敏東一礦軟巖巷道底鼓機理與防治方法

邵 力

（內蒙古蒙東能源有限公司敏東一礦，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

0 引言

礦井采掘活動將會導致應力重分布，在應力與圍巖的相互作用下將會發生不同程度的礦壓顯現，而底鼓是巷道劇烈礦壓顯現的一種形式[1]。底鼓是一個復雜的圍巖破壞過程。針對底鼓機理及防治工作，國內外眾多學者已做出大量研究。康紅普認為底鼓的主要原因是底板軟巖、擴容、彎曲斷裂和蠕變[2-3]。鄭西貴推導獲得反底拱錨固梁力學模型，認為巷道寬度和底板圍巖強度是影響巷道底鼓的主要因素[4]。何滿潮[5]、王衛軍[6]、李學華[7]等提出通過加固巷道頂板、兩幫、頂角等關鍵部位來控制底鼓。楊生斌[8]利用數值模擬研究底錨對底鼓的控制作用，并將其應用于生產實踐中。然而，由于不同礦井地質條件和開采情況不同，導致不同礦井底鼓機理不同，對于巷道底鼓治理仍存在許多困難。針對敏東一礦I0116300回采巷道嚴重底鼓問題，采用現場底鼓量實測、底板礦物成分分析、圍巖強度測試和數值模擬研究，分析其底鼓機理，在此基礎上，提出留設底煤掘進的底鼓治理方法。

1 工程概況

敏東一礦位于伊敏河東礦區東南部，設計生產能力為500萬t/a，主采煤層為16-3和16-3上煤層，頂底板巖層以泥巖、粉砂巖、細砂巖、中粗砂巖和砂礫巖為主，巖石膠結較松散，一般為泥質膠結和凝灰質膠結，抗壓強度較低。其巖石平均抗壓強度以煤層最高，僅為12.3MPa，砂礫巖最低，僅為1.32MPa，該礦井為典型的軟巖礦井，且粉砂巖遇水易崩解，泥巖遇水極易膨脹，巷道穩定性差。

I0116300工作面為敏東一礦北翼首采工作面，煤層平均厚度為13m，傾角為8度。為保證巷道頂板穩定性，回采巷道斷面設計為直墻半圓拱形，掘進寬度為4.8m，高度為3.6m，巷道沿煤層底板進行掘進。工作面回采前，回采巷道底鼓較為緩和，而隨著工作面的推進，工作面前方回采巷道劇烈底鼓，需對回采巷道進行多次翻修，嚴重影響礦井正常生產。

2 巷道底鼓機理

2.1 巷道底鼓特點

底鼓是巷道礦壓顯現的主要形式之一，主要受礦井采掘活動影響，依據巷道破壞過程可將底鼓作用影響因素分為三種：①巷道開挖應力重新分布引起的巷道底鼓變形；②圍巖暴露空氣長期風化和水解等引起的圍巖強度劣化造成巷道底鼓變形；③回采期間引發的底板采動應力集中造成的巷道底鼓變形。

不同因素下造成巷道底鼓劇烈程度不同，為了研究敏東一礦不同因素下底鼓特點，對I0116300運輸順槽不同測點進行表面位移監測，其底鼓變化趨勢如下：

圖1 運輸順槽底鼓變化趨勢

測點1～4均未受工作面回采采動影響，為巷道掘進后147天內底鼓監測數據。由數據可得，巷道底鼓變形較明顯，最大底鼓量可達500mm，最小底鼓量為310mm。巷道變形初期，即0～35天，巷道底鼓變形較快，呈直線增長趨勢，最大變形量約370mm。巷道變形中期，即35～90天，巷道底鼓量整體表現為緩慢增加，測點2變化較為迅速。巷道變形后期，即90～147天，巷道底鼓量仍緩慢增加，但整體變形趨于穩定。

對于巷道回采期間，由于巷道在未受采動期間，底鼓量已較大，在回采期間需對巷道底板進行翻修清理，而清理頻率較高，每兩天清理一次底板，每次清理量約為200mm，所以無法對回采期間巷道底鼓量進行精確監測。

由此可見，敏東一礦巷道底鼓變形表現為初期變形迅速、劇烈，且具有持續性，變形時間較長，未受采動影響時，巷道底鼓原因主要為巷道開挖引起的應力分布和其他原因引起的圍巖強度劣化造成的圍巖變形，而回采期間巷道發生二次底鼓變形，變形更加劇烈，主要由工作面采動應力集中造成。

2.2 礦物成分分析

為了研究敏東一礦底板圍巖礦物含量，尤其是遇水極易膨脹的粘土礦物成分，研究其圍巖變形機理，為巷道底鼓防治提供依據，通過現場巖樣收集和鉆孔取芯，取得16-3底板巖層的巖樣，對其進行巖石礦物成分分析。其成分如下表：

表1 敏東一礦巖樣礦物成分分析結果

表2 敏東一礦粘土礦物成分相對含量分析結果

由分析結果可知，所測底板巖樣中主要礦物成分為石英，占總含量的50%以上，其次為粘土礦物，約占總含量的30%。巖樣中粘土礦物成分為伊利石蒙脫石混層（I/S）、伊利石（I）、高嶺石（K）、綠泥石類（C）、綠/蒙混層（C/S）。通過對比，粘土礦物成分中高齡石礦物含量最高，相對含量在67%～68%之間，則16-3底板將會有明顯的遇水軟化特性。巖樣中的雖然沒有檢測出蒙皂石類粘土礦物成分，但是巖樣中伊蒙混層含量普遍較高，各巖層仍具有一定的遇水膨脹特性。根據礦物成分分析結果可以看出，水對于敏東一礦底板穩定及變形影響很大，在巷道掘進和維護中，應盡量減少水對底板圍巖的影響。

2.3 圍巖強度測試

巷道圍巖強度將會直接影響巷道變形情況，其中最常用的巖石強度指標是單軸抗壓強度，為測得敏東一礦現場環境下的特征指標，利用鉆孔觸探儀測定巖體強度。測試結果如下：

16-3煤層頂板強度大部分集中在1～3MPa之間，平均強度2.16MPa。16-3煤層強度主要集中在6～14MPa之間，平均強度為11.11MPa。16-3煤層底板強度大部分集中在 3～5MPa之間，平均強度4.44MPa。

由此可見，敏東一礦頂板、煤層和底板強度均較低，依據巖石力學強度判定，該礦井為典型的三軟煤層礦井。巷道沿底掘進時，低強度底板在開挖后新分布應力環境下極易發生破壞，造成巷道嚴重底鼓。

3 巷道底鼓防治方法

依據礦物成分分析和圍巖強度測試結果可知，敏東一礦劇烈底鼓主要受以下兩個因素影響：

1）底板圍巖強度低，抗變形能力差：16-3底板平均單軸抗壓強度僅為4.44MPa，由于強度較低，巷道開挖后到穩定期間已發生較大塑性破壞，底板較大的塑性破壞體積導致巷道初期底鼓劇烈。在回采期間，受支承壓力影響，巷道發生二次塑性破壞，再次發生劇烈變形。

2）底板圍巖易水解，遇水易膨脹：由于底板巖石中含有較高的高嶺土礦物，遇水軟化導致強度變低，圍巖承載能力變差，造成塑性區擴大，巷道底鼓量增加；而底板巖石中伊蒙混層具有遇水膨脹的特性，在頂板淋水及地下水滲透作用下，底板底鼓量在膨脹作用下再次增加。

所以，若想減少敏東一礦底鼓量，最直接的辦法是對底板進行錨注及硬化加固處理，一方面可以提高底板強度，另一方面減弱水對底板圍巖的影響。但考慮到敏東一礦煤層賦存特點，煤層厚度大，平均厚度為13m，而開采高度只能控制在11m，則必然有一定的煤炭損失，且煤質為褐煤，開采經濟性差，煤層強度較高，若能在巷道掘進時留設一定厚度的底煤，可利用煤層相對較高的強度特性，達到底板加固防治底鼓的效果，回采期間也可通過清理底板的方式回收底煤。

3.1 沿底掘進時底板力學特征

為研究I0116300運輸順槽巷道底板力學特性，利用FLAC 3D數值模擬軟件對巷道進行分析，建立模型大小為長60m，高50m，厚度為0.4m，中間開挖直墻半圓拱形巷道，跨度為4.8m，高3.6m，對模型6個邊界進行位移邊界約束。模型施加應力參照地應力測試結果，豎直應力為10MPa，垂直于巷道方向的水平應力為10MPa，平行于巷道方向水平應力為5MPa，模型力學參數如下表：

表3 巖石力學參數

分別提取巷道應力云圖和位移矢量圖進行分析，分析結果如下：

由巷道應力分布情況可得，巷道底板應力主要為壓應力，局部區域出現拉應力，且拉應力水平較低，最大值僅為364.75Pa，所以巷道底板破壞類型以剪切破壞為主，破壞主要由于底板圍巖強度較低，難以抵抗巷道開挖后的新應力環境。對巷道位移分布情況分析可得，巷道底板最大變形量為231mm，由位移矢量箭頭可見，底板以下3m區域仍變形劇烈，變形量約為80mm。

圖2 巷道水平應力云圖

圖3 巷道豎直應力云圖

圖4 巷道位移矢量圖

3.2 留設底煤防治效果分析

為分析不同底煤留設厚度時巷道變形特征，在數值模擬中控制巷道掘進位置，使底煤留設厚度分別為 0.4m、0.8m、1.2m、1.6m、2.0m，而工作面回采期間，巷道也會受到超前支承壓力的影響，對于首采工作面，支承壓力主要表現為豎直方向上的應力集中，所以同時改變模型中豎直方向應力集中系數，分別為 1.0、1.3、1.6、1.9，以模擬留設底煤后采動期間巷道底鼓程度，并分別統計其最大位移位移量。模擬結果如下：

由圖可知，隨著底煤留設厚度的增加，巷道底鼓量表現出明顯的減小趨勢，當底煤厚度較小時，即0～1.2m，底鼓量減小趨勢較明顯，1.2m～2.0m，底鼓量減小趨勢變慢并趨于平緩。而應力集中系數對巷道底鼓影響也較大，應力集中系數越大，巷道最大底鼓量越大，但隨著底煤厚度的增加，不同應力集中系數下巷道最大底鼓量差異越來越小，即巷道底鼓受采動影響越來越小。由此可見，巷道掘進時留設底煤對底鼓治理具有明顯效果，對于敏東一礦I0116300回采巷道，留設底煤厚度應大于1.2m，對于煤層大于13m的工作面，巷道掘進時可增加底煤留設厚度，對于煤層較薄的工作面，應根據實際情況在巷道掘進時適當留設一定厚度的底煤。

圖5 巷道最大底鼓量變化趨勢

4 結論

1）由現場實測數據可得，I0116300運輸順槽巷道底鼓劇烈，不受采動影響時，最大底鼓量可達500mm，且變形時間較長。

2）敏東一礦底鼓主要原因為底板巖石粘土礦物成分較高，遇水易軟化、易膨脹，且底板圍巖強度極低，抵抗巷道變形能力差。

3）隨著底煤留設厚度增加，巷道底鼓量明顯減少，且底煤厚度越大，回采期間底鼓量越小。

4）確定I0116300運輸順槽底煤合理留設尺寸應大于1.2m。