1、专题部分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
2、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
3、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
4、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
5、；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
6、)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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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；
