西河煤礦南軌道巷底鼓機理及控制技術研究

邢飛++付茂新

摘 要：巷道底鼓是煤礦中一種常見的礦壓顯現，它嚴重影響了煤礦的安全生產，是煤礦開采中最難解決的問題之一。通過分析軟巖巷道底鼓的影響因素，研究了西河煤礦南軌道巷的底板變形機理，發現其為膨脹和擠壓撓曲型的復合式底鼓。為了能夠有效地控制底鼓量，依據底鼓機理設計出加固方案，在最近的翻修工程中采用了新提出的包含底錨索、底反拱和兩幫錨固復合支護技術的控制方法，并通過現場觀測礦壓數據證明了其可靠、合理。

關鍵詞：煤礦巷道；大斷面巷道；底鼓；數值計算

中圖分類號：TD322 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）05-0153-03

隨著煤炭開采深度的增加和巷道斷面的不斷加大，巷道的穩定性越來越難控制，尤其是在巷道所處位置巖層比較軟弱的情況下，巷道底鼓現象越來越多。底鼓導致巷道斷面形狀發生變化，巷道幫部底板支撐能力下降，進而引起巷道頂板的穩定性變差，造成巷道斷面收縮，阻礙運輸、通風，甚至巷道報廢，嚴重影響煤礦的生產和安全。底鼓一直是煤礦巷道難以解決的復雜難題之一，底鼓嚴重會導致過多的維護和返修工作，增加了巷道的維護成本，嚴重影響正常的生產。軟弱地層處高應力動壓巷道底鼓比較常見，是一個迫切需要解決的關鍵技術問題。

1 工程背景

西河煤礦的煤巖層屬于中生代侏羅紀，泥質巖層的強度是13 MPa，煤層強度是32 MPa，在這個區域內一個獨特的現象是底板泥巖強度低于煤層強度，且存在較強的構造應力、膨脹應力和工程擾動應力。南軌道巷埋深約460 m，巷道總長度為2 400 m，巷道斷面為矩形，寬4.6 m，高4 m，采用錨網噴支護。巷道發生嚴重底鼓，后期經歷了三次挑底返修，但巷道底鼓變形仍得不到有效控制，考慮到頂板和幫部穩定性較好，存在頂幫硬、底軟弱的特性，經過分析后認為，巷道頂、幫、底剛度和強度不協調是巷道底鼓的重要原因。

底板暴露后容易風化，且存在遇水膨脹、軟化的特征。根據現場觀測得知，隨著底板的風化、吸水和水平應力的擠壓作用，巷道底鼓值平均在450 mm以上。這是一種復合底鼓形式，傳統單一的控制方法重復維修難度大，嚴重影響礦井的正常、安全生產。南軌道巷底鼓圖見圖1。

2 巷道底鼓機理分析

2.1 底鼓影響因素

影響巷道底鼓的因素主要有：巷道底板地質條件、應力特征和底板巖層的流變特征。

2.1.1 地質條件

南軌道巷底板處于泥巖層中，此巖層存在遇水易膨脹、軟化的特征，且強度低，處于較高的應力水平中。

2.1.2 應力特征

由于巷道頂板和幫部巖體強度較高，在高應力的作用下，幫部巖體容易對底板巖層形成較高的支承壓力，這種壓力數值早已超過底板巖層的強度極限，加之巷道所處位置水平構造應力極高，進一步的水平擠壓使得巷道底板巖層容易發生結構破斷，形成塊體結構，深部巖層進一步破斷，上覆巖層上移，底板底鼓持續增大。

2.1.3 流變對巷道的影響

巷道底板的失穩破壞是一個漸進的破壞過程，為一個時間的函數。所以，要研究巷道的底鼓必須考慮巖體隨時間而產生的流變特性。流變是巖體在應力的作用下對時間的一種響應，底板巖層較軟，流變特性相對較為明顯，且由于存在易風化和遇水膨脹、軟化的特性，使得其對時間的敏感性增強，在短時間內極可能發生強度降低、結構變形乃至發生底板彎曲、破壞的情況。

2.2 底鼓機理

西河煤礦南軌道巷埋深在460 m水平位置，自重應力約11.5 MPa，最大水平構造應力接近28 MPa，應力集中區域數值達38 MPa。巷道處于高應力區域，巷道底板為軟弱易碎的泥巖層，當巖體結構發生破壞時，巷道就會發生嚴重的底鼓現象，且底板泥巖易吸水膨脹和軟化。隨著巷道掘成時間的推移，底板巖層的強度越來越低，所以巷道底板為低強度、吸水膨脹軟化型工程軟巖。

導致軟巖變形破壞的因素很多，在特定的工程背景下，底鼓并非為單一因素所導致的結果，從南軌道巷的現場實際情況來看，此處巷道底鼓的原因主要在于高應力區巷道底板的軟弱性+幫部的垂直壓力+水平方向的高應力擠壓+底板膨脹向上位移所導致。底板由于受幫部的支撐壓力作用，先在幫底部發生破壞，再通過水平擠壓力的作用發生結構破斷，形成更碎的塊體結構。由于上層底板破壞無法承受載荷，下層巖層隨即載荷增大，依次發生破壞和向上位移，并推動上面已破壞底板巖層進一步向上移動。綜合分析認為，南軌道巷底鼓屬于復合型變形機制。

圖1 南軌道巷底鼓圖 圖2 巷道底板巖層破壞變形機制圖

圖2為通過數值模擬幫部不同硬度條件下巷道底板中央距底板表面不同位置處鉛垂位移曲線圖。從圖2可以看出，在軟、硬幫兩種情況下，巷道底板的相對鉛垂位移特征基本相同，最大值位于巷道表面中部，在幫部軟弱的情況下，巷道底板鉛垂位移值比幫部較硬時要大得多。由此可知，幫部的軟硬程度對巷道底鼓的影響較大。

在現場實際觀測中，在幫部軟硬差別較大的情況下，兩者的底鼓量相差比數值模擬結果要大，究其原因是由于巷道的幫部強度較大時，受到支承壓力作用后所產生的塑性區和破碎區都很小，巷道的實際跨度較小，所以，硬幫巷道的底板能夠承受大的水平應力，其底鼓量要小。相應的軟幫巷道因為煤幫部的塑性區和破碎區都很大，底板實際裸露寬度增大，所以在水平應力的作用下就會產生壓曲破壞。

底板的破壞深度一般可以采用土力學中地基計算方法，由塑性理論可知，在底板上極限平衡區分為三個區，如圖3所示。

隨著支承壓力的持續增加，當超過底板主動區（Ⅰ區）極限強度時，極限平衡區寬度內的底板將在底腳處與巖體分離。主動區的巖體受到上方垂直壓力的作用而發生變形破壞，形成破碎區。同時，由于水平作用力的影響將巖體進一步擠壓到過渡區（Ⅱ區），并把應力傳遞于這一區域。過渡區繼續擠壓被動區（Ⅲ區），使得巖體在主動區支承壓力的影響下向巷道內移動，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

對于南軌道巷，控制底鼓應考慮底鼓的主要影響因素和其變形機理；對于復合型底鼓巷道，控制底鼓的主要思路就是為了提高巷道自身的承載力，使巷道在結構上達到承載協調。這就要求不僅要采取措施加強支護底板，而且還要克服底幫剛度不協調、整體性不好的特征，盡可能地克服水對底板帶來的危害。

很明顯，水是影響巷道底鼓的一個重要因素。在水的作用下，巷道開挖后底板遇水膨脹，強度降低，且底板整體性降低，形成半流動性塑性底板，因此，防水是控制底鼓的一個必備方法。

提高底板巖體強度，利用整體錨固技術是提高底板抗底鼓能力的另一條途徑，要使底板具有高強度的承載力，必須使底板和幫部盡量成為一個整體。

總之，控制西河煤礦南軌道巷的方法主要包括：通過錨固、注漿等手段提高底板的整體強度；采取防水措施防止底板遇水軟化和膨脹；打設巷道底角錨桿，增強巷道幫部和底板的整體性。

根據控制底鼓措施制訂的巷道支護斷面示意圖詳見圖4.

圖3 底板中的極限平衡區 圖4 防底鼓巷道支護斷面圖

3.2 控制效果

為了能夠驗證底鼓的控制效果，在南軌道巷安裝三個測站監測底板底鼓量，分析測站底鼓數值和它的變化特征。

圖5—圖7為三個測站底鼓量隨時間變化曲線圖。從圖中可知，底板兩側底鼓量小于中央，隨著時間變化底鼓速度先增大，然后基本保持不變，底鼓穩定時間大約為20 d，底鼓量最大值在6～10 mm，由此可知，此方法對控制此類巷道底鼓成效顯著。

圖6 測站二底鼓量 圖7 測站三底鼓量

隨時間變化曲線 隨時間變化曲線

圖8是在采用底板反拱加固段和未加固段底板完整性窺視圖。從圖中可以看出，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較差，底板破碎深度達1.3 m以上。

通過現場底鼓觀測和底板完整性窺視可知，采用底角錨桿和反拱加固可以明顯抑制底板巖層的破壞程度，保護底板以維持底板的承載能力，可以有效控制巷道底鼓的發生。

圖8 底板完整性窺視圖

4 結論

西河煤礦南軌道巷處于高構造應力區，高水平構造應力、低強度底板巖層和遇水軟化膨脹是巷道底鼓的主要影響因素。

防止巷道底鼓應當維持底板的承載能力、轉移底板載荷，采用底板加固，使底板和幫部、頂板成整體承載體，以維護巷道底板的穩定性。

控制西河煤礦南軌道巷底鼓的措施主要為整體錨固、打設底板反拱、底板鋪設防水材料。經過現場試驗證明，控制效果合理、可行。

參考文獻

[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]錢銘高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[4]楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結構支護原理[M].北京：煤炭工業出版社，2004.

[5]牛少卿.長壁開采三順槽圍巖控制理論技術研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[6]楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學報，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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作者簡介：邢飛（1983—），男，山西長治人，2013年畢業于東北大學，副總工程師，主要從事采礦工程方面的管理與技術工作。

〔編輯：白潔〕

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

對于南軌道巷，控制底鼓應考慮底鼓的主要影響因素和其變形機理；對于復合型底鼓巷道，控制底鼓的主要思路就是為了提高巷道自身的承載力，使巷道在結構上達到承載協調。這就要求不僅要采取措施加強支護底板，而且還要克服底幫剛度不協調、整體性不好的特征，盡可能地克服水對底板帶來的危害。

很明顯，水是影響巷道底鼓的一個重要因素。在水的作用下，巷道開挖后底板遇水膨脹，強度降低，且底板整體性降低，形成半流動性塑性底板，因此，防水是控制底鼓的一個必備方法。

提高底板巖體強度，利用整體錨固技術是提高底板抗底鼓能力的另一條途徑，要使底板具有高強度的承載力，必須使底板和幫部盡量成為一個整體。

總之，控制西河煤礦南軌道巷的方法主要包括：通過錨固、注漿等手段提高底板的整體強度；采取防水措施防止底板遇水軟化和膨脹；打設巷道底角錨桿，增強巷道幫部和底板的整體性。

根據控制底鼓措施制訂的巷道支護斷面示意圖詳見圖4.

圖3 底板中的極限平衡區 圖4 防底鼓巷道支護斷面圖

3.2 控制效果

為了能夠驗證底鼓的控制效果，在南軌道巷安裝三個測站監測底板底鼓量，分析測站底鼓數值和它的變化特征。

圖5—圖7為三個測站底鼓量隨時間變化曲線圖。從圖中可知，底板兩側底鼓量小于中央，隨著時間變化底鼓速度先增大，然后基本保持不變，底鼓穩定時間大約為20 d，底鼓量最大值在6～10 mm，由此可知，此方法對控制此類巷道底鼓成效顯著。

圖6 測站二底鼓量 圖7 測站三底鼓量

隨時間變化曲線 隨時間變化曲線

圖8是在采用底板反拱加固段和未加固段底板完整性窺視圖。從圖中可以看出，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較差，底板破碎深度達1.3 m以上。

通過現場底鼓觀測和底板完整性窺視可知，采用底角錨桿和反拱加固可以明顯抑制底板巖層的破壞程度，保護底板以維持底板的承載能力，可以有效控制巷道底鼓的發生。

圖8 底板完整性窺視圖

4 結論

西河煤礦南軌道巷處于高構造應力區，高水平構造應力、低強度底板巖層和遇水軟化膨脹是巷道底鼓的主要影響因素。

防止巷道底鼓應當維持底板的承載能力、轉移底板載荷，采用底板加固，使底板和幫部、頂板成整體承載體，以維護巷道底板的穩定性。

控制西河煤礦南軌道巷底鼓的措施主要為整體錨固、打設底板反拱、底板鋪設防水材料。經過現場試驗證明，控制效果合理、可行。

參考文獻

[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]錢銘高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[4]楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結構支護原理[M].北京：煤炭工業出版社，2004.

[5]牛少卿.長壁開采三順槽圍巖控制理論技術研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[6]楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學報，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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作者簡介：邢飛（1983—），男，山西長治人，2013年畢業于東北大學，副總工程師，主要從事采礦工程方面的管理與技術工作。

〔編輯：白潔〕

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

對于南軌道巷，控制底鼓應考慮底鼓的主要影響因素和其變形機理；對于復合型底鼓巷道，控制底鼓的主要思路就是為了提高巷道自身的承載力，使巷道在結構上達到承載協調。這就要求不僅要采取措施加強支護底板，而且還要克服底幫剛度不協調、整體性不好的特征，盡可能地克服水對底板帶來的危害。

很明顯，水是影響巷道底鼓的一個重要因素。在水的作用下，巷道開挖后底板遇水膨脹，強度降低，且底板整體性降低，形成半流動性塑性底板，因此，防水是控制底鼓的一個必備方法。

提高底板巖體強度，利用整體錨固技術是提高底板抗底鼓能力的另一條途徑，要使底板具有高強度的承載力，必須使底板和幫部盡量成為一個整體。

總之，控制西河煤礦南軌道巷的方法主要包括：通過錨固、注漿等手段提高底板的整體強度；采取防水措施防止底板遇水軟化和膨脹；打設巷道底角錨桿，增強巷道幫部和底板的整體性。

根據控制底鼓措施制訂的巷道支護斷面示意圖詳見圖4.

圖3 底板中的極限平衡區 圖4 防底鼓巷道支護斷面圖

3.2 控制效果

為了能夠驗證底鼓的控制效果，在南軌道巷安裝三個測站監測底板底鼓量，分析測站底鼓數值和它的變化特征。

圖5—圖7為三個測站底鼓量隨時間變化曲線圖。從圖中可知，底板兩側底鼓量小于中央，隨著時間變化底鼓速度先增大，然后基本保持不變，底鼓穩定時間大約為20 d，底鼓量最大值在6～10 mm，由此可知，此方法對控制此類巷道底鼓成效顯著。

圖6 測站二底鼓量 圖7 測站三底鼓量

隨時間變化曲線 隨時間變化曲線

圖8是在采用底板反拱加固段和未加固段底板完整性窺視圖。從圖中可以看出，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較差，底板破碎深度達1.3 m以上。

通過現場底鼓觀測和底板完整性窺視可知，采用底角錨桿和反拱加固可以明顯抑制底板巖層的破壞程度，保護底板以維持底板的承載能力，可以有效控制巷道底鼓的發生。

圖8 底板完整性窺視圖

4 結論

西河煤礦南軌道巷處于高構造應力區，高水平構造應力、低強度底板巖層和遇水軟化膨脹是巷道底鼓的主要影響因素。

防止巷道底鼓應當維持底板的承載能力、轉移底板載荷，采用底板加固，使底板和幫部、頂板成整體承載體，以維護巷道底板的穩定性。

控制西河煤礦南軌道巷底鼓的措施主要為整體錨固、打設底板反拱、底板鋪設防水材料。經過現場試驗證明，控制效果合理、可行。

參考文獻

[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]錢銘高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[4]楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結構支護原理[M].北京：煤炭工業出版社，2004.

[5]牛少卿.長壁開采三順槽圍巖控制理論技術研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[6]楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學報，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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作者簡介：邢飛（1983—），男，山西長治人，2013年畢業于東北大學，副總工程師，主要從事采礦工程方面的管理與技術工作。

〔編輯：白潔〕

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