安山煤礦淺埋煤層巷道底鼓控制技術

謝 沛

（陜西陜煤陜北礦業有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

巷道發生底鼓現象，輕者巷道起伏不平，嚴重時導致巷道整體報廢，對煤礦的安全高效生產造成巨大影響［1-3］。

擬針對安山煤礦掘進巷道底板破壞的控制技術，以提高掘進效率，降低生產成本。通過理論分析、數值模擬、現場試驗等方法尋找一條快捷、有效、低成本的底板破壞及底鼓治理技術方案。既能為礦井安全高效生產及礦區的可接續開采提供技術保障，又能夠在類似工作面推廣運用，具有廣泛的經濟效益和社會效益。

1 工程地質概況與巖性分析

1.1 工程地質概況

通過地質資料以及1165水平大巷揭露情況，四盤區輔運巷范圍內3-1煤層厚1.6～2.5 m，煤層穩定，屬中厚煤層，結構簡單，底板標高的變化較小，在1 137～1 179 m之間，平均埋深147 m。直接頂為中粒砂巖，厚度22.26 m。直接底為粉砂巖，厚度3.4 m，遇水即泥化；老底為泥質粉砂巖，厚度24.21 m。

1.2 巖性分析

通過采用煤巖樣試塊加工儀、萬能試驗機、點載荷儀測試，煤樣、巖樣的物理力學性質見表1。

表1 四盤區大巷圍巖力學參數

試驗結果表明，大巷直接底巖層為灰黑色泥巖，裂隙和裂紋發育。巖石組成成分中高嶺石含量15%、石英含量71%、伊利石含量11%、鉀長石含量3%，其它未檢測出的礦物顆粒占1%，底板巖層吸水后有明顯的軟化崩解現象［4-6］。底板巖層結構面發育，裂紋在縱橫方向上交錯切割，巖層內部裂隙、構造裂隙發育，構造裂隙具有明顯的方向性，裂隙面平直。由現場工程調研可知，巷道圍巖結構面較發育，屬一般穩定性巖層。

2 巷道底鼓類型及原因分析

2.1 底鼓類型

由地質資料可知，四盤區膠運大巷埋深147 m埋深較淺，不屬于高應力巷道，且直接底為粉砂巖，厚3.4 m，也非厚巖層，故而排除剪切錯動性底鼓；因此排除擠壓流動性底鼓與撓曲褶皺性底鼓；由巷道圍巖力學試驗可知，頂板巖樣平均抗壓強度為18.26 MPa，抗拉強度平均為1.56 MPa，彈性模量為3.28×103MPa；底板巖樣抗壓強度平均為5.49 MPa，抗拉強度平均為0.93 MPa，彈性模量為2.37×103MPa；煤樣飽水狀態下的單軸抗壓強度平均為3.65 MPa，抗拉強度平均為0.38 MPa，彈性模量為1.18×103MPa，頂板巖層強度遠大于底板巖層強度，底板巖石遇水有明顯的崩解和軟化，隨時間的推移，充分吸水后，軟化成泥狀，對巖石整體強度有顯著的影響，在水作用下的軟化效應明顯。因此，四盤區膠運大巷底鼓類型是屬于擠壓流動性底鼓與遇水膨脹性底鼓的復合型底鼓。

2.2 底鼓原因

底鼓原因主要由兩個方面決定，即自然因素和人為因素［7-9］。自然因素即巷道所處的地質條件環境、圍巖的物理力學性質等；人為因素即巷道的布置形式、斷面尺寸、施工方式及支護形式等。因此，影響巷道底鼓的因素有多種，不同巷道表現的底鼓也不盡相同。針對安山煤礦四盤區膠運大巷的底鼓，對四盤區膠運大巷底鼓的影響因素分析如下。

巷道布置：安山煤礦四盤區膠運大巷位于輔助運輸巷與回風大巷之間，保護煤柱20 m，處于中間位置的膠運大巷兩幫煤柱受疊加應力作用明顯。保護煤柱處于高應力狀態，煤柱中的高應力將傳遞至巷道底板，當底板巖層強度較低時，在疊加應力的作用下更容易發生破壞，造成巷道底鼓。

支護形式：巷道底板的支護形式也是影響巷道底鼓的重要因素之一，四盤區膠運大巷在掘進過程中并未對底板采取加固措施，也沒有及時封閉底板，導致底板浸水。

底板巖性：四盤區膠運大巷直接底為粉砂巖，老底為泥質粉砂巖，這兩張巖層均含有伊/蒙混層礦物，具有吸水膨脹的特點。

水的影響：水和底板巖體是相輔相成、相互影響的，水對底板巖體的影響主要通過水理作用影響巖體的內部結構。

2.3 底鼓力學模型

底鼓力學模型及底鼓深度的計算：巷道底板受力模型如圖1所示。選取右半側底板為研究對象，此時的底板受均布載荷q的作用，CIJ區和MCJ區的底板巖層分別位于主動塑性區和被動塑性區。主動壓應力P2將在被動塑性區MCJ內沿MJ產生切向力T和法向力N，此時MCJ區域有沿MJ滑動的趨勢，當底板巖層提供的摩擦力小于T時，被動塑性區MJC將向巷道自由空間內滑動，導致MC區域的底板破壞，形成底鼓。

可由式（1）計算得到底鼓破壞深度

圖1 巷道底板載荷簡化圖

式中：L—巷道高度，取2.5 m；h—壓力拱高度，取1.2 m；φ—巖層內摩擦角，取22°。可得底鼓深度y≈2 m。

底鼓控制措施：安山煤礦回采巷道底鼓變形主要是由于巷道底板巖性為遇水膨脹性泥巖，在巷道掘進和使用過程中均受水體作用，底板遇水膨脹，產生底鼓［10-12］。且巷道頂板和兩幫巖石強度大于底板，在應力作用下，底板軟巖以擠壓流動變形為主。而最新的錨注式聯合支護新技術由于錨桿本身其抗剪切能力較弱，并不能對本巷道擠壓流動變形起到有效地抑制作用，同時厚度較大的軟巖造成錨桿的長度較大，成本較高，維護失敗會造成難以清理的嚴重后果。

因此，為了減輕對底板的擠壓流動性變形造成的影響，在對比上述的底鼓控制技術方法后，決定采用切槽卸壓以形成“強弱強”的穩定結構，從而達到控制底鼓的目的。

3 底鼓切槽控制措施

3.1 切槽卸壓機理

巷道未切槽時的受力如圖2所示。此時的被切割層為原有巷道，作用在巷道圍巖周邊作用的應力會向圍巖深部移動，巷道表面圍巖則處于應力降低區中。

切槽后，底板的切槽增大了被切割巖層的厚度，切槽使得巷道底板形成一定尺寸的空間［13-14］，卸壓槽空間的收縮將吸收巷道鼓起的變形量。

3.2 卸壓槽參數確定

當切槽的深度大于巷道的一半時，卸壓槽的兩幫即為短懸臂梁結構。在短懸臂梁結構情況下，梁的彎曲變形主要是受到被切割巖層剪切應力而不是彎曲應力的影響，因此在卸壓槽深度超過巷道寬度時，底板抵抗下層巖層變形的能力大大增強。

圖2 巷道受力示意圖

參考針對于安山煤礦回采巷道應力分布研究，該礦運輸大巷所受應力較小，同時考慮施工可行性，因此選取小于巷道寬度一半的切槽深度并取整數為2.0 m。

卸壓槽的寬度選擇應考慮能充分吸收巷道底板的鼓起變形量，同時也不能尺寸過大而影響到巷道圍巖整體的穩定性以及巷道正常的功能需求。參考目前統計數據表明，對于中等強度的底板巖層，切槽寬度約為0.3～0.4 m，對于軟巖則應大于該值，可選取0.5 m。

3.3 數值模擬

切槽位置模擬：對底板幫部和中部實施0.5 m×0.5 m（寬×深）的切槽，分析巷道變形量。得出，當卸壓槽尺寸為0.5 m×0.5 m時，底板中部切槽相比幫角切槽，底鼓量減少70 mm，兩幫移近量減少25 mm，頂板下沉量幾乎保持不變。底板中部切槽較幫角切槽更能控制大巷的變形。因此，卸壓槽位置應布置在大巷底板的中部。圖3為巷道變形量示意圖。

切槽深度模擬：由圖4可知，隨著切槽深度的增大，底板垂直應力釋放效果越好，垂直應力向底板深部轉移。深度越大，切槽閉合的趨勢越明顯。

圖3 巷道變形量示意圖

切槽寬度模擬：當切槽深度為2 m，切槽寬度為0.5 m時，最大底鼓量為130mm；當切槽寬度為0.4 m時，底鼓量最大值為118 m，底鼓最嚴重區域同樣位于卸壓槽兩側附近處的底板位置；當切槽寬度為0.3 m時，底鼓量最大值為128 m。底鼓量變化如圖5所示。

圖4 底板垂直應力釋放效果示意圖

圖5 底鼓量變化示意圖

通過數值模擬分析可得，合理的切槽參數為0.5 m×2 m（寬×深）。

4 工程實踐

4.1 測站布置

切槽試驗巷道長度100 m，另選擇相鄰的100 m無切槽巷道作對比。每段各布置3個測點，兩測點間距30 m，測站布置如圖6所示。

圖6 測站布置示意圖

4.2 觀測結果

底鼓量：由底鼓量曲線圖（圖7）可以看出，未切槽巷道底鼓量約為415 mm，切槽段巷道底鼓量約為121 mm，較未切槽巷道，底鼓量減少70%，底鼓現象得到了有效控制。

兩幫移近量：由兩幫移近量曲線圖（圖8）可以看出，未切槽巷道兩幫移近量約為62 mm，切槽段巷道兩幫移近量約為74 mm，較未切槽巷道，兩幫移近量增大12 mm。

頂板下沉量：觀測得，3個測站頂板下沉量平均為63 mm；未切槽段巷道3個測站頂板下沉量平均為55 mm。頂板下沉量增大8 mm，表明底板切槽對頂板巖層的穩定性影響較小。

離層量：觀測得，切槽段巷道3個測站離層量平均為23.6 mm；未切槽段巷道頂板巖層3個測站離層量平均為20.1 mm；頂板離層量增大3.5 mm，因此，底板切槽對巷道頂板上覆巖層離層量的影響微乎其微，可忽略不計。

圖7 底鼓量變化曲線

圖8 兩幫移近量變化曲線

5 結論

（1）通過對四盤區膠運大巷圍巖進行物理力學參數測定得出，底板屬于軟弱類底板，并且吸水易膨脹軟化。

（2）安山煤礦軟巖巷道底鼓一方面是由于上覆巖層在重力作用下產生的載荷傳遞導致底板的破壞；另一方面是由于巷道直接底以粉砂巖為主，夾有泥巖，底板巖石吸水后，巖石黏結力減小、強度降低，使得底板載荷作用下更容易發生底鼓。

（3）通過數值模擬分析了在切槽寬度為0.5 m的條件下不同切槽深度時巷道圍巖應力與位移變化規律，模擬表明切槽深度與釋放底板應力效果呈正相關關系，但當切槽深度大于2 m時，底鼓量的減少幅度不再發生顯著變化。同時，頂板下沉量也與切槽深度呈正相關，也就是切槽深度越大頂板下沉量也越大，只有二者兼顧才能有效避免選取切槽參數的盲目性。

（4）在安山煤礦3-1煤四盤區膠運大巷中部400～500 m段進行切槽防治底鼓試驗，切槽寬0.5 m，切槽深2 m，切槽后對底板進行硬化處理。通過切槽并進行硬化段對比只進行底板硬化但未切槽段表明，切槽段巷道較未切槽巷道底鼓量降低70%，切槽后底板未發生底鼓現象，采取的切槽參數可有效防止巷道底鼓。