馬頭門底鼓機理及防治技術研究

孟 超 符利軍 曹世超

(1.中國礦業大學礦業工程學院;2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室;3.神華海外俄羅斯公司;4.中煤集團山西金海洋能源有限公司高山煤業;5.邢臺職業技術學院)

巷道開挖引起的圍巖內部應力狀態及完整性發生變化，底板巖層向巷道內位移形成底鼓。底鼓造成巷道斷面縮小，給礦井運輸、通風和行人帶來一定影響，嚴重時可能威脅到礦井的生產安全。隨著采深的增大，煤礦巷道圍巖條件及應力環境逐漸惡化，巷道底鼓問題也隨之日益突出。長期以來，國內外學者對于巷道底鼓機理及控制技術作了諸多研究，并取得了一定的成果;但針對現場復雜的巷道圍巖地質條件，現有研究成果及技術大多針對一般準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理的研究較少。為此，本研究以麥垛山煤礦馬頭門工程地質特征為例，研究了該條件下的巷道底鼓機理及防治技術措施，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通上部含水層，引起水對圍巖支護的擾動。該類軟巖在干燥狀態下強度較低，顯硬脆性而不具韌性，在外力作用下易碎裂;其本身由于為泥質膠結，遇水后軟化、崩解甚至泥化，極大降低了巷道圍巖的自身強度，造成支護失效，巷道嚴重變形。當巷道底板為吸水膨脹性巖層時，常造成巷道底板強烈底鼓。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 圍巖力學特征分析

馬頭門巷道圍巖力學特征主要包括圍巖變形特點、圍巖內應力場、圍巖破壞狀況三方面。結合巖石物理力學性質及支護技術措施等因素，在巷道開挖、支護初期，運用數值模擬手段對圍巖力學特征進行研究，并對其圍巖的壓力、變形和裂隙發育狀況進行觀測，進而總結巷道圍巖的力學特征。

2.1 支護方案

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

(1)一次支護。采用錨網噴支護: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;鋼筋網片規格為 ?6.5 mm圓鋼加工，網格為100 mm×100 mm;噴射混凝土厚度100 mm，強度等級為C20。

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

2.2 巷道圍巖力學特征研究

利用FLAC3D有限元分析對副立井馬頭門巷道開挖支護初期的圍巖力學特征進行研究。

(1)巷道圍巖應力分布特征。根據圖2中巷道圍巖的應力分布情況分析可知，在開挖和支護后，圍巖內應力場分布呈現如下特征:①該巷道開挖引起的應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應力擾動的范圍遠超于一般巷道。②在巷道兩幫及底板分別出現拉應力，圖2(b)中方框范圍為拉應力出現位置。兩幫及底板均為長直線形狀，而四周來壓使其向內變形，在幫底外側易形成拉應力;除巷道斷面形狀的影響外，拉應力的出現也說明幫底兩處支護抗力不足。③巷道淺部圍巖的壓應力變化快慢不同。圍巖內應力值沿圍巖由外向內逐漸降低。因此圍巖內部應力分布特征與應力梯度有關，同一應力范圍區域越小表明應力值變化越迅速，應力梯度越大。

圖2 巷道圍巖應力分布

(2)巷道圍巖破壞狀況。結合數值模擬計算，從圖3中可以看出，巷道頂板及兩幫圍巖塑性區平均厚度約為4.5 m，而底板圍巖塑性區范圍達到8.3 m。大斷面巷道底板圍巖塑性區較大主要是因為巷道開挖面積大，擾動范圍廣，圍巖內裂隙的數目相對增多，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，底板強度相對較高，破壞程度相對較低。

(3)巷道圍巖內部位移。結合巷道圍巖內部應力分布特征、圍巖物理力學性質及斷面尺寸形狀等因素，對巷道圍巖內部位移變化情況進行數值模擬研究，結果如圖4所示。

圖3 巷道圍巖塑性區

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 巷道圍巖支護中存在的問題

馬頭門巷道圍巖的以上特點給其支護帶來了諸多困難，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，而設計所使用的錨桿、錨索長度及直徑不盡合理。

(2)錨索規格較低或數量不足，造成錨索承擔的荷載超過其設計承載能力，因而在支護過程中容易產生拉斷等破壞。

(3)巷道兩幫圍巖的控制僅采用錨桿支護，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，破壞嚴重，缺乏有效支護措施。

3 底鼓類型及底鼓機理分析

3.1 底鼓機理一般分類

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力以及底板松軟的巖層導致底板巖層彎曲變形，并向巷道內撓曲、流變等。巷道底鼓一般分為兩幫擠壓型底鼓、巖石擴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力最大。計算表明，在巷道兩底角處會形成強烈的應力集中，因此巷道兩底角處巖層最易發生破斷;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，當該作用力超過某一臨界載荷時，底板巖層便會發生彎曲，進而失穩破斷。

(2)巖石擴容底鼓。最大主應力減去最小主應力稱為差應力，隨著差應力的增加，差應力－體積應變關系由線性過渡為非線性，超過一定極限后，巖石則產生擴容現象，且擴容現象隨差應力增加而繼續增大。

(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。

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，用下式表述:

式中，εz為軸向剪脹應變;σz為軸向應力，MPa;ks為膨脹率;σ0為膨脹力，MPa。

另一種則是考慮了側壓對膨脹的影響的三維膨脹理論，用下式表述:

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

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

3.2 馬頭門底鼓類型及機理分析

根據麥垛山煤礦馬頭門底板圍巖性質及其內部應力分布狀態分析認為，馬頭門底板破壞主要是由于受兩幫擠壓變形，從而導致底鼓。

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

圖5 巷道底鼓力學模型及位移失量圖

當巷道底板為煤層時，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、副井聯絡巷所處層位為6煤頂板，巖性主要以粉砂質泥巖和泥質粉砂巖互層組成，巖石易軟化，吸水后強度降低，抗變形能力較差。巷道層位如圖7所示。

圖7 巷道與煤層關系

在巷道掘進過程中，采用鉆孔成像對圍巖內部破壞情況進行觀測，發現在不同深度出現多處裂隙，圍巖破壞范圍達8 m，掘后10 d內巷道底鼓量為450 mm，兩幫移近量達100 mm。

4 底鼓的防治

根據麥垛山煤礦巷道及其圍巖地質條件，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。抗流變樁可采用廢舊鋼軌，并根據實際情況采用單排或多排布置;采用探水鉆機打眼，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度弱化，在巷道施工過程中應及時鋪底對底板進行封閉。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

根據巷道變形破壞機理及破壞情況，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措施，對巷道破壞情況進行治理。

(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，可以使巷道支護整體上封閉，改變了底部無有效支護、變形在底部得不到抑制的狀況。另外，不設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，應力集中程度高、極易發生破壞;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滲出，由于巷道表面的水頭逐漸升高最終能與遠處的水頭齊平，所以圍巖內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，因此需對底板進行有效的加固。底角錨索可提供較大的支護反力，并能使淺部巖層與深部巖層結合為統一整體;在淺部巖層發生撓曲隆起或剪斷脹裂時，會受到深部穩定巖層的制約，進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構，提高底板巖層的整體強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，提高巖層的整體強度，并能阻止裂隙水的破壞作用，進而更好地抵抗巖層的變形破壞。

4.3 效果分析

根據現場施工過程中馬頭門巷道底板實際變形破壞狀況，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。

觀測發現，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，巷道圍巖逐漸進入相對穩定的狀態。

5 結論

(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重，擾動范圍廣，且底板抗彎能力差，容易發生底鼓。

(2)根據巷道斷面尺寸及其圍巖賦存情況的差異特征，分析認為麥垛山煤礦副立井馬頭門底鼓的主要原因為底板巖層遇水強度弱化，且受兩幫擠壓作用下發生彎曲，進而造成底鼓。

(3)針對該條件下巷道底鼓嚴重的問題，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。

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