邵 力

（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）

0 引言

礦井采掘活動將會導(dǎo)致應(yīng)力重分布，在應(yīng)力與圍巖的相互作用下將會發(fā)生不同程度的礦壓顯現(xiàn)，而底鼓是巷道劇烈礦壓顯現(xiàn)的一種形式[1]。底鼓是一個復(fù)雜的圍巖破壞過程。針對底鼓機理及防治工作，國內(nèi)外眾多學(xué)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(dǎo)獲得反底拱錨固梁力學(xué)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(wèi)軍[6]、李學(xué)華[7]等提出通過加固巷道頂板、兩幫、頂角等關(guān)鍵部位來控制底鼓。楊生斌[8]利用數(shù)值模擬研究底錨對底鼓的控制作用，并將其應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中。然而，由于不同礦井地質(zhì)條件和開采情況不同，導(dǎo)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(xiàn)場底鼓量實測、底板礦物成分分析、圍巖強度測試和數(shù)值模擬研究，分析其底鼓機理，在此基礎(chǔ)上，提出留設(shè)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?xùn)|礦區(qū)東南部，設(shè)計生產(chǎn)能力為500萬t/a，主采煤層為16-3和16-3上煤層，頂?shù)装鍘r層以泥巖、粉砂巖、細砂巖、中粗砂巖和砂礫巖為主，巖石膠結(jié)較松散，一般為泥質(zhì)膠結(jié)和凝灰質(zhì)膠結(jié)，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(wěn)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(wěn)定性，回采巷道斷面設(shè)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(chǎn)。

2 巷道底鼓機理

2.1 巷道底鼓特點

底鼓是巷道礦壓顯現(xiàn)的主要形式之一，主要受礦井采掘活動影響，依據(jù)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(yīng)力重新分布引起的巷道底鼓變形；②圍巖暴露空氣長期風(fēng)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(fā)的底板采動應(yīng)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(jiān)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(nèi)底鼓監(jiān)測數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)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(xiàn)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(wěn)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(jiān)測。

由此可見，敏東一礦巷道底鼓變形表現(xiàn)為初期變形迅速、劇烈，且具有持續(xù)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(yīng)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(fā)生二次底鼓變形，變形更加劇烈，主要由工作面采動應(yīng)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(jù)，通過現(xiàn)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(jié)果

表2 敏東一礦粘土礦物成分相對含量分析結(jié)果

由分析結(jié)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(jù)礦物成分分析結(jié)果可以看出，水對于敏東一礦底板穩(wěn)定及變形影響很大，在巷道掘進和維護中，應(yīng)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(biāo)是單軸抗壓強度，為測得敏東一礦現(xiàn)場環(huán)境下的特征指標(biāo)，利用鉆孔觸探儀測定巖體強度。測試結(jié)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(jù)巖石力學(xué)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(yīng)力環(huán)境下極易發(fā)生破壞，造成巷道嚴重底鼓。

3 巷道底鼓防治方法

依據(jù)礦物成分分析和圍巖強度測試結(jié)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(wěn)定期間已發(fā)生較大塑性破壞，底板較大的塑性破壞體積導(dǎo)致巷道初期底鼓劇烈。在回采期間，受支承壓力影響，巷道發(fā)生二次塑性破壞，再次發(fā)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(dǎo)致強度變低，圍巖承載能力變差，造成塑性區(qū)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(zhì)為褐煤，開采經(jīng)濟性差，煤層強度較高，若能在巷道掘進時留設(shè)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(xué)特征

為研究I0116300運輸順槽巷道底板力學(xué)特性，利用FLAC 3D數(shù)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(yīng)力參照地應(yīng)力測試結(jié)果，豎直應(yīng)力為10MPa，垂直于巷道方向的水平應(yīng)力為10MPa，平行于巷道方向水平應(yīng)力為5MPa，模型力學(xué)參數(shù)如下表：

表3 巖石力學(xué)參數(shù)

分別提取巷道應(yīng)力云圖和位移矢量圖進行分析，分析結(jié)果如下：

由巷道應(yīng)力分布情況可得，巷道底板應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，且拉應(yīng)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(yīng)力環(huán)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(qū)域仍變形劇烈，變形量約為80mm。

圖2 巷道水平應(yīng)力云圖

圖3 巷道豎直應(yīng)力云圖

圖4 巷道位移矢量圖

3.2 留設(shè)底煤防治效果分析

為分析不同底煤留設(shè)厚度時巷道變形特征，在數(shù)值模擬中控制巷道掘進位置，使底煤留設(shè)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(xiàn)為豎直方向上的應(yīng)力集中，所以同時改變模型中豎直方向應(yīng)力集中系數(shù)，分別為 1.0、1.3、1.6、1.9，以模擬留設(shè)底煤后采動期間巷道底鼓程度，并分別統(tǒng)計其最大位移位移量。模擬結(jié)果如下：

由圖可知，隨著底煤留設(shè)厚度的增加，巷道底鼓量表現(xiàn)出明顯的減小趨勢，當(dāng)?shù)酌汉穸容^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(yīng)力集中系數(shù)對巷道底鼓影響也較大，應(yīng)力集中系數(shù)越大，巷道最大底鼓量越大，但隨著底煤厚度的增加，不同應(yīng)力集中系數(shù)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(shè)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(shè)底煤厚度應(yīng)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(shè)厚度，對于煤層較薄的工作面，應(yīng)根據(jù)實際情況在巷道掘進時適當(dāng)留設(shè)一定厚度的底煤。

圖5 巷道最大底鼓量變化趨勢

4 結(jié)論

1）由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)尺寸應(yīng)大于1.2m。