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(huì)造成巷道斷面積大幅度縮小，影響井下正常通風(fēng)、運(yùn)輸、運(yùn)料和人員通行等，劇烈的底鼓同時(shí)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(duì)巷道底鼓機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了大量有益的研究工作。康紅普等[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(kuò)容和膨脹；陸士良等[6]通過對(duì)底鼓機(jī)理進(jìn)行分析，得出底鼓機(jī)理主要分為擠壓流動(dòng)、撓曲褶皺、剪切錯(cuò)動(dòng)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(duì)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(chǎng)方向的變化規(guī)律，及其對(duì)沿空巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)的影響機(jī)制，揭示了深部沿空巷道非均勻大變形機(jī)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(qiáng)度與頂板破壞強(qiáng)度之比定義為Kc，所建立的力學(xué)強(qiáng)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(dòng)影響后底板分布著“兩點(diǎn)三區(qū)”，即：零位移點(diǎn)、零應(yīng)變點(diǎn)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(jìn)距離、煤層厚度等不同條件對(duì)底板破壞深度的影響得出隨著工作面不斷推進(jìn)，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(dòng)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(duì)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(jī)理，得出底板在無支護(hù)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(qiáng)度、圍巖應(yīng)力、支護(hù)形式對(duì)巷道底鼓的影響，提出改變煤柱尺寸、優(yōu)化支護(hù)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(qiáng)支護(hù)技術(shù)+砌塊上方柔性讓壓支護(hù)技術(shù)+砌塊墻體雙控錨桿支護(hù)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(qiáng)烈底鼓特征及影響因素，得出高應(yīng)力、巖石遇水膨脹、支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理等因素綜合作用導(dǎo)致巷道發(fā)生強(qiáng)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(yùn)輸巷為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的方法，研究其受采動(dòng)影響時(shí)底板變形破壞規(guī)律，揭示巷道發(fā)生底鼓現(xiàn)象的機(jī)理，并以此提出超挖錨桿加固回填的支護(hù)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(jì)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(qiáng)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(yùn)輸巷在未受到采動(dòng)影響時(shí)，運(yùn)輸巷底板變形量較小，隨著距工作面距離減小，受到的采動(dòng)影響劇烈，底板變形破壞也越來越嚴(yán)重。在運(yùn)輸巷掘進(jìn)后沿走向合理布置測(cè)站，進(jìn)行為期一個(gè)月的超前工作面不同距離的底板表面位移監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示巷道底板破壞特征如圖1所示：監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，底鼓量總計(jì)約為300mm，兩測(cè)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(shí)，底鼓量成緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)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(yùn)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(cè)站1和2底板位移監(jiān)測(cè)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(zhǎng)538m，高54m，厚度為100m，中間開挖直墻半圓拱形巷道，對(duì)模型前后左右和底部5個(gè)邊界進(jìn)行位移邊界約束。對(duì)該煤層存在的地應(yīng)力進(jìn)行計(jì)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(kù)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(dòng)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(shí)，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(dòng)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(cè)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(shí)，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(shí)，底板受采動(dòng)影響劇烈，破壞深度顯著增加，底板破壞深度達(dá)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(jìn)和使用過程中，其底板不可避免會(huì)與水接觸，而水對(duì)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(duì)敏東一礦16-3煤層底板巖層的巖樣及其黏土礦物進(jìn)行分析測(cè)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(cè)底板巖樣中黏土礦物含量占30.1%，石英礦物含量為56.2%。對(duì)比黏土礦物成分得，高嶺石(K)礦物含量可達(dá)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(qiáng)，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(duì)含量分析結(jié)果

3.2 采動(dòng)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(dòng)影響最大，其兩幫所受應(yīng)力可達(dá)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(dòng)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(dá)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(dòng)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(shí)，兩幫和底板所受最大主應(yīng)力呈緩慢增長(zhǎng)，但當(dāng)超前工作面距離處于5～10m時(shí)，巷道受采動(dòng)影響劇烈，兩幫和底板最大主應(yīng)力急劇增長(zhǎng)，最大主應(yīng)力達(dá)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(yùn)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(qiáng)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(qiáng)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(huì)使底板遇水發(fā)生泥化、膨脹，出現(xiàn)明顯的膨脹性和流動(dòng)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(dòng)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(dòng)變形。因此，06工作面運(yùn)輸巷底鼓機(jī)理屬于遇水膨脹性+采動(dòng)誘發(fā)擠壓流動(dòng)性復(fù)合型底鼓，如圖6所示。

圖6 巷道底鼓機(jī)理

5 控制對(duì)策

基于對(duì)敏東一礦06工作面運(yùn)輸巷底鼓規(guī)律及底鼓機(jī)理的分析，提出底板超挖錨桿加固回填的支護(hù)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(qiáng)度的混凝土層進(jìn)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(duì)07工作面巷道設(shè)計(jì)的支護(hù)方案，如圖7所示。

圖7 07工作面巷道設(shè)計(jì)的支護(hù)方案(mm)

具體支護(hù)措施：巷道底板變形逐漸趨于穩(wěn)定后，對(duì)巷道底板巖體進(jìn)行200～300mm的超挖，然后對(duì)底板施加錨桿，采用?20mm的錨桿，錨桿長(zhǎng)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(duì)底板變形的影響，巷道底板采用C30混凝土對(duì)巷道底板進(jìn)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(duì)底板的影響。

6 結(jié) 論

1)由數(shù)值模擬和位移監(jiān)測(cè)分析得出，06運(yùn)輸巷塑性區(qū)分布形態(tài)隨著距工作面距離越近，采動(dòng)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(dòng)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(dòng)變形。敏東一礦底鼓類型屬于遇水膨脹性+采動(dòng)誘發(fā)擠壓流動(dòng)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(duì)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(qiáng)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。