安山煤矿浅埋煤层巷道底鼓控制技术

谢 沛

（陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

巷道发生底鼓现象，轻者巷道起伏不平，严重时导致巷道整体报废，对煤矿的安全高效生产造成巨大影响［1-3］。

拟针对安山煤矿掘进巷道底板破坏的控制技术，以提高掘进效率，降低生产成本。通过理论分析、数值模拟、现场试验等方法寻找一条快捷、有效、低成本的底板破坏及底鼓治理技术方案。既能为矿井安全高效生产及矿区的可接续开采提供技术保障，又能够在类似工作面推广运用，具有广泛的经济效益和社会效益。

1 工程地质概况与岩性分析

1.1 工程地质概况

通过地质资料以及1165水平大巷揭露情况，四盘区辅运巷范围内3-1煤层厚1.6～2.5 m，煤层稳定，属中厚煤层，结构简单，底板标高的变化较小，在1 137～1 179 m之间，平均埋深147 m。直接顶为中粒砂岩，厚度22.26 m。直接底为粉砂岩，厚度3.4 m，遇水即泥化；老底为泥质粉砂岩，厚度24.21 m。

1.2 岩性分析

通过采用煤岩样试块加工仪、万能试验机、点载荷仪测试，煤样、岩样的物理力学性质见表1。

表1 四盘区大巷围岩力学参数

试验结果表明，大巷直接底岩层为灰黑色泥岩，裂隙和裂纹发育。岩石组成成分中高岭石含量15%、石英含量71%、伊利石含量11%、钾长石含量3%，其它未检测出的矿物颗粒占1%，底板岩层吸水后有明显的软化崩解现象［4-6］。底板岩层结构面发育，裂纹在纵横方向上交错切割，岩层内部裂隙、构造裂隙发育，构造裂隙具有明显的方向性，裂隙面平直。由现场工程调研可知，巷道围岩结构面较发育，属一般稳定性岩层。

2 巷道底鼓类型及原因分析

2.1 底鼓类型

由地质资料可知，四盘区胶运大巷埋深147 m埋深较浅，不属于高应力巷道，且直接底为粉砂岩，厚3.4 m，也非厚岩层，故而排除剪切错动性底鼓；因此排除挤压流动性底鼓与挠曲褶皱性底鼓；由巷道围岩力学试验可知，顶板岩样平均抗压强度为18.26 MPa，抗拉强度平均为1.56 MPa，弹性模量为3.28×103MPa；底板岩样抗压强度平均为5.49 MPa，抗拉强度平均为0.93 MPa，弹性模量为2.37×103MPa；煤样饱水状态下的单轴抗压强度平均为3.65 MPa，抗拉强度平均为0.38 MPa，弹性模量为1.18×103MPa，顶板岩层强度远大于底板岩层强度，底板岩石遇水有明显的崩解和软化，随时间的推移，充分吸水后，软化成泥状，对岩石整体强度有显著的影响，在水作用下的软化效应明显。因此，四盘区胶运大巷底鼓类型是属于挤压流动性底鼓与遇水膨胀性底鼓的复合型底鼓。

2.2 底鼓原因

底鼓原因主要由两个方面决定，即自然因素和人为因素［7-9］。自然因素即巷道所处的地质条件环境、围岩的物理力学性质等；人为因素即巷道的布置形式、断面尺寸、施工方式及支护形式等。因此，影响巷道底鼓的因素有多种，不同巷道表现的底鼓也不尽相同。针对安山煤矿四盘区胶运大巷的底鼓，对四盘区胶运大巷底鼓的影响因素分析如下。

巷道布置：安山煤矿四盘区胶运大巷位于辅助运输巷与回风大巷之间，保护煤柱20 m，处于中间位置的胶运大巷两帮煤柱受叠加应力作用明显。保护煤柱处于高应力状态，煤柱中的高应力将传递至巷道底板，当底板岩层强度较低时，在叠加应力的作用下更容易发生破坏，造成巷道底鼓。

支护形式：巷道底板的支护形式也是影响巷道底鼓的重要因素之一，四盘区胶运大巷在掘进过程中并未对底板采取加固措施，也没有及时封闭底板，导致底板浸水。

底板岩性：四盘区胶运大巷直接底为粉砂岩，老底为泥质粉砂岩，这两张岩层均含有伊/蒙混层矿物，具有吸水膨胀的特点。

水的影响：水和底板岩体是相辅相成、相互影响的，水对底板岩体的影响主要通过水理作用影响岩体的内部结构。

2.3 底鼓力学模型

底鼓力学模型及底鼓深度的计算：巷道底板受力模型如图1所示。选取右半侧底板为研究对象，此时的底板受均布载荷q的作用，CIJ区和MCJ区的底板岩层分别位于主动塑性区和被动塑性区。主动压应力P2将在被动塑性区MCJ内沿MJ产生切向力T和法向力N，此时MCJ区域有沿MJ滑动的趋势，当底板岩层提供的摩擦力小于T时，被动塑性区MJC将向巷道自由空间内滑动，导致MC区域的底板破坏，形成底鼓。

可由式（1）计算得到底鼓破坏深度

图1 巷道底板载荷简化图

式中：L—巷道高度，取2.5 m；h—压力拱高度，取1.2 m；φ—岩层内摩擦角，取22°。可得底鼓深度y≈2 m。

底鼓控制措施：安山煤矿回采巷道底鼓变形主要是由于巷道底板岩性为遇水膨胀性泥岩，在巷道掘进和使用过程中均受水体作用，底板遇水膨胀，产生底鼓［10-12］。且巷道顶板和两帮岩石强度大于底板，在应力作用下，底板软岩以挤压流动变形为主。而最新的锚注式联合支护新技术由于锚杆本身其抗剪切能力较弱，并不能对本巷道挤压流动变形起到有效地抑制作用，同时厚度较大的软岩造成锚杆的长度较大，成本较高，维护失败会造成难以清理的严重后果。

因此，为了减轻对底板的挤压流动性变形造成的影响，在对比上述的底鼓控制技术方法后，决定采用切槽卸压以形成“强弱强”的稳定结构，从而达到控制底鼓的目的。

3 底鼓切槽控制措施

3.1 切槽卸压机理

巷道未切槽时的受力如图2所示。此时的被切割层为原有巷道，作用在巷道围岩周边作用的应力会向围岩深部移动，巷道表面围岩则处于应力降低区中。

切槽后，底板的切槽增大了被切割岩层的厚度，切槽使得巷道底板形成一定尺寸的空间［13-14］，卸压槽空间的收缩将吸收巷道鼓起的变形量。

3.2 卸压槽参数确定

当切槽的深度大于巷道的一半时，卸压槽的两帮即为短悬臂梁结构。在短悬臂梁结构情况下，梁的弯曲变形主要是受到被切割岩层剪切应力而不是弯曲应力的影响，因此在卸压槽深度超过巷道宽度时，底板抵抗下层岩层变形的能力大大增强。

图2 巷道受力示意图

参考针对于安山煤矿回采巷道应力分布研究，该矿运输大巷所受应力较小，同时考虑施工可行性，因此选取小于巷道宽度一半的切槽深度并取整数为2.0 m。

卸压槽的宽度选择应考虑能充分吸收巷道底板的鼓起变形量，同时也不能尺寸过大而影响到巷道围岩整体的稳定性以及巷道正常的功能需求。参考目前统计数据表明，对于中等强度的底板岩层，切槽宽度约为0.3～0.4 m，对于软岩则应大于该值，可选取0.5 m。

3.3 数值模拟

切槽位置模拟：对底板帮部和中部实施0.5 m×0.5 m（宽×深）的切槽，分析巷道变形量。得出，当卸压槽尺寸为0.5 m×0.5 m时，底板中部切槽相比帮角切槽，底鼓量减少70 mm，两帮移近量减少25 mm，顶板下沉量几乎保持不变。底板中部切槽较帮角切槽更能控制大巷的变形。因此，卸压槽位置应布置在大巷底板的中部。图3为巷道变形量示意图。

切槽深度模拟：由图4可知，随着切槽深度的增大，底板垂直应力释放效果越好，垂直应力向底板深部转移。深度越大，切槽闭合的趋势越明显。

图3 巷道变形量示意图

切槽宽度模拟：当切槽深度为2 m，切槽宽度为0.5 m时，最大底鼓量为130mm；当切槽宽度为0.4 m时，底鼓量最大值为118 m，底鼓最严重区域同样位于卸压槽两侧附近处的底板位置；当切槽宽度为0.3 m时，底鼓量最大值为128 m。底鼓量变化如图5所示。

图4 底板垂直应力释放效果示意图

图5 底鼓量变化示意图

通过数值模拟分析可得，合理的切槽参数为0.5 m×2 m（宽×深）。

4 工程实践

4.1 测站布置

切槽试验巷道长度100 m，另选择相邻的100 m无切槽巷道作对比。每段各布置3个测点，两测点间距30 m，测站布置如图6所示。

图6 测站布置示意图

4.2 观测结果

底鼓量：由底鼓量曲线图（图7）可以看出，未切槽巷道底鼓量约为415 mm，切槽段巷道底鼓量约为121 mm，较未切槽巷道，底鼓量减少70%，底鼓现象得到了有效控制。

两帮移近量：由两帮移近量曲线图（图8）可以看出，未切槽巷道两帮移近量约为62 mm，切槽段巷道两帮移近量约为74 mm，较未切槽巷道，两帮移近量增大12 mm。

顶板下沉量：观测得，3个测站顶板下沉量平均为63 mm；未切槽段巷道3个测站顶板下沉量平均为55 mm。顶板下沉量增大8 mm，表明底板切槽对顶板岩层的稳定性影响较小。

离层量：观测得，切槽段巷道3个测站离层量平均为23.6 mm；未切槽段巷道顶板岩层3个测站离层量平均为20.1 mm；顶板离层量增大3.5 mm，因此，底板切槽对巷道顶板上覆岩层离层量的影响微乎其微，可忽略不计。

图7 底鼓量变化曲线

图8 两帮移近量变化曲线

5 结论

（1）通过对四盘区胶运大巷围岩进行物理力学参数测定得出，底板属于软弱类底板，并且吸水易膨胀软化。

（2）安山煤矿软岩巷道底鼓一方面是由于上覆岩层在重力作用下产生的载荷传递导致底板的破坏；另一方面是由于巷道直接底以粉砂岩为主，夹有泥岩，底板岩石吸水后，岩石黏结力减小、强度降低，使得底板载荷作用下更容易发生底鼓。

（3）通过数值模拟分析了在切槽宽度为0.5 m的条件下不同切槽深度时巷道围岩应力与位移变化规律，模拟表明切槽深度与释放底板应力效果呈正相关关系，但当切槽深度大于2 m时，底鼓量的减少幅度不再发生显著变化。同时，顶板下沉量也与切槽深度呈正相关，也就是切槽深度越大顶板下沉量也越大，只有二者兼顾才能有效避免选取切槽参数的盲目性。

（4）在安山煤矿3-1煤四盘区胶运大巷中部400～500 m段进行切槽防治底鼓试验，切槽宽0.5 m，切槽深2 m，切槽后对底板进行硬化处理。通过切槽并进行硬化段对比只进行底板硬化但未切槽段表明，切槽段巷道较未切槽巷道底鼓量降低70%，切槽后底板未发生底鼓现象，采取的切槽参数可有效防止巷道底鼓。