巷道底鼓力學(xué)機(jī)理的探討

張旭和 張芳衛(wèi) 黃泉清 史 磊

（鄭州四維礦業(yè)機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 鄭州 454000）

1 引言

巷道由于掘進(jìn)或回采影響引起圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和圍巖性質(zhì)發(fā)生變化，使頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體發(fā)生變形并向巷道內(nèi)位移，底板巖體向巷道內(nèi)位移為底鼓。一般來說，少量的底鼓對(duì)巷道的穩(wěn)定性并不構(gòu)成危害，因?yàn)檫@種底鼓變化量對(duì)巷道的通風(fēng)、運(yùn)輸、行人等活動(dòng)影響不大。但當(dāng)巷道底鼓量超過這個(gè)范圍時(shí)，就會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響，并且隨著底鼓量的不斷發(fā)展，對(duì)整個(gè)圍巖造成的失穩(wěn)與破壞也會(huì)越發(fā)嚴(yán)重。大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，巷道圍巖的變形失穩(wěn)破壞大約有2/3～3/4是由底鼓引起的，對(duì)底鼓的維修量會(huì)占到巷道總維修量的50%[1、2]。因此，要及時(shí)進(jìn)行底鼓機(jī)理和力學(xué)特性的分析以及防治措施的制定，最終把巷道圍巖控制在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2 巷道底鼓的類型與機(jī)理

由于巷道所處的地質(zhì)條件、底板圍巖性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的差異，其底鼓的方式和機(jī)理也不相同，一般可以分為擠壓流動(dòng)性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、遇水膨脹性底鼓和剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓四種基本形式[3]。

2.1 擠壓流動(dòng)性底鼓

擠壓流動(dòng)性底鼓發(fā)生條件主要有：

（1）直接底為軟弱巖層（如粘土巖、泥巖、煤）時(shí)，兩幫和頂板的強(qiáng)度高于底板的強(qiáng)度的情況下，在兩幫巖柱的壓模效應(yīng)和地應(yīng)力作用下底板軟弱巖層擠壓流動(dòng)到巷道內(nèi)（如圖1（1）所示）。

（2）在遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力作用下會(huì)擠壓周邊破壞巖體向巷道內(nèi)流動(dòng)（如圖 1（2）所示）。

圖1 擠壓流動(dòng)性底鼓

煤礦巷道一般處于沉積巖中，層狀賦存是其基本特征，巖層的分層厚度不同，其發(fā)生底鼓的類型也不相同。

2.2 撓曲褶皺性底鼓

當(dāng)?shù)装鍨楸訝顜r層時(shí)，在平行于層理方向的壓力作用下，會(huì)向臨空方向撓曲褶皺。巖層的分層厚度越薄，巷道寬度越大，所需的臨界失穩(wěn)載荷（巖層抗平行于層理方向壓力的極限值）越小，就越容易發(fā)生撓曲底鼓（如圖2所示）。

2.3 剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓

當(dāng)巷道直接底板為厚巖層體時(shí)（厚度大于1/3巷道寬度），在較高的巖層應(yīng)力作用下底板一般為剪切破壞，由于底角處存在較高的應(yīng)力集中因而首先形成剪切破壞帶，隨著破壞的發(fā)展剪切帶貫通而形成楔形破壞。當(dāng)頂板和兩幫的巖性與底板相當(dāng)時(shí)，在頂板和兩幫也同樣會(huì)產(chǎn)生楔形破壞（如圖3所示）。

表1 剪切錯(cuò)動(dòng)與擠壓流動(dòng)性對(duì)比表

2.4 遇水膨脹性底鼓

此類型底鼓多發(fā)生在礦物成分含蒙脫石的粘土巖層，膨脹巖是與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，引起巖石含水量隨時(shí)間而增高且體積發(fā)生膨脹的一類巖石，屬于易風(fēng)化和軟化的軟弱巖石。由于巷道底板經(jīng)常積水，當(dāng)巖體中含有蒙脫石、高嶺土和伊利石等強(qiáng)親水粘土礦物時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)特殊，能將水分子吸附在晶層表面和晶層內(nèi)部，引起膨脹性底鼓，其強(qiáng)度會(huì)完全降低且產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。

工程中遇到的膨脹性巖石有兩種：一種是化學(xué)轉(zhuǎn)化膨脹巖石，另一種膨脹巖石是指含有強(qiáng)親水性粘土礦物的粘土類巖石。它與前述的各類底鼓的主要區(qū)別為底鼓是底板吸水膨脹引起的，其底鼓的機(jī)理不同，所以治理方法也有差別。

3 影響巷道底鼓的因素

3.1 由內(nèi)因?qū)е碌膰鷰r狀態(tài)

底板巖層的礦物成分（含有強(qiáng)親水粘土礦物底鼓量比非親水巖層高3～5倍）、結(jié)構(gòu)狀態(tài)（破碎程度、薄層結(jié)構(gòu)、厚層結(jié)構(gòu)）、底板巖層的軟弱程度（煤、泥巖等要比細(xì)砂巖等堅(jiān)硬巖石底鼓量高3～4倍）決定著底鼓量的大小。底板軟弱巖層的厚度對(duì)底鼓量也有重要影響[4]。

圖4所示為采用UDEC2D離散元數(shù)值模擬軟件，在給定相同的垂直壓力梯度、水平應(yīng)力值、巷道斷面、頂板及上下幫巖性和力學(xué)參數(shù)的條件下，對(duì)不同破碎程度底板的巖層底鼓量進(jìn)行的模擬。

通過模擬表明：底板巖層破碎程度對(duì)巷道底鼓量起著決定作用，底板越破碎，由其造成的巷道底鼓量也越大。所以，針對(duì)由此造成的巷道底鼓，可以采取以底板注漿、打全封閉U型鋼為主的方式進(jìn)行底鼓的治理。

（1）節(jié)理塊平均長(zhǎng) l=0.3m。（2）節(jié)理塊平均長(zhǎng) l=0.6m。（3）節(jié)理塊平均長(zhǎng)l=0.8m。

3.2 由外因?qū)е碌膰鷰r應(yīng)力狀態(tài)

只有巖層應(yīng)力滿足一定條件時(shí)才會(huì)底鼓，在構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力、礦山壓力的作用下，巖體產(chǎn)生破壞變形，隨著裂隙的擴(kuò)展和貫通，形成拉伸破壞和剪切面，進(jìn)而產(chǎn)生擴(kuò)容。因此，深部開采的巷道比淺部開采的巷道底鼓嚴(yán)重得多，受采動(dòng)影響的巷道比不受采動(dòng)影響的巷道底鼓破壞強(qiáng)烈，處于斷裂帶、風(fēng)化帶附近，或有水的巷道底鼓嚴(yán)重。

3.3 支護(hù)強(qiáng)度

人們習(xí)慣于將支護(hù)的重點(diǎn)放在頂板和兩幫，這樣會(huì)導(dǎo)致巷道兩幫的收斂量不大，但底鼓量很大，從而占了巷道圍巖變形量的絕大部分。所以，應(yīng)該加強(qiáng)底板支護(hù)，底板支護(hù)阻力對(duì)底鼓量的控制起關(guān)鍵作用。

圖5為權(quán)臺(tái)煤礦回風(fēng)巷中的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果。由圖可見，巷道底鼓量與對(duì)巷道底板支護(hù)阻力存在雙曲線關(guān)系，即隨著支護(hù)阻力的提高，底鼓量會(huì)逐漸減小，但支護(hù)阻力達(dá)到一定程度后，其對(duì)底鼓量的抑制作用將逐漸減小。

圖5 底鼓量—支護(hù)阻力線性回歸曲線

3.4 斷面形狀

為了有效利用斷面，煤礦巷道斷面通常采用梯形、半圓拱等形狀，由于底板不能形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)往往使得底鼓量加大。研究表明，在頂?shù)装鍘r性、斷面支護(hù)相同的情況下，半圓拱底鼓量比圓形巷道底鼓量大1/3。

3.5 水理作用

浸水后的底板往往會(huì)出現(xiàn)三種狀況：①?gòu)?qiáng)度降低，從而在水平和垂直應(yīng)力的作用下更容易破壞；②泥質(zhì)膠結(jié)的巖層，浸水后會(huì)泥化、崩解，強(qiáng)度會(huì)大大降低；③底板含有膨脹性巖層，浸水后會(huì)產(chǎn)生膨脹性底鼓。因此，及時(shí)設(shè)置排水溝，將施工積水及時(shí)排走，盡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

巷道底鼓的防治應(yīng)當(dāng)以預(yù)防為主，治理為輔。底鼓的防治總體上可概括為兩種方法，一是加固，二是卸壓[7-8]。加固方法常用的有可伸縮U型鋼支護(hù)，混凝土砌碹等全斷面支護(hù)法以及底板注漿、打錨桿等加固方法；卸壓方法常用的有底板切縫、兩幫切縫、松動(dòng)爆破等方法，下面介紹幾種煤礦經(jīng)常采用的方法。

4.1 聯(lián)合支護(hù)加固法

巷道底板的穩(wěn)定是由頂板—兩幫—底板的穩(wěn)定性共同構(gòu)成的，所以僅對(duì)底板進(jìn)行加固是難以對(duì)底鼓進(jìn)行有效控制的。此方法從系統(tǒng)的角度考慮不同部位對(duì)底板的影響，建立頂板—兩幫—底板一體化耦合支護(hù)方法（如圖6所示）[5]。

一控頂板：采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)。作用機(jī)理是：錨索調(diào)動(dòng)深部堅(jiān)硬巖層對(duì)淺部破碎巖層的擠壓作用，增加松動(dòng)巖體的強(qiáng)度，同時(shí)懸吊效應(yīng)又減少了松動(dòng)巖體通過兩幫傳遞到底板上的壓力，錨桿則增加了頂板巖層間的抗剪強(qiáng)度，阻止因離層而引起的水平錯(cuò)動(dòng)，將疊合梁變成加強(qiáng)的組合梁。較高強(qiáng)度的平網(wǎng)和鋼帶梁與錨桿錨索連接成整體，限制了桿體間圍巖的變形，這樣頂板巖梁的抗彎剛度和彈性模量大大提高。二控兩幫：對(duì)兩幫實(shí)施錨網(wǎng)注漿耦合加固。作用機(jī)理是：提高兩幫整體強(qiáng)度，限制變形量。三控底角：對(duì)底角施加45°剛性注漿錨桿。其對(duì)底板產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)主要有兩個(gè)方面：（1）巷道開挖卸載后，在底角易形成剪應(yīng)力集中，通過施加剛性注漿錨桿，可以提高底角的剪切強(qiáng)度，增強(qiáng)抵御底板巖層剪切滑移破壞的能力；（2）通過施加剛性注漿錨桿，能將兩幫傳遞到底板上的壓力分解為沿錨桿徑向和軸向的分力，從而削弱兩幫應(yīng)力集中傳遞到底板上的作業(yè)力，達(dá)到減小底鼓量的目的。

4.2 底板卸壓槽

此方法是沿巷道軸線方向在巷道底板開切卸壓槽（如圖7所示）。以使巷道底板邊沿處圍巖的水平應(yīng)力向巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，從而使巷道底板有可能導(dǎo)致底鼓的水平應(yīng)力得以解除，有可能發(fā)生折皺變形的范圍向卸壓槽轉(zhuǎn)移，達(dá)到防治底鼓的目的[6-7]。

底板開槽卸壓能否有效控制底鼓，卸壓槽的開切深度很重要。當(dāng)卸壓槽深度b小于其到兩幫距離a時(shí)，其抵抗底板向巷道上方鼓起的壓力會(huì)有所欠缺，防治底鼓效果不佳；當(dāng)卸壓槽深度b大于其到兩幫距離a時(shí)，此時(shí)切槽兩邊的“似懸臂梁體”抗彎強(qiáng)度較大，因此抵抗底板向巷道上方鼓起的壓力的效果較佳。

4.3 全封閉U型鋼可縮性支架

當(dāng)?shù)装鍘r層強(qiáng)度較低比較破碎時(shí)，通過打錨桿的方法來控制，效果并不理想，此時(shí)可采用全封閉U型鋼可縮性支架，往往會(huì)取得較好的效果。選用U型鋼支架時(shí)，往往需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的確定，如果選用不當(dāng)，會(huì)造成支架的損壞和失效。一般需要注意如下環(huán)節(jié)：①根據(jù)巷道底板的巖性、強(qiáng)度、尺寸確定合理的支護(hù)阻力；②根據(jù)巷道圍巖的變形和蠕變特性考慮采用雙向可縮底梁；③根據(jù)巷道底鼓的發(fā)展過程，選擇合理的封底時(shí)間。封底過早容易引起支架底梁的損壞，過遲會(huì)延緩支架承載性能[8]。

4.4 起底

起底是一種消極被動(dòng)的治理底鼓的措施，在具有強(qiáng)烈底鼓的巷道中，往往需要多次起底，不僅工程量大、費(fèi)用高，而且還影響兩幫及頂板巖層的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

（1）煤礦巷道的底鼓問題屬于巖體破壞后的力學(xué)行為，在不同的地質(zhì)賦存條件下，巷道底鼓的機(jī)理不同，一般分為4類，即擠壓流動(dòng)性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓、遇水膨脹性底鼓。

（2）巷道底鼓頂板、兩幫、底板共同影響的結(jié)果。在對(duì)底鼓進(jìn)行治理的時(shí)候，不能單一從底板入手，而應(yīng)將頂板-兩幫-底板視為一體，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到控制底鼓的目的。

（3）影響底鼓的主要因素有：圍巖狀態(tài)（內(nèi)因）、圍巖應(yīng)力狀態(tài)（外因）、支護(hù)強(qiáng)度、斷面形狀、水理作用。

[1]姜耀東，陸士良.巷道底鼓機(jī)理的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1980（6）.

[2]董武，劉建輝.張集煤礦東翼軌道大巷底鼓機(jī)理探討[J].煤炭技術(shù)，2007（10）.

[3]姜耀東.深部開采巷道中底鼓機(jī)理的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（6）.

[4]錢鳴高.石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[5]王衛(wèi)軍，侯朝炯.回采巷道底臌力學(xué)原理及控制研究新進(jìn)展[J].湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（9）.

[6]張善杰.談巷道底朦的原因及防治方法[J].中州煤炭，1996（5）.

[7]Wilson A H The stability of tunnel in soft rock at depth[J].1987（03）.

[8]陳炎光，陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.