敏东一矿软岩巷道底鼓机理与防治方法

邵 力

（内蒙古蒙东能源有限公司敏东一矿，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

0 引言

矿井采掘活动将会导致应力重分布，在应力与围岩的相互作用下将会发生不同程度的矿压显现，而底鼓是巷道剧烈矿压显现的一种形式[1]。底鼓是一个复杂的围岩破坏过程。针对底鼓机理及防治工作，国内外众多学者已做出大量研究。康红普认为底鼓的主要原因是底板软岩、扩容、弯曲断裂和蠕变[2-3]。郑西贵推导获得反底拱锚固梁力学模型，认为巷道宽度和底板围岩强度是影响巷道底鼓的主要因素[4]。何满潮[5]、王卫军[6]、李学华[7]等提出通过加固巷道顶板、两帮、顶角等关键部位来控制底鼓。杨生斌[8]利用数值模拟研究底锚对底鼓的控制作用，并将其应用于生产实践中。然而，由于不同矿井地质条件和开采情况不同，导致不同矿井底鼓机理不同，对于巷道底鼓治理仍存在许多困难。针对敏东一矿I0116300回采巷道严重底鼓问题，采用现场底鼓量实测、底板矿物成分分析、围岩强度测试和数值模拟研究，分析其底鼓机理，在此基础上，提出留设底煤掘进的底鼓治理方法。

1 工程概况

敏东一矿位于伊敏河东矿区东南部，设计生产能力为500万t/a，主采煤层为16-3和16-3上煤层，顶底板岩层以泥岩、粉砂岩、细砂岩、中粗砂岩和砂砾岩为主，岩石胶结较松散，一般为泥质胶结和凝灰质胶结，抗压强度较低。其岩石平均抗压强度以煤层最高，仅为12.3MPa，砂砾岩最低，仅为1.32MPa，该矿井为典型的软岩矿井，且粉砂岩遇水易崩解，泥岩遇水极易膨胀，巷道稳定性差。

I0116300工作面为敏东一矿北翼首采工作面，煤层平均厚度为13m，倾角为8度。为保证巷道顶板稳定性，回采巷道断面设计为直墙半圆拱形，掘进宽度为4.8m，高度为3.6m，巷道沿煤层底板进行掘进。工作面回采前，回采巷道底鼓较为缓和，而随着工作面的推进，工作面前方回采巷道剧烈底鼓，需对回采巷道进行多次翻修，严重影响矿井正常生产。

2 巷道底鼓机理

2.1 巷道底鼓特点

底鼓是巷道矿压显现的主要形式之一，主要受矿井采掘活动影响，依据巷道破坏过程可将底鼓作用影响因素分为三种：①巷道开挖应力重新分布引起的巷道底鼓变形；②围岩暴露空气长期风化和水解等引起的围岩强度劣化造成巷道底鼓变形；③回采期间引发的底板采动应力集中造成的巷道底鼓变形。

不同因素下造成巷道底鼓剧烈程度不同，为了研究敏东一矿不同因素下底鼓特点，对I0116300运输顺槽不同测点进行表面位移监测，其底鼓变化趋势如下：

图1 运输顺槽底鼓变化趋势

测点1～4均未受工作面回采采动影响，为巷道掘进后147天内底鼓监测数据。由数据可得，巷道底鼓变形较明显，最大底鼓量可达500mm，最小底鼓量为310mm。巷道变形初期，即0～35天，巷道底鼓变形较快，呈直线增长趋势，最大变形量约370mm。巷道变形中期，即35～90天，巷道底鼓量整体表现为缓慢增加，测点2变化较为迅速。巷道变形后期，即90～147天，巷道底鼓量仍缓慢增加，但整体变形趋于稳定。

对于巷道回采期间，由于巷道在未受采动期间，底鼓量已较大，在回采期间需对巷道底板进行翻修清理，而清理频率较高，每两天清理一次底板，每次清理量约为200mm，所以无法对回采期间巷道底鼓量进行精确监测。

由此可见，敏东一矿巷道底鼓变形表现为初期变形迅速、剧烈，且具有持续性，变形时间较长，未受采动影响时，巷道底鼓原因主要为巷道开挖引起的应力分布和其他原因引起的围岩强度劣化造成的围岩变形，而回采期间巷道发生二次底鼓变形，变形更加剧烈，主要由工作面采动应力集中造成。

2.2 矿物成分分析

为了研究敏东一矿底板围岩矿物含量，尤其是遇水极易膨胀的粘土矿物成分，研究其围岩变形机理，为巷道底鼓防治提供依据，通过现场岩样收集和钻孔取芯，取得16-3底板岩层的岩样，对其进行岩石矿物成分分析。其成分如下表：

表1 敏东一矿岩样矿物成分分析结果

表2 敏东一矿粘土矿物成分相对含量分析结果

由分析结果可知，所测底板岩样中主要矿物成分为石英，占总含量的50%以上，其次为粘土矿物，约占总含量的30%。岩样中粘土矿物成分为伊利石蒙脱石混层（I/S）、伊利石（I）、高岭石（K）、绿泥石类（C）、绿/蒙混层（C/S）。通过对比，粘土矿物成分中高龄石矿物含量最高，相对含量在67%～68%之间，则16-3底板将会有明显的遇水软化特性。岩样中的虽然没有检测出蒙皂石类粘土矿物成分，但是岩样中伊蒙混层含量普遍较高，各岩层仍具有一定的遇水膨胀特性。根据矿物成分分析结果可以看出，水对于敏东一矿底板稳定及变形影响很大，在巷道掘进和维护中，应尽量减少水对底板围岩的影响。

2.3 围岩强度测试

巷道围岩强度将会直接影响巷道变形情况，其中最常用的岩石强度指标是单轴抗压强度，为测得敏东一矿现场环境下的特征指标，利用钻孔触探仪测定岩体强度。测试结果如下：

16-3煤层顶板强度大部分集中在1～3MPa之间，平均强度2.16MPa。16-3煤层强度主要集中在6～14MPa之间，平均强度为11.11MPa。16-3煤层底板强度大部分集中在 3～5MPa之间，平均强度4.44MPa。

由此可见，敏东一矿顶板、煤层和底板强度均较低，依据岩石力学强度判定，该矿井为典型的三软煤层矿井。巷道沿底掘进时，低强度底板在开挖后新分布应力环境下极易发生破坏，造成巷道严重底鼓。

3 巷道底鼓防治方法

依据矿物成分分析和围岩强度测试结果可知，敏东一矿剧烈底鼓主要受以下两个因素影响：

1）底板围岩强度低，抗变形能力差：16-3底板平均单轴抗压强度仅为4.44MPa，由于强度较低，巷道开挖后到稳定期间已发生较大塑性破坏，底板较大的塑性破坏体积导致巷道初期底鼓剧烈。在回采期间，受支承压力影响，巷道发生二次塑性破坏，再次发生剧烈变形。

2）底板围岩易水解，遇水易膨胀：由于底板岩石中含有较高的高岭土矿物，遇水软化导致强度变低，围岩承载能力变差，造成塑性区扩大，巷道底鼓量增加；而底板岩石中伊蒙混层具有遇水膨胀的特性，在顶板淋水及地下水渗透作用下，底板底鼓量在膨胀作用下再次增加。

所以，若想减少敏东一矿底鼓量，最直接的办法是对底板进行锚注及硬化加固处理，一方面可以提高底板强度，另一方面减弱水对底板围岩的影响。但考虑到敏东一矿煤层赋存特点，煤层厚度大，平均厚度为13m，而开采高度只能控制在11m，则必然有一定的煤炭损失，且煤质为褐煤，开采经济性差，煤层强度较高，若能在巷道掘进时留设一定厚度的底煤，可利用煤层相对较高的强度特性，达到底板加固防治底鼓的效果，回采期间也可通过清理底板的方式回收底煤。

3.1 沿底掘进时底板力学特征

为研究I0116300运输顺槽巷道底板力学特性，利用FLAC 3D数值模拟软件对巷道进行分析，建立模型大小为长60m，高50m，厚度为0.4m，中间开挖直墙半圆拱形巷道，跨度为4.8m，高3.6m，对模型6个边界进行位移边界约束。模型施加应力参照地应力测试结果，竖直应力为10MPa，垂直于巷道方向的水平应力为10MPa，平行于巷道方向水平应力为5MPa，模型力学参数如下表：

表3 岩石力学参数

分别提取巷道应力云图和位移矢量图进行分析，分析结果如下：

由巷道应力分布情况可得，巷道底板应力主要为压应力，局部区域出现拉应力，且拉应力水平较低，最大值仅为364.75Pa，所以巷道底板破坏类型以剪切破坏为主，破坏主要由于底板围岩强度较低，难以抵抗巷道开挖后的新应力环境。对巷道位移分布情况分析可得，巷道底板最大变形量为231mm，由位移矢量箭头可见，底板以下3m区域仍变形剧烈，变形量约为80mm。

图2 巷道水平应力云图

图3 巷道竖直应力云图

图4 巷道位移矢量图

3.2 留设底煤防治效果分析

为分析不同底煤留设厚度时巷道变形特征，在数值模拟中控制巷道掘进位置，使底煤留设厚度分别为 0.4m、0.8m、1.2m、1.6m、2.0m，而工作面回采期间，巷道也会受到超前支承压力的影响，对于首采工作面，支承压力主要表现为竖直方向上的应力集中，所以同时改变模型中竖直方向应力集中系数，分别为 1.0、1.3、1.6、1.9，以模拟留设底煤后采动期间巷道底鼓程度，并分别统计其最大位移位移量。模拟结果如下：

由图可知，随着底煤留设厚度的增加，巷道底鼓量表现出明显的减小趋势，当底煤厚度较小时，即0～1.2m，底鼓量减小趋势较明显，1.2m～2.0m，底鼓量减小趋势变慢并趋于平缓。而应力集中系数对巷道底鼓影响也较大，应力集中系数越大，巷道最大底鼓量越大，但随着底煤厚度的增加，不同应力集中系数下巷道最大底鼓量差异越来越小，即巷道底鼓受采动影响越来越小。由此可见，巷道掘进时留设底煤对底鼓治理具有明显效果，对于敏东一矿I0116300回采巷道，留设底煤厚度应大于1.2m，对于煤层大于13m的工作面，巷道掘进时可增加底煤留设厚度，对于煤层较薄的工作面，应根据实际情况在巷道掘进时适当留设一定厚度的底煤。

图5 巷道最大底鼓量变化趋势

4 结论

1）由现场实测数据可得，I0116300运输顺槽巷道底鼓剧烈，不受采动影响时，最大底鼓量可达500mm，且变形时间较长。

2）敏东一矿底鼓主要原因为底板岩石粘土矿物成分较高，遇水易软化、易膨胀，且底板围岩强度极低，抵抗巷道变形能力差。

3）随着底煤留设厚度增加，巷道底鼓量明显减少，且底煤厚度越大，回采期间底鼓量越小。

4）确定I0116300运输顺槽底煤合理留设尺寸应大于1.2m。