浅析巷道底鼓治理原理与技术设计专题报告

浅析巷道底鼓治理原理与技术摘要：底鼓是巷道破坏的常见现象之一，一直是煤矿开采等地下工程中难以解决的问题，巷道底鼓后，断面缩小，影响运输、通风和人员行走，不利于矿井安全生产，给煤矿的安全生产带来严重威胁。随着采深的增加和巷道断面的增大，巷道底鼓现象越来越突出，底鼓已成为该类巷道矿压显现的重要特征，是急待解决的技术难题。本文综合国内外关于巷道底鼓机理的探讨资料，分析了巷道底鼓的主要因素，提出了相应防治巷道发生底鼓的措施，有利于在煤矿生产中更好的控制巷道底鼓，减少巷道破坏变形，保证安全生产。关键词：巷道底鼓；治理原理；治理技术0 引言在煤矿生产中，几乎所有回采巷道都会出现不同程度的底鼓，尤其随着近些年来煤炭开采逐渐走向深部，进而地应力相应增大，巷道底鼓问题日趋突出严重，从而暴露出很多影响煤矿安全生产的问题。底鼓是煤矿井巷中常发生的一种动力现象，它与围岩的性质、矿山压力、开采深度及地质构造等直接相关。在巷道顶、底板移近量中，人们已经能够将顶板下沉和两帮移近控制在某种程度内，所以大约有23是由于底鼓引起的。底鼓使巷道变形、断面变小，影响通风、运输，制约矿井安全生产；强烈底鼓带来大量维修或翻修工作，大大增加了巷道支护费用；而且大面积底鼓造成巷道附近应力重新分布，带来更多的地压问题。因此，研究巷道底鼓的机理、预测方法及防治措施等问题，对于我国深部资源开采，建设高产高效矿井，提高人员安全保证有着重大的理论意义和实际应用价值。1 对巷道底鼓机理的认识为控制软岩巷道底鼓，国内外近年来对软岩的物理、水理力学性质、产生巷道变形与底鼓的力学机制及控制底鼓的技术措施开展了大量的研究工作，取得了一大批理论和技术应用成果。关于巷道底鼓，国内外许多专家提出了不同的看法：前苏联的MJI兹包尔什奇克等认为：巷道底板岩层突然鼓起是由于底板中塑性层对下部移动的阻力，以及底板岩层暴露的面积与周长的比例急剧变化时岩层储存的弹性能释放的结果造成；德国的M奥顿哥特运用相似材料模拟实验研究了巷道底鼓的全过程，他认为巷道岩层的破坏顺序为：首先是两帮岩层由于垂直应力作用被压裂，之后是巷道顶板由于水平压力的作用向巷道问鼓出，其中较先破坏的是直接底板岩层；我国康红普经过分析计算得出结论，底鼓是由于失稳的底板岩层向巷道内压曲，偏应力作用下的扩容，岩层自身的遇水膨胀；而贺永年、何正昌通过实测和研究认为，巷道底鼓由两帮岩柱传递顶板压力开始，两帮围岩在挤压底板的同时一起下沉，底板在严重挤压变形的情况下发生断裂，然后底板隆起。综上所述，底鼓通常由下述的1个或多个因素引起：1)巷道掘进后，由于底板围岩应力的变化，使巷道底板岩层卸载产生弹塑性变形向巷道内鼓起；2)巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板，使底板受水平应力作用向巷道内鼓起；3)底板岩层的流变性导致底鼓量随时间延长而增加；4)巷道底板出现拉应变；5)两帮下沉而导致底鼓；6)水对底板的作用。2 巷道底鼓成因引起巷道底鼓的主要原因有：构造应力、水的影响、弹性变形。构造应力的基本特点是以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性。水平应力是影响巷道底板鼓起、两帮内挤的主要因素。在软岩和厚煤层中，底板岩层在水平应力作用下与形成褶曲构造相类似，向巷道空间鼓起。如果底板岩层呈粘一塑性变形， 底板岩层则进入蠕变状态，此时高水平应力是造成底板岩层破坏和强烈底鼓的主要原因。水对岩石强度的影响：1)由于水的作用减少了岩石层理、节理和裂隙间的摩擦力，使岩石的整体连接强度降低，使岩体沿岩层的节理面、层理面和裂隙面形成滑移面，并将原来层间连接紧密的岩体分为很多薄层，甚至完全丧失强度；2)岩石中的某些矿物成分遇水产生膨胀。在水的作用下，岩石整体连结强度降低，使岩层的节理、层理和裂隙形成滑移面，使岩石丧失强度。弹性变形对巷道底鼓的形成：1)围岩弹性变形，当围岩中的应力低于围岩的强度时，围岩只产生弹性变形而不产生破坏。在巷道底鼓不进行支护，底板有积水和来往车辆的震动等因素的影响下，底板岩层的破碎范围继续加大，而巷道两帮岩柱在上部岩石压力作用下，促使底板岩石产生滑动，挤向巷道空间。2)岩石被破坏变形，由于巷道周边的应力大于围岩的强度，因此在巷道掘进后随着时间延长，在巷道周边形成一个破坏区使岩石膨胀，尤其是在岩石强度低的情况下，这种变形更为明显。3 巷道底鼓主要形式底鼓的基本形式根据国内外有关底鼓资料的综合分析，巷道底鼓大致可以分为三类：1)遇水膨胀性底鼓由于岩质变态膨胀产生的底鼓。多发生在矿物成分含蒙脱石的粘土岩层，膨胀岩是与水发生物理化学反应，引起岩石含水量随时间而增高且体积发生膨胀的一类岩石，属于易风化和软化的软弱岩石。工程中遇到的膨胀性岩石有两种：一种是化学转化膨胀岩石，另一种膨胀岩石是指含有强亲水性粘土矿物的粘土类岩石。它与前述的各类底鼓的主要区别为底鼓是由底板吸水膨胀引起的，底鼓的机理不同，治理方法也应有所不同。2)挤压流动性底鼓岩壁或刚性衬砌在上部压力下插入底板或挤压底板造成跨中隆起的底鼓。通常发生在直接底板为软弱岩层(如粘土岩、煤等)，两帮和顶板比较完整的情况下。在两帮岩柱的压模效应和应力的作用下，整个巷道都位于松软破碎的底板岩层向巷道内挤压流动。3)饶曲褶皱性底鼓底板岩层由于断面上大压力作用而产生带方向性的强烈褶曲隆起所造成的底鼓，它与顶部张性破坏区处于同一轴线上。通常发生在巷道底板为层状岩石，其底鼓机理是底板岩层在平行层理方向的压力作用下，向底板临空方向饶曲而失稳，底板岩层的分层越薄，巷道宽度越大，所需的挤压力越小，越易发生饶曲性底鼓。4)剪切错动性底鼓。主要发生在直接底板。即使是整体性结构岩层，但在高应力作用下，巷道底板也易遭到剪切破坏，或者在巷道底角产生很高的剪切应力而引起楔形破坏。4 底鼓破坏形式1)断裂式底鼓。断裂式底鼓一般发生在底板岩层分层厚度较小的砂页岩底板或存在弱面、薄煤层的底板中。巷道开掘后受两侧岩柱传递的水平压力的作用，使巷道两边内移，底板岩层从表面向深部发生离层，并在巷道的中部鼓起并断裂，底板的压力卸载，应力集中区逐步向深部转移，破坏区逐渐增大，直到围岩应力平衡后才停止，如图1所示。图1 断裂式底鼓2) 软岩体向巷道空间整体流动。当巷道底板是松软的黏土层或其它强度较低的岩石(特别是巷道底板岩层有积水使底板软化)或处在矿井深部的巷道，其底板岩层呈典型的蠕变状态，在围岩压力作用下这些软化了的岩石便向巷道空间产生整体流动，巷道的两帮也随底鼓产生内移。由于岩体流动而产生的底鼓在巷道中往往看不到岩层折断的现象，只看到较平缓的鼓起，两帮的内移量也较大。这种底鼓的延续时间很长，当巷道底鼓无支护时， 底鼓量很大，并不因卸载而稳定。因此，具有这种底鼓的巷道用卧底的方式往往不能达到满意效果，如图2所示。上述两种底鼓形式有可能混合出现，巷道刚开掘时底板岩层出现离层向巷道空间折断，并没有整体移动，随着水从裂隙中向围岩深部渗入，岩石的强度降低，底鼓由折断形式转化为向巷道空间整体流动形式。应指出的是影响巷道底鼓的因素除水、围岩特性和应力外，矿车行走时的震动有时也是不可忽视的影响因素。这是因为震动使岩层的连接强度降低、松脱，产生裂隙给水的侵入形成通道，从而削弱了岩体的整体强度。图2 整体流动式底鼓5 底鼓主要影响因素 1)高压巷道围岩中存在高压是巷道底鼓的重要因素。随着开采深度的加大，地应力相应增大，加之由于受采动影响造成底板应力集中，巷道底板岩石松软，侧压大时压力由两帮传递到底板，由于底板松软无法承受较大压力而产生变形，严重影响煤矿的正常生产。2)底板岩性底板岩层的结构状态，软弱程度及软弱岩层的厚度直接决定着巷道底板发生底鼓的大小及形态。当底板位于坚硬的砂岩或灰岩中时，一般处于稳定状态，通常不会发生底鼓；而当底板位于软弱的泥岩，页岩或断层破碎带中时，由于岩体强度低，吸水率高，裂隙发育，其自身稳定性和承载能力较差，在地应力作用下极易产生底鼓，造成底板失稳破坏，底板软岩受挤压产生流动变形示意图如图3所示。图3 底板软岩受挤压产生流动变形示意图3)构造应力构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。实测资料表明，原岩应力场内钳制应力基本上等于上覆岩层重量，而由于构造应力的存在，水平应力普遍超过金尼克假设由式(1)计算的数值，水平构造应力一般为铅直应力的055.5倍，在地质条件复杂地区可以达到更高。 （1）式中：泊松比； 体积比；煤层埋藏深度。在软岩和厚煤层中，底板岩层在水平应力作用下，与形成褶曲构造相类似，向巷道空问鼓起。如果底板岩层呈粘一塑性变形，底板岩层进入蠕变状态，如图4所示。因此高水平应力是造成底板岩层破坏强烈的主要原因。图4 底板岩层蠕变4)水理作用很多巷道底鼓是因为底板岩层受水的影响膨胀而引起的底板鼓出。底板含水会减小岩层节理以及节理与裂隙间的摩擦力，形成岩层滑移面，致使致密岩层分成薄层，岩体结构变松散，岩体强度减弱，在地层应力作用下，底板易发生底鼓。可由式(2)计算水对膨胀岩的作用。 （2）式中： 自由膨胀率； 巷道宽度； 完全阻止膨胀性底鼓所需要的支护阻力； 实际支护阻力； 系数。岩体一般都具有一定的吸水率，长期接触水后会加速岩石的软化，降低岩层强度。巷道底板为含有蒙脱石、高岭石、伊利石等膨胀性黏土矿物时，由于浸水而会发生岩层泥化，崩解，破裂现象，降低岩体强度，最终导致底板岩层的膨胀性破坏。5)岩体强度降低随着矿井开采深度的加大，岩体强度明显降低。由于采深增加，巷道周边的集中应力超过了围岩的自身强度，致使围岩移近率相对增加，巷道周边塑性区范围扩大。在塑性区范围内，岩石内聚力与内摩擦角迅速下降，致使岩体状态恶化。围岩强度降低，围岩孔隙率增大，加上地质构造发育的影响，导致巷道变形呈软岩特性。在围岩应力作用下表现出显著的塑性和流变性。巷道底板岩体软弱、强度低、承载力不足是造成底鼓的直接原因。6)低温影响地温增高是矿井开采深度增加时出现的突出问题之一。从一般地热增温看，每增加100 m深度，温度增高35，在采深大的情况下，地温达3050。在这样的环境中，可出现两种不利情况：高温会促使岩石从脆性向塑性转化，使围岩产生塑性变形；巷道内水气增多，使围岩软化。在深部高应力条件下，若只加强顶、帮的支护，就易于产生底鼓。6 巷道底鼓治理原理与技术巷道底鼓的治理措施是在巷道产生显著底鼓之前，采取一些措施阻止底鼓的发生和延缓底鼓发生的时间；或在巷道产生底鼓显著之后，采取一些措施减小和控制底鼓。为了保持底板岩层和整个巷道围岩的稳定性，应以预防为主，治理为辅。巷道底鼓的治理措施可分为两方面：1)将巷道已底鼓的部分清除即起底。它是现场应用很广泛的一种治理底鼓的方法，是一种消极治理底鼓的措施。在具有强烈底鼓趋势的巷道中，往往需要多次起底， 但并不能完全制止底鼓，不仅起底工程量大、费用高，而且还影响两帮及顶板岩层的稳定性和矿井的正常生产；2)采取措施消除底鼓。目前防治底鼓的措施主要从降低巷道围岩应力，加固或保持围岩的强度这两方面考虑。1)合理的巷道布置巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。因此，在构造应力影响较强烈的区域，要重视巷道布置方向，依靠正确调整巷道方向与构造应力方向间的关系， 削减构造应力对巷道围岩稳定性的影响。从巷道围岩控制的角度出发，布置巷道时应重视下列问题：在时间和空间上尽量避开采掘活动的影响，最好将巷道布置在煤层开采后所形成的应力降低区域内；如果不能避开采动支承压力的影响，应尽量避免支承压力叠加的强烈作用，或尽量缩短支承压力影响时间；在采矿系统允许的距离范围内，选择稳定的岩层或煤层布置巷道，尽量避免水与松软膨胀岩层直接接触；巷道通过地质构造带时，巷道轴向应尽量垂直断层构造带或向、背斜构造；相邻巷道或硐室之间选择合理的岩柱宽度；巷道的轴线方向尽可能与构造应力方向平行，避免与构造应力方向垂直。2)底板锚杆要求底板岩层具有较好的完整性，如果底板岩层破碎，锚杆将失去锚固作用，因此在使用底板锚杆前首先要对巷道进行评价。同时巷道底板岩石对水的敏感程度也很重要，这包括了顶板淋水和施工用水，当底板岩层遇水泥化，则要考虑用干式打眼或悬浮剂冲洗钻孔的方法。巷道底板锚杆的形式，应根据巷道服务年限、用途和生产条件选定。底板锚杆的长度应能穿过全部底鼓的岩层，锚杆的尾端应在底板以下0.60.8 m，这样做的好处是必要时还可以卧底。为了充分发挥锚杆对底鼓的作用，同时考虑到现场钻孔的方便，底板锚杆应按图5布置。当底板为砂页岩时，锚杆密度不应小于1根/m；当岩层破碎时，应适当加大锚杆的密度， 排距一般为0.81.2 m;当底板岩层间连结强度较低时，锚杆的排距应在1 m以下。图5 底板锚杆布置3)底板注浆底板注浆一般用于加固已破碎的岩石，提高岩层抗底鼓的能力。当底板岩石承受的压力超过岩体本身的强度而产生裂隙和裂缝时，应采用注浆的办法使底板岩层的强度提高，达到防治底板底鼓的目的。由于所选择注浆的形式、材料、压力和时间长短不同，岩层中的裂隙可能全部或部分被粘合，当注浆压力高于围岩强度时，会产生新的裂隙并有浆液渗入。注浆的作用可分为3种情况：注浆只起到部分效果，即注浆后重新结合的强度只比岩石产生离层、裂隙后的残余强度稍高。产生这种情况的主要原因是注浆压力太低、注浆液浓度太大或注浆钻孔的布置不合理。底板注浆后对减少底鼓有一定的效果，但不显著；注浆后破碎的岩石全部被加固，在岩层中极为微小的裂隙也被粘和起来。注浆后岩层的结合强度与原始强度相等。在这种情况下，底板注浆起到了显著的效果，巷道底鼓量明显减少；注进的浆液包围破碎的岩块并将其粘和成一体，岩层的整体强度得到提高，注浆后岩层的结合强度高于原始强度是底板注浆最理想的情况。注浆后岩层达到的结合强度主要取决于选择的注浆材料：采用聚氨酯材料，岩层间的结合强度较高，加固的效果较好，但底板潮湿时粘和强度较低，成本也较高；注水泥浆虽然成本低，但结合强度较低，所以在选择材料时要根据实际情况合理选择。还应指出，软岩进行底板注浆不能保证取得成效。如果将注浆和锚固结合使用，就可以使原来只适用两者的范围得到扩展,其工艺系统如图6所示。4)巷道底板开卸压槽(孔)巷道周边围岩开槽卸压的力学原理，是使原来作用于周边围岩的高应力向卸压区以外的岩体深部转移。深部岩体处于三向应力状态，具有较高的强度，在应力增高区内岩体形成自承载结构，承受掘巷引起的应力集中。同时在它的支承和保护下，又使卸压区内的岩体得以保持稳定。另一方面结构和完整性并未遭到完图6 锚注技术治理底鼓示意图全破坏的卸压区内的围岩，仍然存在一定的残余强度，并向岩体支承结构提供侧向约束力，增加岩体支承结构的强度和稳定性，从而使围岩的整体稳定性得到显著提高。在实际工程中，由于目前尚无合适的开槽机具，常用成排的大直径钻孔来代替。钻孔卸压的机理和开槽卸压基本相同，钻孔卸压的效果主要取决于孔径、孔距、孔深等参数。一般情况下钻考直径15O350 mm、间距为钻孔直径的151.7倍、孔深610m。在巷道底板开槽，不仅使支承压力峰值向深部转移，降低应力集中；卸压槽还为巷道围岩变形提供了补偿空间，从而使巷道围岩变形量减小。通常采用垂直切槽防治底鼓，卸压效果主要取决于卸压槽宽(b)、深(h)。对于中硬岩层槽宽为200300 mm；而软岩层则为200300 mm。巷道底板切槽如图7所示。当切槽深(b)小于巷帮到切缝的间距(a)，即a/b1时，开槽后的底板视作从卸压槽下方受到横向载荷P作用的岩石悬梁，承受弯曲应力，岩石抗弯强度小，底板上翘，甚至下面岩层向上断裂。岩层受剪力作用，当a/b1时；(b) a/b1时。图8 药壶爆破法l炮眼；2爆破后围岩松动区域；3爆破后支承压力分布；4爆破前支承压力分布；a爆破前支承压力峰值距巷道中线距离；b爆破后支承压力峰值距巷道中线距离单纯依靠松动爆破卸压，一般效果并不理想，如将松动爆破卸压与松动圈的围岩加固结合起来，则可以取得很好的效果。加固的方法可采用水泥和化学注浆等。松动爆破卸压-加固的方法已在我国煤矿中得到广泛应用。松动爆破与打封混凝土反拱联合控制巷道底鼓也取得了很好的效果。6)封闭式巷道支架采用全封闭式巷道支架被证明是一种防治底鼓的有效措施，与其它措施相比，具有简单易行、适用范围广及效果显著等优点。封闭式支架的特点具有底拱，支架抵抗巷道两帮内移的能力大大加强，减少了巷道底板所承受的水平力，控制了巷道底板岩层的离层和断裂。支架底拱对底板的支撑力改变了巷道底板岩层的受力状态，使底板岩层由两向受力变为三向受力，从而大大提高了围岩的强度，增加了巷道围岩的稳定性，有利于围岩承载圈的形成。由于底拱的设置对于防止水侵入巷道底板、避免车辆震动及防止底板产生裂隙都有一定的效果。全封闭式巷道支架是一种传统防治底鼓的有效措施，具有简单易行、适用范围广、效果显著的优点，其结构如图9所示。图9 锚杆、锚索及反拱布置图6)水的控制前面说过，岩石遇到水后使其强度软化，因此在巷道掘进过程中要做好排水工作，及时将巷道内的水排出去，这样就可以从某种意义上控制底鼓的发生。7 结语1)分析发生底鼓的原因是防治底鼓的关键问题。每种底鼓机理与控制技术都是基于一定条件提出的，因而都有其适应范围，不能用来解决一切底鼓。如“压模效应” 理论假设巷道底板为软弱岩体，两帮为坚硬岩体，它不能解决整个巷道围岩均为软弱岩体时发生的底鼓；另一方面，对某一特定的软岩巷道来说，其围岩性质及所处的条件总会与底鼓机理的“理论模型”存在一些差别，其底鼓的发展过程往往有着特殊性，因而只有进行具体的分析，才能深入揭示底鼓的机理。2)选择经济有效的底鼓防治技术。在选择底鼓控制措施时，通常考虑2个因素：底鼓控制效果和技术经济可行性。如果成本高，即使有着良好的底鼓控制效果也不可能在矿山广泛推广应用，如浇筑混凝土反拱。当巷道底板岩层内虽含有软弱岩层，但其下部有稳定岩层存在，而且底板锚杆可深入其中时，底板锚杆的使用效果较好；而当底板岩层节理裂隙非常发育、含有大量黏土矿物时，底板锚杆的收效甚微。因此，对1条特定的巷道来说，其底鼓控制技术必须进行具体的分析、合理选择。3)重视围岩的量测监控。由于巷道所处条件的复杂性，对底鼓机理的分析不可能通过理论分析和数值模拟等手段完全解决，而要通过对巷道围岩移动情况的监测，加深与验证巷道底鼓机理的分析。此外，巷道底鼓控制措施的有效性不仅与对底鼓机理认识的正确性有关，而且与施工工艺的合理性有关，因此在采用底鼓控制技术后，一定要配合进行量测监控，以便及时调整支护参数。如用收敛计测量巷道的收敛变形；用水准仪测顶底板的下沉量和底鼓量；用多点式位移计量测岩层内不同深度的位移，以便计算位移速度等。通过这些量测数据，有助于评价围岩的稳定程度，有利于验证各设计参数是否合理，为修改设计或确定二次支护时间提供依据。4)善于总结与完善。防治底鼓的方法各有特点与适用条件，应根据巷道的地质条件、施工工艺、底鼓的类型以及有关因素因地制宜地合理选择，在实