馬頭門底鼓機(jī)理及防治技術(shù)研究

孟 超 符利軍 曹世超

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院;2.深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.神華海外俄羅斯公司;4.中煤集團(tuán)山西金海洋能源有限公司高山煤業(yè);5.邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

巷道開挖引起的圍巖內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)及完整性發(fā)生變化，底板巖層向巷道內(nèi)位移形成底鼓。底鼓造成巷道斷面縮小，給礦井運(yùn)輸、通風(fēng)和行人帶來一定影響，嚴(yán)重時可能威脅到礦井的生產(chǎn)安全。隨著采深的增大，煤礦巷道圍巖條件及應(yīng)力環(huán)境逐漸惡化，巷道底鼓問題也隨之日益突出。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對于巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)作了諸多研究，并取得了一定的成果;但針對現(xiàn)場復(fù)雜的巷道圍巖地質(zhì)條件，現(xiàn)有研究成果及技術(shù)大多針對一般準(zhǔn)備或回采巷道的底鼓變形，從控制變形作用方面入手，對于大斷面條件下的巷道底鼓機(jī)理的研究較少。為此，本研究以麥垛山煤礦馬頭門工程地質(zhì)特征為例，研究了該條件下的巷道底鼓機(jī)理及防治技術(shù)措施，為該類問題的解決提供有益借鑒。

1 工程概況

麥垛山煤礦井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，鉆孔揭露深度平均358.25 m，巖性為中粗粒長石石英砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖及煤等組成;底部為粗粒砂巖、含礫粗砂巖與下伏三疊系上統(tǒng)上田組呈假整合接觸。

副立井馬頭門巷道斷面為直墻半圓拱形，掘進(jìn)斷面寬8.5 m，高9.5 m，屬大斷面巷道。副立井馬頭門布置于6煤頂板巖層中，巷道處于煤系地層中，軟巖特征明顯，且位于隔水層或弱含水層中，距含水層較近，掘后形成的次生裂隙多能導(dǎo)通上部含水層，引起水對圍巖支護(hù)的擾動。該類軟巖在干燥狀態(tài)下強(qiáng)度較低，顯硬脆性而不具韌性，在外力作用下易碎裂;其本身由于為泥質(zhì)膠結(jié)，遇水后軟化、崩解甚至泥化，極大降低了巷道圍巖的自身強(qiáng)度，造成支護(hù)失效，巷道嚴(yán)重變形。當(dāng)巷道底板為吸水膨脹性巖層時，常造成巷道底板強(qiáng)烈底鼓。馬頭門附近煤巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖層柱狀圖

2 圍巖力學(xué)特征分析

馬頭門巷道圍巖力學(xué)特征主要包括圍巖變形特點(diǎn)、圍巖內(nèi)應(yīng)力場、圍巖破壞狀況三方面。結(jié)合巖石物理力學(xué)性質(zhì)及支護(hù)技術(shù)措施等因素，在巷道開挖、支護(hù)初期，運(yùn)用數(shù)值模擬手段對圍巖力學(xué)特征進(jìn)行研究，并對其圍巖的壓力、變形和裂隙發(fā)育狀況進(jìn)行觀測，進(jìn)而總結(jié)巷道圍巖的力學(xué)特征。

2.1 支護(hù)方案

針對副立井馬頭門巷道大斷面及圍巖條件特點(diǎn)，在巷道開挖后分兩次對圍巖進(jìn)行支護(hù)控制，具體如下。

(1)一次支護(hù)。采用錨網(wǎng)噴支護(hù):錨桿為 ?20 mm×2 200 mm的全螺紋樹脂錨桿，間排距為700 mm×700 mm，每根錨桿用2支藥卷錨固;鋼筋網(wǎng)片規(guī)格為 ?6.5 mm圓鋼加工，網(wǎng)格為100 mm×100 mm;噴射混凝土厚度100 mm，強(qiáng)度等級為C20。

(2)二次支護(hù)。采用雙層鋼筋混凝土砌碹支護(hù)，厚度為600 mm，強(qiáng)度等級為C60;配筋方面主筋規(guī)格為?25 mm×300 mm×300mm。

2.2 巷道圍巖力學(xué)特征研究

利用FLAC3D有限元分析對副立井馬頭門巷道開挖支護(hù)初期的圍巖力學(xué)特征進(jìn)行研究。

(1)巷道圍巖應(yīng)力分布特征。根據(jù)圖2中巷道圍巖的應(yīng)力分布情況分析可知，在開挖和支護(hù)后，圍巖內(nèi)應(yīng)力場分布呈現(xiàn)如下特征:①該巷道開挖引起的應(yīng)力擾動范圍平均約為15 m，而一般巷道開挖引起的擾動范圍為6～10 m，表明大斷面巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力擾動的范圍遠(yuǎn)超于一般巷道。②在巷道兩幫及底板分別出現(xiàn)拉應(yīng)力，圖2(b)中方框范圍為拉應(yīng)力出現(xiàn)位置。兩幫及底板均為長直線形狀，而四周來壓使其向內(nèi)變形，在幫底外側(cè)易形成拉應(yīng)力;除巷道斷面形狀的影響外，拉應(yīng)力的出現(xiàn)也說明幫底兩處支護(hù)抗力不足。③巷道淺部圍巖的壓應(yīng)力變化快慢不同。圍巖內(nèi)應(yīng)力值沿圍巖由外向內(nèi)逐漸降低。因此圍巖內(nèi)部應(yīng)力分布特征與應(yīng)力梯度有關(guān)，同一應(yīng)力范圍區(qū)域越小表明應(yīng)力值變化越迅速，應(yīng)力梯度越大。

圖2 巷道圍巖應(yīng)力分布

(2)巷道圍巖破壞狀況。結(jié)合數(shù)值模擬計算，從圖3中可以看出，巷道頂板及兩幫圍巖塑性區(qū)平均厚度約為4.5 m，而底板圍巖塑性區(qū)范圍達(dá)到8.3 m。大斷面巷道底板圍巖塑性區(qū)較大主要是因?yàn)橄锏篱_挖面積大，擾動范圍廣，圍巖內(nèi)裂隙的數(shù)目相對增多，造成底板抗彎折能力降低，易于破壞;而一般巷道開挖斷面較小、跨度不大，底板強(qiáng)度相對較高，破壞程度相對較低。

(3)巷道圍巖內(nèi)部位移。結(jié)合巷道圍巖內(nèi)部應(yīng)力分布特征、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)及斷面尺寸形狀等因素，對巷道圍巖內(nèi)部位移變化情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果如圖4所示。

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)

圖4 圍巖變形矢量圖

從圖4中可以看出，巷道圍巖的最大變形量出現(xiàn)在底板位置，其值為377.2 mm;另外，兩幫變形相對較大，拱頂變形相對最小。圍巖的變形特征呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，而圍巖不均勻變形極易造成錨桿拉斷拔出、砌碹破裂、底板鼓起等一系列問題。

2.3 巷道圍巖支護(hù)中存在的問題

馬頭門巷道圍巖的以上特點(diǎn)給其支護(hù)帶來了諸多困難，主要包括以下幾個方面。

(1)巷道開挖面積大，開挖引起的擾動范圍廣，而設(shè)計所使用的錨桿、錨索長度及直徑不盡合理。

(2)錨索規(guī)格較低或數(shù)量不足，造成錨索承擔(dān)的荷載超過其設(shè)計承載能力，因而在支護(hù)過程中容易產(chǎn)生拉斷等破壞。

(3)巷道兩幫圍巖的控制僅采用錨桿支護(hù)，控制能力有所不足，兩幫圍巖未得到有效控制，變形較大。

(4)巷道底板圍巖抗彎能力減低，破壞嚴(yán)重，缺乏有效支護(hù)措施。

3 底鼓類型及底鼓機(jī)理分析

3.1 底鼓機(jī)理一般分類

影響底鼓的因素有很多，概括起來有兩個主要方面，即巷道周圍過高的應(yīng)力以及底板松軟的巖層導(dǎo)致底板巖層彎曲變形，并向巷道內(nèi)撓曲、流變等。巷道底鼓一般分為兩幫擠壓型底鼓、巖石擴(kuò)容底鼓和巖石膨脹底鼓3種類型。

(1)兩幫擠壓底鼓。K·Haramy將巷道底板看成兩端固支的巖梁，認(rèn)為底板巖層一般成層狀賦存，而巷道的底鼓量正是由這些層狀巖層的巖性及位移決定的。底板巖層受下部垂直作用力和兩端水平作用力，其中兩固定端處所受應(yīng)力最大。計算表明，在巷道兩底角處會形成強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，因此巷道兩底角處巖層最易發(fā)生破斷;在兩底角巖層破斷后，底板巖層便基本失去垂向承載能力。巷道僅在兩底角處發(fā)生破斷，而底板巖層的完整性依然保持較好;因此在巷道兩幫相對移近的過程中，將對底板巖層施加一水平作用力，當(dāng)該作用力超過某一臨界載荷時，底板巖層便會發(fā)生彎曲，進(jìn)而失穩(wěn)破斷。

(2)巖石擴(kuò)容底鼓。最大主應(yīng)力減去最小主應(yīng)力稱為差應(yīng)力，隨著差應(yīng)力的增加，差應(yīng)力－體積應(yīng)變關(guān)系由線性過渡為非線性，超過一定極限后，巖石則產(chǎn)生擴(kuò)容現(xiàn)象，且擴(kuò)容現(xiàn)象隨差應(yīng)力增加而繼續(xù)增大。

(3)巖石膨脹底鼓。由于某些巷道底板巖層中含有黏土類礦物，吸水后膨脹，從而造成巖石膨脹底鼓;其中蒙脫石礦物的含量及類型對巖石膨脹的影響最大;另外，與巖石的密度、含水量等也有關(guān)。

目前，膨脹理論主要有2種:一種是一維膨脹理論，該理論基于壓密式膨脹儀試驗(yàn)，用下式表述:

式中，εz為軸向剪脹應(yīng)變;σz為軸向應(yīng)力，MPa;ks為膨脹率;σ0為膨脹力，MPa。

另一種則是考慮了側(cè)壓對膨脹的影響的三維膨脹理論，用下式表述:

式中，Δe為膨脹應(yīng)變第一不變量的變化;I1σ為巖石應(yīng)力的第一不變量，MPa;μ為巖石泊松比。

試驗(yàn)表明，具有明顯各向異性的巖層在垂直層理方向的膨脹遠(yuǎn)比沿層理方向的膨脹劇烈。

3.2 馬頭門底鼓類型及機(jī)理分析

根據(jù)麥垛山煤礦馬頭門底板圍巖性質(zhì)及其內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)分析認(rèn)為，馬頭門底板破壞主要是由于受兩幫擠壓變形，從而導(dǎo)致底鼓。

馬頭門處于煤系地層中，巷道圍巖主要由細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成，不同層位巖體強(qiáng)度相差較大。由于底板為軟化系數(shù)較小的泥巖或泥質(zhì)粉砂巖，吸水后巖體強(qiáng)度降低。在巷道兩幫巖柱的壓模效應(yīng)和應(yīng)力的作用下，底板軟弱巖層擠壓流動到巷道內(nèi)，其力學(xué)模型及位移矢量如圖5所示。

圖5 巷道底鼓力學(xué)模型及位移失量圖

當(dāng)巷道底板為煤層時，其底板圍巖的破壞過程如圖6所示。

圖6 底板為煤層時巷道底鼓特征

麥垛山煤礦風(fēng)、副井聯(lián)絡(luò)巷所處層位為6煤頂板，巖性主要以粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖互層組成，巖石易軟化，吸水后強(qiáng)度降低，抗變形能力較差。巷道層位如圖7所示。

圖7 巷道與煤層關(guān)系

在巷道掘進(jìn)過程中，采用鉆孔成像對圍巖內(nèi)部破壞情況進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)在不同深度出現(xiàn)多處裂隙，圍巖破壞范圍達(dá)8 m，掘后10 d內(nèi)巷道底鼓量為450 mm，兩幫移近量達(dá)100 mm。

4 底鼓的防治

根據(jù)麥垛山煤礦巷道及其圍巖地質(zhì)條件，針對馬頭門底鼓破壞形式，主要提出以下防治措施。

4.1 預(yù)防措施

(1)大型巷道施工抗流變樁法。在大斷面巷道開挖施工過程中，可采用抗流變樁法控制底板巖層的破壞?？沽髯儤犊刹捎脧U舊鋼軌，并根據(jù)實(shí)際情況采用單排或多排布置;采用探水鉆機(jī)打眼，插入廢舊鋼軌后采用混凝土或砂漿灌注效果較好。

(2)底板防治水。為防止底板巖層遇水后強(qiáng)度弱化，在巷道施工過程中應(yīng)及時鋪底對底板進(jìn)行封閉。鋪底混凝土中加適量防水劑，減少水對底板浸泡，防止底板巖層遇水弱化，造成底板破壞。

4.2 治理措施

根據(jù)巷道變形破壞機(jī)理及破壞情況，提出了施工反底拱，底板打錨桿、錨索以及注漿加固底板巖層的綜合技術(shù)措施，對巷道破壞情況進(jìn)行治理。

(1)施工反底拱。巷道底板施工反底拱對于巷道底鼓的治理具有多方面作用。首先，可以使巷道支護(hù)整體上封閉，改變了底部無有效支護(hù)、變形在底部得不到抑制的狀況。另外，不設(shè)底拱時砌碹與底板巖層通過幫腳接觸，相互作用力為集中荷載的形式，應(yīng)力集中程度高、極易發(fā)生破壞;而底拱的存在使砌碹與底板巖層的相互作用力為面荷載的形式，應(yīng)力水平相對較低、更為安全。第三，通過封閉底部防止了水向巷道內(nèi)滲出，由于巷道表面的水頭逐漸升高最終能與遠(yuǎn)處的水頭齊平，所以圍巖內(nèi)的裂隙水也會停止向巷道方向滲流，從而阻止了圍巖不斷受水弱化的情況。

(2)運(yùn)用底角錨索、底板錨桿。巷道的開挖使底板巖層的厚度變小，造成底板巖層抗剪切和撓曲的能力越低，因此需對底板進(jìn)行有效的加固。底角錨索可提供較大的支護(hù)反力，并能使淺部巖層與深部巖層結(jié)合為統(tǒng)一整體;在淺部巖層發(fā)生撓曲隆起或剪斷脹裂時，會受到深部穩(wěn)定巖層的制約，進(jìn)而有效地抑制淺部巖層的變形破壞。底板錨桿可使厚度較小的巖層形成組合梁結(jié)構(gòu)，提高底板巖層的整體強(qiáng)度和抵抗變形的能力。

(3)注漿加固底板巖層。巷道底板巖層注漿能夠有效改善底板巖層的破碎狀況，提高巖層的整體強(qiáng)度，并能阻止裂隙水的破壞作用，進(jìn)而更好地抵抗巖層的變形破壞。

4.3 效果分析

根據(jù)現(xiàn)場施工過程中馬頭門巷道底板實(shí)際變形破壞狀況，對底板采取施工反底拱，打底板錨桿、底角錨索并采用注漿加固底板巖層的措施，馬頭門底板變形得到了有效的控制。

觀測發(fā)現(xiàn)，巷道底板及兩幫變形速度有了顯著降低，其中底鼓速度3～5 mm/d，兩幫移近速度2～3 mm/d。表明馬頭門巷道變形得到有效控制，巷道圍巖逐漸進(jìn)入相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1)與一般巷道相比，大斷面巷道的開挖引起的圍巖變形相對嚴(yán)重，擾動范圍廣，且底板抗彎能力差，容易發(fā)生底鼓。

(2)根據(jù)巷道斷面尺寸及其圍巖賦存情況的差異特征，分析認(rèn)為麥垛山煤礦副立井馬頭門底鼓的主要原因?yàn)榈装鍘r層遇水強(qiáng)度弱化，且受兩幫擠壓作用下發(fā)生彎曲，進(jìn)而造成底鼓。

(3)針對該條件下巷道底鼓嚴(yán)重的問題，綜合采取施工反底拱，打底板錨桿、底角錨索以及底板巖層注漿加固的措施，有效治理了巷道底鼓的問題。

［1］ 侯朝炯，郭勵生，勾攀峰，等.煤巷錨桿支護(hù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［2］ 陳光炎，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

［3］ 康紅普，陸士良.巷道底鼓機(jī)理的分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報.1991(10):362-372.

［4］ 姜耀東，陸士良.巷道底鼓機(jī)理的研究［J］.煤炭學(xué)報，1994(4):345-351.

［5］ 石建新.底板巷道合理位置確定方法的探討［J］.煤炭工程師，1994(3):17-19.

［6］ 許海濤，代俊營.膨脹型軟巖巷道底鼓機(jī)理分析［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報，2009(2):15-18.

［7］ 徐乃忠，涂 敏，徐仁海.深井大斷面沿空掘巷底臌變形控制技術(shù)研究［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007(03):17-21.

［8］ 康紅普.膨脹巖與巷道底臌［J］.阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，1994(2):44-48.

［9］ 侯朝炯，何亞男，李 曉，等.加固巷道幫、角控制底臌的研究［J］.煤炭學(xué)報，1995(3):229-234.

［10］ 常慶糧，周華強(qiáng)，瞿群迪，等.程村礦軟巖巷道底鼓控制技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007(4):26-28.

［11］ 樊克恭.巷道圍巖弱結(jié)構(gòu)損傷破壞效應(yīng)與非均稱控制機(jī)理研究［D］.泰安:山東科技大學(xué)，2003.

［12］ Haramy K.Floor heave analysis in a deep coal mine［C］∥Proc of the 27th U S Symposium on Rock Mechanics.Alabama:［s.n.］，1986:520-525.

［13］ Gysel M.A contribution to the design of a tunnel lining in swelling rock［J］.Rock Mechanics Felsmechanik Mécanique des Roches，1977，10(1-2).

［14］ Cristescu N.Rock dilatancy in uniaxial tests［J］.Rock Mechanics Felsmechanik Mecanique des Roches，1982，15(3):133-144.