淺談巷道底鼓的機理和防治措施

摘要:隨著煤炭開采深度在逐漸增加，巷道底鼓問題一直是礦井巷道維護的重大問題之一。本文結合工作經驗，就巷道底鼓的機理、預測方法及防治措施談談自己的認識。

關鍵詞:巷道底鼓 機理 因素 防治措施

0 引言

近些年來，隨著我國地下煤炭資源的開采，煤炭開采深度在逐漸增加，地應力也相應增大，巷道底鼓問題日趨嚴重。巷道底鼓使巷道斷面縮小，阻礙井下交通和人員行走，妨礙通風，甚至造成整個巷道報廢，嚴重影響礦山的生產和安全。大量的實測資料表明，在底板不支護的深部開采中，巷道底鼓量約占巷道頂底板移近量的70%左右，巷道維護中有50%是用于排除底鼓。長期以來防治巷道底鼓一直是礦井巷道維護的重大問題之一，研究巷道底鼓的發生機理、影響因素及其防治措施等問題，對于我國煤炭資源開采，建設高產高效礦井，提高人員安全保證性有著重大的理論意義和實際應用價值。

1 底鼓的機理與影響因素

1.1 底鼓的機理與方式 由于巷道所處的地質條件、底板圍巖性質和應力狀態的差異，底鼓的方式及其機理存在根本的不同，一般可分為四大類:

1.1.1 擠壓流動性底鼓 擠壓流動性底鼓是在兩幫的壓模效應和采動影響下，底板軟弱破碎巖層擠壓流動到巷道內。此類底鼓常發生在直接底板為軟弱破碎巖層(如泥巖、粘土巖、煤等)，而兩幫和頂板結構較完整，且強度大大高于底板。

1.1.2 撓曲褶皺性底鼓 當巷道底板巖層為層狀性巖體時，當應力狀態滿足一定的條件時，底板巖層在平行層理方向的壓力作用下向底板臨空方向發生撓曲而失穩。研究表明，底板巖層的分層越薄，巷道的寬度越大，越易發生撓曲性底鼓。

1.1.3 剪切錯動性底鼓 此類底鼓主要發生在直接底板，當巷道直接底板為完整巖層且厚度大于1/3的巷道寬度時，即使是整體性結構巖層，在高應力作用下，巷道底板也容易遭到剪切破壞。

1.1.4 遇水膨脹性底鼓 在礦井生產中，巷道底板經常積水，遇到礦物成分含蒙脫石的膨脹巖時，就會遇水膨脹而引起膨脹性底鼓。工程中遇到的膨脹性巖石通常有兩種:一種是化學轉化膨脹巖石，另一種是指含有強親水性粘土礦物的粘土類巖石。

1.2 底鼓的主要影響因素

1.2.1 底板巖性 底板巖層的結構狀態(如薄層結構、厚層結構、破碎結構等)、軟弱程度及軟弱巖層的厚度直接決定著巷道底板發生底臌的大小及形態。當底板位于堅硬的砂巖中時，一般處于穩定狀態;而當底板位于軟弱的泥巖、頁巖或斷層破碎帶中時，由于這些巖體吸水率高、強度低、裂隙發育、自身穩定性和承載能力差，在地應力作用下極易產生底臌，造成底板失穩破壞。尤其是煤層底板，通常具有高度平滑的擦痕面，即使在地壓低的條件下也能流動。

1.2.2 巷道的大小和形狀 巷道底鼓與巷道本身的大小和形狀有關，寬大的巷道比窄巷道更易發生底鼓，而巷道的寬度是由采礦作業的相關要求而選取的。在某些情況下，為有效利用空間，巷道斷面通常采用直墻拱形或梯形等形狀。由于底板不能形成穩定的拱形結構使得底臌量加大，相關測試表明，在相同條件下，直墻半圓拱巷道的底臌量比圓形巷道的底臌量大1/3。

1.2.3 巷道中水的控制 水的作用是產生底鼓的主要環境因素。水可以大大改變巖層節理以及節理與裂隙間的摩擦力，形成巖層滑移面，從而巖體結構變松散，巖體強度減弱。當巷道底板為含有蒙脫石、高嶺石、伊利石等膨脹性粘土礦物時，由于水的滲入而會發生巖層泥化、崩解、破裂現象，特別是在飽和狀態下，巖體的承載力降至最低點，甚至完全喪失，同時增強了巖體的塑性流變和膨脹流變。實驗表明，由于水的影響，使底板松軟和裂隙發育的變形速度比無水時增加6倍以上。

1.2.4 地壓 井巷圍巖中的支承壓力是造成底鼓的決定性因素。隨著開采深度的加大，地應力也相應增大，另外受采動影響造成底板應力集中，巖石松軟，當側壓大時壓力由兩幫傳遞到底板，底板無法承受較大壓力而產生變形。位于殘留礦柱下面的巷道也有底鼓的現象，這是因為存在著一個高支承壓力帶所至。一般來說，巷道埋深、巖層應力越大，底臌越嚴重;巷道圍巖所承受的垂直應力和水平地質構造應力都可能引起底鼓。

2 巷道底鼓的防治措施

2.1 底板卸壓法 巷道應力集中是產生底鼓的原因之一，因此將巷道邊緣處的高應力轉移至內部具有支承能力且未破壞的巖層中，降低度板的應力，減緩應力集中，可以有效的制止底鼓。底板卸壓有兩種情況:

2.1.1 底板添加切縫 底板切縫可以使底板的各種應力釋放，減少應力集中，使高應力向巖層深部發生轉移，從而對底板的變形有一定的控制。卸壓切縫還可以用填充材料加以充填，不但可以提高底板的支護阻力，還可以阻止因兩幫側壓力的作用而產生切縫滑動。

2.1.2 巷道卸載爆破 在巷道底板以一定間距打眼，用爆破法將巖石加以破壞，提高底板的孔隙率，避免和減輕碎脹作用，并在巷道底板形成一個裂縫集中區，來自巷道的側向壓力，向深度更大的地方發生轉移。

2.2 選擇合理的巷道斷面和位置 根據巷道的用途、圍巖的穩定程度、服務年限和載荷分布等因素合理的選擇巷道斷面形狀。采用圓形或橢圓形斷面形狀最佳，圓形或橢圓形巷道受力狀況好，便于封閉圍巖，變形量小，并能充分發揮支護材料的抗壓性能，能有效防止圍巖原始應力惡化。

2.3 利用支護預防底鼓 軟巖巷道開挖后，原始應力平衡狀態被破壞，產生大的塑性變形，如采用剛度很大的支護來承受很大的變形地壓，支架反而遭到破壞，造成很高的反修率。為了防止底鼓，必須采取不同的支護形式。具體如下:①采用柔性支護 軟巖巷道支護中，由于巖層具有一定的膨脹性，圍巖變形有一定時間，減少支護結構的受力，保持巷道穩定，多采用柔性支護。如噴錨支護、噴錨網支護、旋體壁后充填等。②及時封閉圍巖 軟巖膨脹性巖層自穩能力差，為了保證圍巖的穩定性，必須及早封閉圍巖。錨噴網聯合支護或錨噴支護是及時封閉圍巖的較好手段，錨噴支護可以最大限度地緊跟開挖工作面施工，可利用開挖面的空間效應，以限制支護前的變形，阻止圍巖進入松動狀態，因而保證了支護的及時性和有效性。③選用封閉式支護 以一定支護強度，使其形成反滲圈，選用封閉式支護是防止底鼓的措施之一。園旋支護是目前防底鼓的有效支護形式，但圓旋施工速度慢，可采用預制塊。

2.4 巷道底板的加固 ①用錨桿加固底板 底板錨桿治理底臌是一種經濟且有效的手段，一般適用于完整性較好的中硬層狀巖層。錨桿布置為斜孔，錨入兩幫下面(約與巷道兩幫成35～40°)的地層中。能否采用錨桿加固底板，應從巷道底板的巖性和強度、巖石對水的敏感性、底板中滑移層面的情況和巖層間聯結的穩固性等方面考慮。②底板注漿底板巖層注入漿液，漿液將滲入巖層破碎面，漿液凝固后可以將已破碎巖層重新粘結起來，只承受來自兩幫的平行層理的壓力，增大了巖體的內聚力和摩擦力，從而提高其抗變形能力。

2.5 治水防底鼓 綜合治水是防治巷道底臌的一項重要措施，地下水對軟巖和含有膨脹性粘土礦物巖石的侵蝕性非常大。巷道內的地下水包括裂隙水、斷層水，要及時采取有效的疏導措施，能排則排，能導則導，能疏則疏，防止跑、冒、滴漏等，盡量保證巷道內不積水。

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