巷道底板軟弱夾層底鼓治理技術

黃忠福

（大同煤礦集團軒崗煤電有限公司，山西 軒崗 034114）

隨著我國經濟發展水平的提升，煤礦開采產量逐漸增加，開采深度也隨之加深，井下環境復雜惡劣，巷道支護一直是煤礦研究的重點，但普遍圍繞頂板和幫部進行支護。對于底鼓問題研究較少，隨著煤礦開采深度及環境的改變，巷道底鼓問題日益凸顯，尤其對于含有軟弱夾層的底板更容易變形嚴重，軟弱夾層區域流質特征顯著，甚至成為圍巖缺口，在治理不當的情況下軟弱夾層極易引發底板底鼓，底鼓逐漸蔓延破壞，給巷道支護構成了重大威脅，所以對含軟弱夾層巷道底鼓問題的研究是十分必要的。本文以煤礦巷道底鼓為研究對象，分析了層狀巖體中的軟弱夾層對于底鼓問題的影響，研究了底鼓治理的相應技術，為提高煤礦支護安全的研究提供了理論依據。

1 含軟弱夾層巷道破壞特征

1.1 巷道底鼓類型

研究表明，根據巷道的地質情況、巷道應力狀態差別和巷道底板圍巖的輕質，可以將巷道底鼓劃分為擠壓流動、撓曲褶皺、遇水膨脹和剪切錯動四種類型。其中，擠壓流動引發巷道底鼓原因為底板為軟弱巖層，從而使頂板和兩幫的應力強度都要遠遠超過底板，頂部作用于兩幫形成壓力，同時底部巖層地應力作用使得底板破壞，巖層破裂成流質，直接流動到巷道內。撓曲褶皺型底鼓一般出現在層狀巖體底板，此種底板巖性硬度高，在兩幫及地應力作用下產生撓曲變形，向上方鼓起，撓曲作用使得層狀巖體中間部位發生斷裂。遇水膨脹型底鼓一般發生在含軟弱夾層的底板中，軟弱夾層結構弱，遇水之后造成積聚現象，引起夾層膨脹導致底板鼓起。剪切錯動型底鼓現象出現在后巖體層底板，水平作用力使得巖層受到剪切作用，形成類似斷層的錯動結構，上盤楔形塊受到擠壓作用產生鼓起。

1.2 底鼓原因分析

（1）軟弱夾層巖性

底板中軟弱夾層主要為泥質巖體和碳質巖體，裂隙帶發育水平高于其他巖層，更易造成地下水積聚，膨脹性礦物質遇水后就會造成夾層處出現膨脹現象或者直接出現崩裂，夾層被破壞，底板破壞后逐漸加劇，破壞區域擴散使得地下水蔓延，巖層更加膨脹，巖層粘連作用減弱，抵抗拉伸和剪切的能力下降，從而造成巖層分離加劇，底鼓現象形成惡性循環。

（2）頂板和幫部圍巖支護

在巷道頂板和幫部支護狀態情況下，巷道底板作為巷道支護的薄弱區域，成為支護泄壓部位，在其他三面支護為高強度的情況下，底板成為了近似短固支梁的構成，造成巷道底板中間位置鼓起。將巷道頂板和幫部及圍巖視作一塊，底板和下巖視作另外一塊，開采巷道以后圍巖應力分布改變，兩幫圍巖應力變為淺部減小，深部增加，對巷道底板圍巖進行應力分析，見圖1。

圖1 巷道底板圍巖應力分析

圖2 錨桿支護引起的底板失效

（3）水平應力影響

圍巖水平應力的改變使得巷道底鼓程度也發生相應變化，圍巖使得兩幫形成類似柱狀的支承壓力，對底板產生兩側約束作用，當水平壓力超過了底板的抗壓強度后，底板中部產生鼓起，出現剪切造成失穩現象，底板由此出現嚴重底鼓問題。

（4）底板支護失效

錨桿在支護過程中，底板的應力升高使得錨桿承受剪切力，嚴重時發生破壞，包括兩種破壞方式，可能是錨桿承受水平剪切力，當超過極限值后錨桿被剪斷，也可能是垂直剪切力的作用使得錨桿與巖層發生脫落并向上方隆起，形成了底板支護失效，兩種失效方式見圖2。

2 含軟弱夾層底鼓治理技術

2.1 底鼓支護

巷道底鼓嚴重影響了煤礦的正常生產，底鼓的治理方法眾多，根據底板巖層形式和力學特點，針對含軟弱夾層的支護方法可大體分為加固法、卸壓法以及聯合支護的方法。

（1）加固法

支護加固法是通過增加其他物質來改變底板巖層的巖層力學特征，從而使巖層可以承擔的壓力和剪切力更高。常用的煤礦巷道底板加固法是通過錨桿、混凝土、支架和注漿等方法來實現。增加錨桿是將錨桿穿入到底板中，把底板巖層整合在一塊，增加巖層的接觸面積和摩擦力，阻止了巖層間的移動，裂隙發展得到很好的限制，將淺部巖層和深部巖層連接，從而有效抑制了底板移向巷道內。混凝土反拱是在水平大巷中鋪設大面積混凝土增加支護阻力，配合支架作用，增加了混凝土的反拱能力，此種加固方法效果明顯，但施工難度大。支架是采用封閉式支架，垂直向下的應力作用于巷道底板，在此力的作用下底板裂隙的發展受到了抑制，底板的受力情況發生了改變，底鼓現象發生受到了制約。注漿方法是將漿體填充到巖層的破碎空隙區域，將破碎的巖層整體化，增強了巖層的粘結作用力和內摩擦力，提高了抗壓和抗剪切水平，能夠阻止下巖層的突起，錨索采用樹脂錨固劑增加了巖體的固結水平，巷道底鼓得到了控制。

（2）卸壓法

卸壓法屬于被動支護，是通過釋放圍巖應力集中的方法來改變圍巖應力分布情況，使底板承受的作用力減弱，實現能量轉移。泄壓法包括鉆孔、爆破和切縫等形式。切縫是將底板進行切縫處理，將底板的應力集中轉移到邊緣地帶，從而降低底板應力，圍巖能量也隨之轉移，消除底鼓現象。鉆孔法是通過底板鉆孔來轉移圍巖應力集中，與切縫法原理類似。爆破法是利用爆破產生兩個力學性能不同的區域，阻止了深部巖層和淺部巖層之間的應力傳遞，實現短時間控制巷道底鼓。

（3）聯合支護

聯合支護是將卸壓法和加固法進行聯合，比如錨桿配合注漿、支架配合注漿、爆破配合注漿以及爆破配合支架的支護方法。

由以上方法可以看出，軟弱夾層引起的巷道底鼓問題常常需要通過釋放應力的方法來解決，釋放過程夾層也隨之遭到破壞，利用卸壓法治理底鼓問題沒有改善底板的巖性，所以根本上并沒有得到解決，單獨使用此種方法治理不能實現長期穩定，在工程應用中應采用聯合支護的方法來治理底鼓問題。

2.2 巷道底鼓支護的設計

因為采用一般支護可能會造成巷道底板支護失效，本文采用錨索、輕軌梁配合注漿的支護加固方法，鋼軌梁用于對錨索末端進行固定，防止錨索失效后圍巖突起，錨索設計成斜向，增大作用圍巖摩擦力，與巖層接觸面積增大，抵抗剪切的能力增強，底板支護設計見圖3。

圖3 巷道底板支護設計

3 現場試驗

以五陽煤礦為例進行了現場試驗，該礦原采用半圓拱形巷道，錨桿配合網噴聯合進行支護，整體巷道破壞較嚴重，頂板出現小幅隆起，底板涌水量明顯，通風受到影響，巷道檢測發現底鼓量大約2～2.5 m，底板破壞嚴重。為改進支護情況，采用錨索配合注漿技術，修補更換實現錨桿，底板采用高強度托盤，將錨索連接組成連續支護，見圖4。

圖4 五陽煤礦巷道支護設計對比

按設計施工好相應支護后，進行位移監控，結果見圖5，可以看出，底鼓現象增加緩慢，在某一時間達到極值后逐漸平穩，大部分斷面底鼓量約為0.8 m左右，底鼓治理效果明顯。

圖5 巷道底鼓曲線

4 結語

本文針對煤礦巷道含軟弱夾層底板的破壞情況，以底鼓破壞特征為研究對象，對含軟弱夾層的底板破壞因素進行了分析，從底板支護方法的支護原理進行探討，對比得出了含軟弱夾層的底板底鼓治理方法，運用鋼軌梁、錨索配合注漿等技術進行加固，改變兩側錨索偏角以實現底鼓治理的更優化，通過對實際煤礦進行治理情況檢驗，驗證了此種底鼓治理技術能明顯降低底鼓的發生。為煤礦巷道底鼓的控制研究提供借鑒。

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