巷道底鼓力學機理的探討

張旭和 張芳衛 黃泉清 史 磊

（鄭州四維礦業機械有限責任公司，河南 鄭州 454000）

1 引言

巷道由于掘進或回采影響引起圍巖的應力狀態和圍巖性質發生變化，使頂底板和兩幫巖體發生變形并向巷道內位移，底板巖體向巷道內位移為底鼓。一般來說，少量的底鼓對巷道的穩定性并不構成危害，因為這種底鼓變化量對巷道的通風、運輸、行人等活動影響不大。但當巷道底鼓量超過這個范圍時，就會對生產造成影響，并且隨著底鼓量的不斷發展，對整個圍巖造成的失穩與破壞也會越發嚴重。大量實測數據表明，巷道圍巖的變形失穩破壞大約有2/3～3/4是由底鼓引起的，對底鼓的維修量會占到巷道總維修量的50%[1、2]。因此，要及時進行底鼓機理和力學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相對穩定的狀態。

2 巷道底鼓的類型與機理

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，其底鼓的方式和機理也不相同，一般可以分為擠壓流動性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、遇水膨脹性底鼓和剪切錯動性底鼓四種基本形式[3]。

2.1 擠壓流動性底鼓

擠壓流動性底鼓發生條件主要有：

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

（2）在遠場地應力作用下會擠壓周邊破壞巖體向巷道內流動（如圖 1（2）所示）。

圖1 擠壓流動性底鼓

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，其發生底鼓的類型也不相同。

2.2 撓曲褶皺性底鼓

當底板為薄層狀巖層時，在平行于層理方向的壓力作用下，會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，就越容易發生撓曲底鼓（如圖2所示）。

2.3 剪切錯動性底鼓

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

表1 剪切錯動與擠壓流動性對比表

2.4 遇水膨脹性底鼓

此類型底鼓多發生在礦物成分含蒙脫石的粘土巖層，膨脹巖是與水發生物理化學反應，引起巖石含水量隨時間而增高且體積發生膨脹的一類巖石，屬于易風化和軟化的軟弱巖石。由于巷道底板經常積水，當巖體中含有蒙脫石、高嶺土和伊利石等強親水粘土礦物時，其晶體結構特殊，能將水分子吸附在晶層表面和晶層內部，引起膨脹性底鼓，其強度會完全降低且產生膨脹應力。

工程中遇到的膨脹性巖石有兩種：一種是化學轉化膨脹巖石，另一種膨脹巖石是指含有強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別為底鼓是底板吸水膨脹引起的，其底鼓的機理不同，所以治理方法也有差別。

3 影響巷道底鼓的因素

3.1 由內因導致的圍巖狀態

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

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

通過模擬表明：底板巖層破碎程度對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型鋼為主的方式進行底鼓的治理。

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

3.2 由外因導致的圍巖應力狀態

只有巖層應力滿足一定條件時才會底鼓，在構造應力、自重應力、礦山壓力的作用下，巖體產生破壞變形，隨著裂隙的擴展和貫通，形成拉伸破壞和剪切面，進而產生擴容。因此，深部開采的巷道比淺部開采的巷道底鼓嚴重得多，受采動影響的巷道比不受采動影響的巷道底鼓破壞強烈，處于斷裂帶、風化帶附近，或有水的巷道底鼓嚴重。

3.3 支護強度

人們習慣于將支護的重點放在頂板和兩幫，這樣會導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，應該加強底板支護，底板支護阻力對底鼓量的控制起關鍵作用。

圖5為權臺煤礦回風巷中的現場觀測結果。由圖可見，巷道底鼓量與對巷道底板支護阻力存在雙曲線關系，即隨著支護阻力的提高，底鼓量會逐漸減小，但支護阻力達到一定程度后，其對底鼓量的抑制作用將逐漸減小。

圖5 底鼓量—支護阻力線性回歸曲線

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定的拱形結構往往使得底鼓量加大。研究表明，在頂底板巖性、斷面支護相同的情況下，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出現三種狀況：①強度降低，從而在水平和垂直應力的作用下更容易破壞；②泥質膠結的巖層，浸水后會泥化、崩解，強度會大大降低；③底板含有膨脹性巖層，浸水后會產生膨脹性底鼓。因此，及時設置排水溝，將施工積水及時排走，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

巷道底鼓的防治應當以預防為主，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，混凝土砌碹等全斷面支護法以及底板注漿、打錨桿等加固方法；卸壓方法常用的有底板切縫、兩幫切縫、松動爆破等方法，下面介紹幾種煤礦經常采用的方法。

4.1 聯合支護加固法

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

一控頂板：采用錨網索梁聯合支護。作用機理是：錨索調動深部堅硬巖層對淺部破碎巖層的擠壓作用，增加松動巖體的強度，同時懸吊效應又減少了松動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度，阻止因離層而引起的水平錯動，將疊合梁變成加強的組合梁。較高強度的平網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：對兩幫實施錨網注漿耦合加固。作用機理是：提高兩幫整體強度，限制變形量。三控底角：對底角施加45°剛性注漿錨桿。其對底板產生的力學效應主要有兩個方面：（1）巷道開挖卸載后，在底角易形成剪應力集中，通過施加剛性注漿錨桿，可以提高底角的剪切強度，增強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，從而削弱兩幫應力集中傳遞到底板上的作業力，達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力向巖體內部轉移，從而使巷道底板有可能導致底鼓的水平應力得以解除，有可能發生折皺變形的范圍向卸壓槽轉移，達到防治底鼓的目的[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。當卸壓槽深度b小于其到兩幫距離a時，其抵抗底板向巷道上方鼓起的壓力會有所欠缺，防治底鼓效果不佳；當卸壓槽深度b大于其到兩幫距離a時，此時切槽兩邊的“似懸臂梁體”抗彎強度較大，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

當底板巖層強度較低比較破碎時，通過打錨桿的方法來控制，效果并不理想，此時可采用全封閉U型鋼可縮性支架，往往會取得較好的效果。選用U型鋼支架時，往往需要根據實際情況進行結構和工藝參數的確定，如果選用不當，會造成支架的損壞和失效。一般需要注意如下環節：①根據巷道底板的巖性、強度、尺寸確定合理的支護阻力；②根據巷道圍巖的變形和蠕變特性考慮采用雙向可縮底梁；③根據巷道底鼓的發展過程，選擇合理的封底時間。封底過早容易引起支架底梁的損壞，過遲會延緩支架承載性能[8]。

4.4 起底

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

5 結論

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

（2）巷道底鼓頂板、兩幫、底板共同影響的結果。在對底鼓進行治理的時候，不能單一從底板入手，而應將頂板-兩幫-底板視為一體，進行一體化設計，從而達到控制底鼓的目的。

（3）影響底鼓的主要因素有：圍巖狀態（內因）、圍巖應力狀態（外因）、支護強度、斷面形狀、水理作用。

[1]姜耀東，陸士良.巷道底鼓機理的研究[J].煤炭學報，1980（6）.

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

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

[4]錢鳴高.石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[5]王衛軍，侯朝炯.回采巷道底臌力學原理及控制研究新進展[J].湘潭礦業學院學報，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.中國煤礦巷道圍巖控制[M].中國礦業大學出版社，1994.