤矿巷道断面通常采用梯形、半圆拱等形状，由于底板不能形成稳定的拱形结构往往使得底鼓量加大。研究表明，在顶底板岩性、断面支护相同的情况下，半圆拱底鼓量比圆形巷道底鼓量大1/3。

3.5 水理作用

浸水后的底板往往会出现三种状况：①强度降低，从而在水平和垂直应力的作用下更容易破坏；②泥质胶结的岩层，浸水后会泥化、崩解，强度会大大降低；③底板含有膨胀性岩层，浸水后会产生膨胀性底鼓。因此，及时设置排水沟，将施工积水及时排走，尽量避免底板侵水是治理底鼓的重要措施。

4 巷道底鼓的常用防治措施

巷道底鼓的防治应当以预防为主，治理为辅。底鼓的防治总体上可概括为两种方法，一是加固，二是卸压[7-8]。加固方法常用的有可伸缩U型钢支护，混凝土砌碹等全断面支护法以及底板注浆、打锚杆等加固方法；卸压方法常用的有底板切缝、两帮切缝、松动爆破等方法，下面介绍几种煤矿经常采用的方法。

4.1 联合支护加固法

巷道底板的稳定是由顶板—两帮—底板的稳定性共同构成的，所以仅对底板进行加固是难以对底鼓进行有效控制的。此方法从系统的角度考虑不同部位对底板的影响，建立顶板—两帮—底板一体化耦合支护方法（如图6所示）[5]。

一控顶板：采用锚网索梁联合支护。作用机理是：锚索调动深部坚硬岩层对浅部破碎岩层的挤压作用，增加松动岩体的强度，同时悬吊效应又减少了松动岩体通过两帮传递到底板上的压力，锚杆则增加了顶板岩层间的抗剪强度，阻止因离层而引起的水平错动，将叠合梁变成加强的组合梁。较高强度的平网和钢带梁与锚杆锚索连接成整体，限制了杆体间围岩的变形，这样顶板岩梁的抗弯刚度和弹性模量大大提高。二控两帮：对两帮实施锚网注浆耦合加固。作用机理是：提高两帮整体强度，限制变形量。三控底角：对底角施加45°刚性注浆锚杆。其对底板产生的力学效应主要有两个方面：（1）巷道开挖卸载后，在底角易形成剪应力集中，通过施加刚性注浆锚杆，可以提高底角的剪切强度，增强抵御底板岩层剪切滑移破坏的能力；（2）通过施加刚性注浆锚杆，能将两帮传递到底板上的压力分解为沿锚杆径向和轴向的分力，从而削弱两帮应力集中传递到底板上的作业力，达到减小底鼓量的目的。

4.2 底板卸压槽

此方法是沿巷道轴线方向在巷道底板开切卸压槽（如图7所示）。以使巷道底板边沿处围岩的水平应力向岩体内部转移，从而使巷道底板有可能导致底鼓的水平应力得以解除，有可能发生折皱变形的范围向卸压槽转移，达到防治底鼓的目的[6-7]。

底板开槽卸压能否有效控制底鼓，卸压槽的开切深度很重要。当卸压槽深度b小于其到两帮距离a时，其抵抗底板向巷道上方鼓起的压力会有所欠缺，防治底鼓效果不佳；当卸压槽深度b大于其到两帮距离a时，此时切槽两边的“似悬臂梁体”抗弯强度较大，因此抵抗底板向巷道上方鼓起的压力的效果较佳。

4.3 全封闭U型钢可缩性支架

当底板岩层强度较低比较破碎时，通过打锚杆的方法来控制，效果并不理想，此时可采用全封闭U型钢可缩性支架，往往会取得较好的效果。选用U型钢支架时，往往需要根据实际情况进行结构和工艺参数的确定，如果选用不当，会造成支架的损坏和失效。一般需要注意如下环节：①根据巷道底板的岩性、强度、尺寸确定合理的支护阻力；②根据巷道围岩的变形和蠕变特性考虑采用双向可缩底梁；③根据巷道底鼓的发展过程，选择合理的封底时间。封底过早容易引起支架底梁的损坏，过迟会延缓支架承载性能[8]。