黃忠福

（大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限公司，山西 軒崗 034114）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提升，煤礦開采產(chǎn)量逐漸增加，開采深度也隨之加深，井下環(huán)境復(fù)雜惡劣，巷道支護(hù)一直是煤礦研究的重點(diǎn)，但普遍圍繞頂板和幫部進(jìn)行支護(hù)。對(duì)于底鼓問題研究較少，隨著煤礦開采深度及環(huán)境的改變，巷道底鼓問題日益凸顯，尤其對(duì)于含有軟弱夾層的底板更容易變形嚴(yán)重，軟弱夾層區(qū)域流質(zhì)特征顯著，甚至成為圍巖缺口，在治理不當(dāng)?shù)那闆r下軟弱夾層極易引發(fā)底板底鼓，底鼓逐漸蔓延破壞，給巷道支護(hù)構(gòu)成了重大威脅，所以對(duì)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(duì)象，分析了層狀巖體中的軟弱夾層對(duì)于底鼓問題的影響，研究了底鼓治理的相應(yīng)技術(shù)，為提高煤礦支護(hù)安全的研究提供了理論依據(jù)。

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(jù)巷道的地質(zhì)情況、巷道應(yīng)力狀態(tài)差別和巷道底板圍巖的輕質(zhì)，可以將巷道底鼓劃分為擠壓流動(dòng)、撓曲褶皺、遇水膨脹和剪切錯(cuò)動(dòng)四種類型。其中，擠壓流動(dòng)引發(fā)巷道底鼓原因?yàn)榈装鍨檐浫鯉r層，從而使頂板和兩幫的應(yīng)力強(qiáng)度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過底板，頂部作用于兩幫形成壓力，同時(shí)底部巖層地應(yīng)力作用使得底板破壞，巖層破裂成流質(zhì)，直接流動(dòng)到巷道內(nèi)。撓曲褶皺型底鼓一般出現(xiàn)在層狀巖體底板，此種底板巖性硬度高，在兩幫及地應(yīng)力作用下產(chǎn)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(fā)生斷裂。遇水膨脹型底鼓一般發(fā)生在含軟弱夾層的底板中，軟弱夾層結(jié)構(gòu)弱，遇水之后造成積聚現(xiàn)象，引起夾層膨脹導(dǎo)致底板鼓起。剪切錯(cuò)動(dòng)型底鼓現(xiàn)象出現(xiàn)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(cuò)動(dòng)結(jié)構(gòu)，上盤楔形塊受到擠壓作用產(chǎn)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(zhì)巖體和碳質(zhì)巖體，裂隙帶發(fā)育水平高于其他巖層，更易造成地下水積聚，膨脹性礦物質(zhì)遇水后就會(huì)造成夾層處出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象或者直接出現(xiàn)崩裂，夾層被破壞，底板破壞后逐漸加劇，破壞區(qū)域擴(kuò)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(xiàn)象形成惡性循環(huán)。

（2）頂板和幫部圍巖支護(hù)

在巷道頂板和幫部支護(hù)狀態(tài)情況下，巷道底板作為巷道支護(hù)的薄弱區(qū)域，成為支護(hù)泄壓部位，在其他三面支護(hù)為高強(qiáng)度的情況下，底板成為了近似短固支梁的構(gòu)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(yīng)力分布改變，兩幫圍巖應(yīng)力變?yōu)闇\部減小，深部增加，對(duì)巷道底板圍巖進(jìn)行應(yīng)力分析，見圖1。

圖1 巷道底板圍巖應(yīng)力分析

圖2 錨桿支護(hù)引起的底板失效

（3）水平應(yīng)力影響

圍巖水平應(yīng)力的改變使得巷道底鼓程度也發(fā)生相應(yīng)變化，圍巖使得兩幫形成類似柱狀的支承壓力，對(duì)底板產(chǎn)生兩側(cè)約束作用，當(dāng)水平壓力超過了底板的抗壓強(qiáng)度后，底板中部產(chǎn)生鼓起，出現(xiàn)剪切造成失穩(wěn)現(xiàn)象，底板由此出現(xiàn)嚴(yán)重底鼓問題。

（4）底板支護(hù)失效

錨桿在支護(hù)過程中，底板的應(yīng)力升高使得錨桿承受剪切力，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生破壞，包括兩種破壞方式，可能是錨桿承受水平剪切力，當(dāng)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(fā)生脫落并向上方隆起，形成了底板支護(hù)失效，兩種失效方式見圖2。

2 含軟弱夾層底鼓治理技術(shù)

2.1 底鼓支護(hù)

巷道底鼓嚴(yán)重影響了煤礦的正常生產(chǎn)，底鼓的治理方法眾多，根據(jù)底板巖層形式和力學(xué)特點(diǎn)，針對(duì)含軟弱夾層的支護(hù)方法可大體分為加固法、卸壓法以及聯(lián)合支護(hù)的方法。

（1）加固法

支護(hù)加固法是通過增加其他物質(zhì)來(lái)改變底板巖層的巖層力學(xué)特征，從而使巖層可以承擔(dān)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(lái)實(shí)現(xiàn)。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(dòng)，裂隙發(fā)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(nèi)?；炷练垂笆窃谒酱笙镏袖佋O(shè)大面積混凝土增加支護(hù)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(yīng)力作用于巷道底板，在此力的作用下底板裂隙的發(fā)展受到了抑制，底板的受力情況發(fā)生了改變，底鼓現(xiàn)象發(fā)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(qū)域，將破碎的巖層整體化，增強(qiáng)了巖層的粘結(jié)作用力和內(nèi)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(jié)水平，巷道底鼓得到了控制。

（2）卸壓法

卸壓法屬于被動(dòng)支護(hù)，是通過釋放圍巖應(yīng)力集中的方法來(lái)改變圍巖應(yīng)力分布情況，使底板承受的作用力減弱，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。泄壓法包括鉆孔、爆破和切縫等形式。切縫是將底板進(jìn)行切縫處理，將底板的應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到邊緣地帶，從而降低底板應(yīng)力，圍巖能量也隨之轉(zhuǎn)移，消除底鼓現(xiàn)象。鉆孔法是通過底板鉆孔來(lái)轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力集中，與切縫法原理類似。爆破法是利用爆破產(chǎn)生兩個(gè)力學(xué)性能不同的區(qū)域，阻止了深部巖層和淺部巖層之間的應(yīng)力傳遞，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間控制巷道底鼓。

（3）聯(lián)合支護(hù)

聯(lián)合支護(hù)是將卸壓法和加固法進(jìn)行聯(lián)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(hù)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(yīng)力的方法來(lái)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(dú)使用此種方法治理不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定，在工程應(yīng)用中應(yīng)采用聯(lián)合支護(hù)的方法來(lái)治理底鼓問題。

2.2 巷道底鼓支護(hù)的設(shè)計(jì)

因?yàn)椴捎靡话阒ёo(hù)可能會(huì)造成巷道底板支護(hù)失效，本文采用錨索、輕軌梁配合注漿的支護(hù)加固方法，鋼軌梁用于對(duì)錨索末端進(jìn)行固定，防止錨索失效后圍巖突起，錨索設(shè)計(jì)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(qiáng)，底板支護(hù)設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 巷道底板支護(hù)設(shè)計(jì)

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

以五陽(yáng)煤礦為例進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該礦原采用半圓拱形巷道，錨桿配合網(wǎng)噴聯(lián)合進(jìn)行支護(hù)，整體巷道破壞較嚴(yán)重，頂板出現(xiàn)小幅隆起，底板涌水量明顯，通風(fēng)受到影響，巷道檢測(cè)發(fā)現(xiàn)底鼓量大約2～2.5 m，底板破壞嚴(yán)重。為改進(jìn)支護(hù)情況，采用錨索配合注漿技術(shù)，修補(bǔ)更換實(shí)現(xiàn)錨桿，底板采用高強(qiáng)度托盤，將錨索連接組成連續(xù)支護(hù)，見圖4。

圖4 五陽(yáng)煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)比

按設(shè)計(jì)施工好相應(yīng)支護(hù)后，進(jìn)行位移監(jiān)控，結(jié)果見圖5，可以看出，底鼓現(xiàn)象增加緩慢，在某一時(shí)間達(dá)到極值后逐漸平穩(wěn)，大部分?jǐn)嗝娴坠牧考s為0.8 m左右，底鼓治理效果明顯。

圖5 巷道底鼓曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)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(duì)象，對(duì)含軟弱夾層的底板破壞因素進(jìn)行了分析，從底板支護(hù)方法的支護(hù)原理進(jìn)行探討，對(duì)比得出了含軟弱夾層的底板底鼓治理方法，運(yùn)用鋼軌梁、錨索配合注漿等技術(shù)進(jìn)行加固，改變兩側(cè)錨索偏角以實(shí)現(xiàn)底鼓治理的更優(yōu)化，通過對(duì)實(shí)際煤礦進(jìn)行治理情況檢驗(yàn)，驗(yàn)證了此種底鼓治理技術(shù)能明顯降低底鼓的發(fā)生。為煤礦巷道底鼓的控制研究提供借鑒。

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