趙治澤

(內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司 敏東一礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

巷道底鼓一直是巷道圍巖控制的難題，會造成巷道斷面積大幅度縮小，影響井下正常通風(fēng)、運輸、運料和人員通行等，劇烈的底鼓同時影響著兩幫和頂板的穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)[1，2]。針對巷道底鼓機理，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度進行了大量有益的研究工作?？导t普等[3-5]認(rèn)為誘發(fā)巷道底鼓的主要影響因素是巖層壓曲、擴容和膨脹；陸士良等[6]通過對底鼓機理進行分析，得出底鼓機理主要分為擠壓流動、撓曲褶皺、剪切錯動和遇水膨脹四種類型；李新旺等[7]通過研究不同厚度夾層在不同埋深和不同側(cè)壓系數(shù)條件下巷道底板變形特征、底板巖層破壞規(guī)律及其對底鼓發(fā)生的影響，得出巷道底鼓與夾層厚度、側(cè)壓系數(shù)呈正相關(guān)；李季等[8]通過研究采空區(qū)側(cè)方圍巖主應(yīng)力場方向的變化規(guī)律，及其對沿空巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)的影響機制，揭示了深部沿空巷道非均勻大變形機理；孫曉明等[9]通過研究深埋層狀巖石應(yīng)力邊界條件下巷道變形破壞規(guī)律，得出將底板破壞強度與頂板破壞強度之比定義為Kc，所建立的力學(xué)強度參數(shù)能較好地反映巷道頂?shù)装迤茐难莼?guī)律；柏建彪等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)巷道底板在受采動影響后底板分布著“兩點三區(qū)”，即：零位移點、零應(yīng)變點和拉應(yīng)變上升區(qū)、壓縮區(qū)、壓應(yīng)變壓縮區(qū)；黃廣帥等[11]通過分析工作面推進距離、煤層厚度等不同條件對底板破壞深度的影響得出隨著工作面不斷推進，底板破壞深度越大，且煤層厚度越大，底板破壞范圍越廣；劉泉聲等[12]通過研究在地應(yīng)力作用下軟弱破碎的巷道圍巖被擠壓流入到巷道內(nèi)，得出顧北煤礦底鼓類型為擠壓流動性底鼓；張杰等[13]通過采用切槽卸壓的方法降低巷道幫角應(yīng)力集中效應(yīng)，使得底板垂直應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而減小底板的變形量；趙洪寶等[14]認(rèn)為巷道靠近煤柱側(cè)圍巖應(yīng)力較大，變形量小，而靠近采空區(qū)側(cè)圍巖應(yīng)力小，底鼓量大，還提出非對稱控制技術(shù)；侯朝炯等[15]通過研究巷道底鼓的基本原理，提出加固軟巖巷道兩幫和底角的方法來控制巷道底鼓；常聚才等[16]通過分析底鼓影響因素及底鼓機理，得出底板在無支護條件下圍巖應(yīng)力分布狀況，提出超挖錨注回填技術(shù)；劉劍等[17]通過分析圍巖強度、圍巖應(yīng)力、支護形式對巷道底鼓的影響，提出改變煤柱尺寸、優(yōu)化支護參數(shù)及局部注漿的底鼓控制技術(shù)；孔慶軍[18]通過研究砌塊充填沿空留巷條件下底鼓大變形，提出“頂板預(yù)裂爆破卸壓技術(shù)+頂板關(guān)鍵部位加強支護技術(shù)+砌塊上方柔性讓壓支護技術(shù)+砌塊墻體雙控錨桿支護技術(shù)”綜合控制技術(shù)體系；孫利輝等[19]通過分析南大巷強烈底鼓特征及影響因素，得出高應(yīng)力、巖石遇水膨脹、支護結(jié)構(gòu)不合理等因素綜合作用導(dǎo)致巷道發(fā)生強烈底鼓，并提出了“巷道底板錨索束+底板深淺注漿”的治理方案。

以蒙東地區(qū)敏東一礦I0116306工作面運輸巷為研究對象，通過實驗室實驗、現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法，研究其受采動影響時底板變形破壞規(guī)律，揭示巷道發(fā)生底鼓現(xiàn)象的機理，并以此提出超挖錨桿加固回填的支護建議。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 巷道概況

敏東一礦位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市境內(nèi)，井田面積49km2，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力500萬t/a。其可采煤層為16-3煤層和16-3上煤層，煤層埋深300m左右，06工作面煤層平均厚度為8.43m，煤層傾角為2°～6°，直接頂為細(xì)砂巖，平均厚度為6.8m，直接底為粉砂巖，其平均厚度為16.43m，老頂為粉砂巖，平均厚度為10.6m。主采煤層16-3煤及頂?shù)装鍘r石抗壓強度均低于30MPa，底板粉砂巖遇水易崩解，泥巖遇水易膨脹。06工作面一側(cè)為04采空區(qū)，留煤柱寬度30m，回采巷道單巷布置。

1.2 底鼓特征

敏東一礦06工作面運輸巷在未受到采動影響時，運輸巷底板變形量較小，隨著距工作面距離減小，受到的采動影響劇烈，底板變形破壞也越來越嚴(yán)重。在運輸巷掘進后沿走向合理布置測站，進行為期一個月的超前工作面不同距離的底板表面位移監(jiān)測，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示巷道底板破壞特征如圖1所示：監(jiān)測周期內(nèi)，底鼓量總計約為300mm，兩測站隨著距工作面距離減小，底鼓量逐漸增大。在距工作面80m處，巷道底鼓量變化不明顯，底鼓速率較小，當(dāng)距離工作面35～80m時，底鼓量成緩慢增長趨勢且變化速率有所增加，但在工作面前方10～35m處，其底板處于劇烈變形階段，底鼓量顯著增大，底鼓變化速率明顯變大。06工作面運輸巷底鼓反復(fù)，嚴(yán)重影響了正常使用。

圖1 06工作面回風(fēng)巷測站1和2底板位移監(jiān)測曲線

2 底鼓規(guī)律數(shù)值模擬分析

2.1 底板塑性區(qū)分布

建立模型，長538m，高54m，厚度為100m，中間開挖直墻半圓拱形巷道，對模型前后左右和底部5個邊界進行位移邊界約束。對該煤層存在的地應(yīng)力進行計算分解，Z方向施加垂直應(yīng)力9.16MPa，X方向施加應(yīng)力5.6MPa，Y方向施加應(yīng)力6.37MPa，XY平面施加剪應(yīng)力2.01MPa，本構(gòu)模型選用摩爾庫倫模型。數(shù)值模擬中各煤(巖)層力學(xué)參數(shù)見表1。

選取超前工作面不同距離巷道底板塑性區(qū)分布如圖2所示，由圖2可得：巷道塑性破壞范圍主要集中在巷道底板和兩幫底部，在巷道距離工作面前方5m處，受采動影響最大，底板處于劇烈變形階段，底板塑性破壞深度非常嚴(yán)重，底板破壞量約為2.25m，隨著超前工作面距離增加15m時，底板塑性破壞深度逐漸減小，底板破壞量約減小為2m，在超前工作面25m后，采動影響逐漸減弱，底板塑性破壞深度逐漸趨于穩(wěn)定，變化不太明顯，底板破壞量為1.75m。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

圖2 工作面超前段塑性區(qū)分布形態(tài)

2.2 底板塑性區(qū)演化規(guī)律

繪制不同超前工作面距離底板破壞深度曲線，如圖3所示。監(jiān)測周期內(nèi)，底板破壞深度隨距工作面距離減小而增加，當(dāng)距離超前工作面距離25～30m，底板破壞深度為1.75m，隨著距工作面距離10～20m時，底板破壞速率明顯增加，底板破壞深度逐漸增加至2m，當(dāng)距超前工作面5m時，底板受采動影響劇烈，破壞深度顯著增加，底板破壞深度達到2.25m。

圖3 不同超前工作面距離底板破壞深度

3 底鼓影響因素分析

3.1 礦物成分分析

巷道掘進和使用過程中，其底板不可避免會與水接觸，而水對底板巖石的作用主要是通過水理作用影響巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為研究敏東一礦底板遇水易膨脹的礦物成分含量，分析其底板變形的規(guī)律對敏東一礦16-3煤層底板巖層的巖樣及其黏土礦物進行分析測試，得到其底板巖層的礦物成分和黏土礦物成分，分析結(jié)果見表2、表3。

由表2、表3可知，所測底板巖樣中黏土礦物含量占30.1%，石英礦物含量為56.2%。對比黏土礦物成分得，高嶺石(K)礦物含量可達68%，伊/蒙混層(I/S)含量為21%；由此可見，底板巖層中含有大量的高嶺石、伊/蒙混層等黏土礦物成分，此類成分吸水性極強，且遇水易膨脹。

表2 巖樣礦物成分分析結(jié)果

表3 黏土礦物成分相對含量分析結(jié)果

3.2 采動應(yīng)力

提取超前工作面不同距離最大主應(yīng)力分布如圖4所示。結(jié)果表明：在超前工作面不同距離，巷道兩幫的所受應(yīng)力明顯大于底板所受應(yīng)力。在超前工作面5m，巷道受采動影響最大，其兩幫所受應(yīng)力可達21.157MPa，底板所受最大應(yīng)力為11.65MPa，隨著超前工作面距離不斷增加，巷道受采動影響逐漸減弱，兩幫和底板所受應(yīng)力不斷降低，距離超前工作面30m處，兩幫所受應(yīng)力最大為19.447MPa，底板所受應(yīng)力達11.05MPa，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 超前工作面不同距離最大主應(yīng)力分布(Pa)

圖5 超前工作面不同距離巷道底板和兩幫最大主應(yīng)力值

提取超前工作面不同距離巷道兩幫和底板的最大主應(yīng)力峰值，如圖5所示。結(jié)果表明：巷道兩幫和底板最大主應(yīng)力隨超前工作面距離減小而增加。當(dāng)距離超前工作面30m處，巷道受采動影響較弱，兩幫所受最大主應(yīng)力為19.447MPa，底板所受最大主應(yīng)力為11.05MPa，在距離超前工作面20～30m時，兩幫和底板所受最大主應(yīng)力呈緩慢增長，但當(dāng)超前工作面距離處于5～10m時，巷道受采動影響劇烈，兩幫和底板最大主應(yīng)力急劇增長，最大主應(yīng)力達21.157MPa，底板的最大主應(yīng)力為11.634MPa。

4 底鼓規(guī)律

綜上所述，敏東一礦06工作面運輸巷底板所在巖層為膨脹性砂質(zhì)泥巖、泥巖等軟弱巖層，底板發(fā)生破壞的主要原因是：①巷道底板圍巖強度較低，圍巖中含有大量的親水成分高嶺石，其成巖膠結(jié)程度差、抗壓強度低，具有極高的親水性及膨脹性，而底板在經(jīng)歷開挖和回采過程中，灑水降塵等會使底板遇水發(fā)生泥化、膨脹，出現(xiàn)明顯的膨脹性和流動性，易形成遇水膨脹型底鼓；②巷道底板在受兩幫較高的應(yīng)力作用下向上凸起，且隨著超前工作面距離不斷減小，底板受采動影響愈發(fā)劇烈，其破壞程度也更為明顯，底板發(fā)生擠壓流動變形。因此，06工作面運輸巷底鼓機理屬于遇水膨脹性+采動誘發(fā)擠壓流動性復(fù)合型底鼓，如圖6所示。

圖6 巷道底鼓機理

5 控制對策

基于對敏東一礦06工作面運輸巷底鼓規(guī)律及底鼓機理的分析，提出底板超挖錨桿加固回填的支護方案，即首先采用超開挖法來釋放一定深度下底板下方巖體的位移，然后在底板上施加錨桿，控制深部巖體的豎向變形，改善巷道底板受力狀態(tài)，最后使用更高強度的混凝土層進行回填，抵抗回填層下面的巖體的大變形，并有效阻隔水與底板的接觸。對07工作面巷道設(shè)計的支護方案，如圖7所示。

圖7 07工作面巷道設(shè)計的支護方案(mm)

具體支護措施：巷道底板變形逐漸趨于穩(wěn)定后，對巷道底板巖體進行200～300mm的超挖，然后對底板施加錨桿，采用?20mm的錨桿，錨桿長度L=2500mm，間排距為800mm×800mm，每排底板6根，幫角兩根傾斜加固錨桿，鐵托盤規(guī)格為150mm×150mm×10mm?？拷鼉蓭偷装迳蟽筛蛲馄D(zhuǎn)20°，中間4根豎直向下，幫角兩根水平向下偏轉(zhuǎn)45°，錨固劑采用防水型錨固劑，底板上6根錨桿采用Ω型鋼帶連接，形成整體。

為減少水對底板變形的影響，巷道底板采用C30混凝土對巷道底板進行地坪施工，可以更好的防止兩幫、底板等滲水及巷道內(nèi)噴霧對底板的影響。

6 結(jié) 論

1)由數(shù)值模擬和位移監(jiān)測分析得出，06運輸巷塑性區(qū)分布形態(tài)隨著距工作面距離越近，采動影響越大，底板塑性破壞深度越大，底板變形迅速且愈發(fā)劇烈，底鼓量更大。

2)底板含有大量遇水易膨脹的伊利石、蒙脫石等礦物成分；巷道距離工作面越近，受采動影響更劇烈，受兩幫越高的應(yīng)力作用，底板發(fā)生越大的擠壓流動變形。敏東一礦底鼓類型屬于遇水膨脹性+采動誘發(fā)擠壓流動性復(fù)合型底鼓。

3)提出底板超挖錨桿加固回填控制方案，即：通過對底板超挖，使得下部巖體位移量得到一定程度的釋放，然后施加錨桿來控制深部巖體的豎向變形，改善巷道底板圍巖受力狀態(tài)，最后回填強度較高的混凝土層，抵抗回填層下巖體變形，并有效阻隔水與底板的接觸。