专题-回采巷道底鼓机理分析.doc

1、回采巷道底鼓机理分析摘要：随着采深的增加和巷道断面的增大，巷道底鼓现象越来越突出，底鼓已成为该类巷道矿压显现的重要特征，是急待解决的技术难题。本文通过FLAC3D软件进行数值模拟，展示了特定环境下回采巷道底鼓的过程和现象，另外，本文还简单介绍了回采巷道底鼓的种类和原因，为有效防治底鼓措施提供了理论依据。关键词：巷道底鼓 数值模拟 防治措施 底鼓种类 底鼓原因前言回采巷道底鼓是煤矿巷道底板常见的矿压现象之一，它会影响通风、运输和井下交通。底鼓严重的矿井需要进行繁琐的巷道翻修工作， 甚至有的巷道因底鼓严重而报废， 这会给企业带来巨大的经济损失, 甚至造成事故。在煤矿生产中， 几乎所有回采巷道都会出

2、现不同程度的底鼓，因此有必要探索引起回采巷道底板鼓的真正原因， 进而为防治巷道底鼓提供科学依据。本文首先列出了底鼓的原因和种类，并针对每种底鼓给出了现行有效的防治措施，其次，本文通过FLAC3D软件对深部软岩回采巷道底鼓进行了模拟，并分析了器成因和治理方法。1巷道底鼓研究现状1.1回采巷道现阶段我国采煤方法主要是长壁采煤，这样就必须布置回采巷道。所谓回采巷道就是工作面两侧的服务于该工作面的巷道（分为回风巷道和运输巷道），回采巷道一般和工作面的推进距离相当。本文只针对回采巷道底鼓进行分析。1.2巷道底鼓定义由于巷道的开掘，破坏了岩体原有的平衡状态，在巷道中形成了底板岩层的塑性变形而向巷道内鼓起，

3、即为巷道底鼓。由于底鼓造成巷道底板的不规则隆起，使巷道的有效断面减小， 影响工作面的运输、通风、行人及正常生产，严重时还可能引起巷道报废。图1 原始巷道断面示意图图2 底鼓后的巷道断面示意图1.3国内研究现状受采掘影响，巷道顶底板和两帮岩体产生变形并向巷道内产生位移，从而也形成底鼓。 长期以来，国内外许多专家学者对煤矿巷道底鼓机理和控制技术作了大量的研究工作，提出了许多底鼓控制技术。 但由于巷道围岩性质、应力环境、地质环境的复杂性，现有的理论还不能全部解决底鼓机理认识与防治问题，因此，针对具体条件，提出经济有效的控制底鼓措施， 这对深化底鼓机理的认识和控制底鼓是非常有用的。一般情况下巷道发生底

4、鼓现象，都采用拉底进行处理，但并没有从根本上解决问题，只是在被动泄压，没有主动对底板进行支护，在巷道继续承受较大的压力或受到采动影响的情况下，巷道的底板会出现二次甚至多次底鼓。目前国内采用主动支护处理巷道底鼓方法主要有两种：（1）在砌碹巷道中主要采用料石砌碹反拱；（2）采用金属底梁进行加固, 底梁一般采用拱形。 1.4国外研究现状多年来，国外一些主要采煤国家如苏联、西德、法国、日本、波兰等均把防治底鼓问题作为重要课题之一加以研究，其防治底鼓的方法主要有：底板锚杆加固法；底板钻孔注浆加固法；底板卸载法(包括开底板卸载槽、底板卸载钻孔、底板卸载爆破等)，巷道侧壁应力释放法（包括巷道侧壁打连续深孔或

5、巷道两侧开一定深度的小毛炯以减少巷道周围的应力集中）；封闭式拱形、梯形可缩性金属支架等。1.5存在问题现阶段，巷道底鼓问题没有统一的解决方案，也没有形成系统的理论，只是针对某一个具体的环境下巷道发生底鼓，并对其进行研究，找出解决方法。2巷道底鼓成因、分类和治理2.1巷道底板所处的环境分类1.按巷道围岩类别分类根据我国回采巷道围岩稳定性分类可知，回采巷道围岩可分为五类，所以巷道底板也被分为五类：（1）类底板多由砂岩、粉砂岩或砂质页岩构成，非常坚硬，强度大，很稳定。（2）类底板多由砂质页岩、砂岩或致密页岩构成，强度较大，稳定。（3）类底板多由页岩或砂质页岩构成，较稳定。（4）类底板多由粉砂岩、砂质

6、泥岩构成，稳定性较差。（5）类底板多由泥岩、页岩及层理和节理十分发育的砂质页岩组成，松软，有底鼓出现。2.按底板岩层的结构分类（1）碎裂结构（2）薄层状结构（3）厚层状结构3.按煤层埋藏深度分类（1）浅埋煤层（2）深埋煤层4.按地质构造分类（1）受到褶皱影响底板；（2）受到断层影响的底板；（3）受到地下水侵害的底板；（4）受到采动影响的底板。2.2巷道底鼓原因引起巷道底鼓的原因大致可以分为三种：岩层含水，弹性应变变形，破坏变形。1.岩层含水按照L.缪勒-萨尔兹堡的定义，底鼓仅仅是指由于水而引起的底板鼓出，特别是含有白云母-伊利石的粘土，当其含水时体积增大。而其它的含矿岩层，如硬石膏，是通过化学

7、反应使其体积增加的。岩层含水会对岩层产生下列影响：（1） 减少了岩石裂隙间的摩擦，导致了强度的减弱；（2） 减少了层面间的摩擦（形成了滑移层面），将致密岩层分为薄层；（3） 使岩石结构松散（对于易受水损害的页岩岩层强度可损失100%）；当水在底板岩层间流动时，这种岩性的改变更为突出。当底板有适当的水而底板岩体没有遭到破坏时，则影响较小。因为J.柏林通过对泥岩试样的研究证明：没有破碎的岩层在垂直层理方向的透水性实际上等于零。根据H.克纳兹可以知道煤层围岩受到水的影响后，其透水性、膨胀性、强度的改变以及破坏情况。2.弹性应变变形由于掘进了巷道，使岩体的原岩应力状态受到了干扰，在巷道空间的周边形成了

8、新的垂直与水平应力高峰。根据弹性圆孔理论，在不利的情况下（侧向压力系数=1），在巷道空间周边的底板（及在顶板）所作用的切向应力，相当于未开采时岩石压力的两倍。在以后的计算中将使用此值。当巷道周边处切向作用应力比岩石的强度小时，形成了巷道空间周边的弹性应变变形。G.爱维林对一个均值体中圆形巷道进行了计算，岩石形成的弹性位移很小。U.老伯通过对成层材料的模拟试验，模拟一个6米宽的矩形断面巷道的底板，确定出底板的垂直方向弹性应变变形为5至10毫米。3.破坏变形从大量的巷道模型试验中，可以观察到巷道围岩的破坏及其过程。岩体中由于开掘巷道，故可将岩层分为被切割的和未被切割的岩层。对于被切割岩层，它可以向

9、平行于层理的方向延伸。在缓斜岩层中，被切割层的厚度即为巷道开掘的高度，而未切割的岩层（即在平行层理方向不可能延伸的岩层）则是指巷道的顶板和底板。（1）首先是开掘巷道的被切割岩层（指巷道两帮），由于垂直应力而被压裂。它既表现为滑移破坏，又表现为断裂破坏，或者是两者的综合。在巷道空间两侧的水平应力接近于零。（2）而后巷道的顶板和底板，由于水平应力的作用将向巷道内鼓出。其中又首先是巷道的直接底板岩层遭到破坏，然后是更下面的岩层。作用于这些地区的水平应力，此时由于底板的破坏已在相当大程度上卸载了。此时可理解为被切割的岩层厚度增加了巷道底板岩层鼓起的厚度。（3）对巷道底板更深处的岩层，由于水平应力而将继

10、续向巷道空间鼓出，最后达到底鼓的最终破坏深度。由于在平行层理的进一步卸载，致使被切割岩层的厚度再次增加。在巷道底板发生褶皱以后，由于褶皱而使水平应力降低，由于垂直应力的作用，是两侧的裂缝继续延深，并一直到发生褶皱的水平。也就是说，在那里形成了新的裂缝与楔形破坏区。（4）在巷道两侧及在巷道底板发生褶皱处的裂缝（被切割岩层的整个区域）发生了错动。这种错动挤压着岩层向巷道空间方向运动，因而形成了巷道两侧的位移与底鼓明显地增加。这种挤压式由于垂直应力作用的结果。每一种减少顶板下沉、侧帮位移或底鼓的支护措施，都对整个巷道周围发生的破坏有影响。所以其共同点是：当采用一种措施可以使巷道底鼓显著地减小，或当巷

11、道侧帮岩体的移动受到阻碍时，则巷道两侧的裂缝与楔形裂隙体同样显著减少。减少裂隙与楔形破坏区，也即意味着两帮位移及顶板下沉比较小。要想使底鼓量更小些，还必须使用致密的壁后充填。在软岩中，当巷道底板阻止了由于应力解除形成的破坏，将导致较大的侧帮位移和顶板下沉。在硬岩层中，当底板被控制不发生剪切破坏，则不会形成剧烈的侧帮位移与顶板下沉。相反对底板破坏的控制，可以改善巷道的围岩性能。2.3巷道底鼓分类根据国内有关资料的综合分析，由于巷道所处的地质条件、底鼓围岩性质和应力状态的差异，底板岩层鼓入巷道的方式及机理也不相同。1.挤压流动性底鼓挤压流动性底鼓通常发生在直接底板为软弱岩层(如粘土岩、煤等)，两帮

12、和顶板比较完整的情况下。在两帮岩柱的压模效应和应力的作用下，或者整个巷道都位于松软破碎的底板岩层向巷道内挤压流动。其力学模型如图3和图4所示。图3 挤压流动性底鼓图4 挤压流动性底鼓2.饶曲褶皱性底鼓饶曲褶皱性底鼓通常发生在巷道底板为层状岩石，其底鼓机理是底板岩层在平行层理方向的压力作用下，向底板临空方向饶曲而失稳，其力学模型如图5所示。底板岩层的分层越薄，巷道宽度越大，所需的挤压力越小，越易发生饶曲性底鼓。图5 挠曲褶皱性底鼓3. 剪切错动性底鼓剪切错动性底鼓主要发生在直接底板。即使是整体性结构岩层，但在高应力作用下，巷道底板也易遭到剪切破坏，或者在巷道底角产生很高的剪切应力而引起楔形破坏，

13、其力学模型如图6所示。图6 剪切错动性底鼓4. 遇水膨胀性底鼓遇水膨胀性底鼓都发生在矿物成分含蒙脱石的粘土岩层，它与前述的各类底鼓的主要区别为底鼓是由底板吸水膨胀引起的，底鼓的机理不同，治理方法也应有所不同。2.4巷道底鼓治理措施对巷道底鼓的防治，国内外学者提出了好多种方法和途径。总体上可概括为加固法和卸压法2大类。加固法主要有底板锚杆、底板注浆、加固的底板碎石垫层、混凝土反拱等，卸压法主要有底板切缝、底板钻孔等。1. 底板锚杆所谓底板锚杆，就是用一定规格的锚杆来锚固底板，对于不同的地质条件锚杆的类型和锚固密度不同，它的机理一方面可以防止底板岩石的破碎，另一方面是将较软弱的直接底与深层较坚硬的

14、老底连在一起。底板锚杆适用范围如下：（1）底板系数3；（2）巷道掘进速度5m/d；（3）单侧和双侧的前进式或后退式回采巷道。2. 底板注浆矿井注浆主要用来加固破碎岩石，提高其抗变形能力。当底板岩石受到超过本身原始结合强度的压力而产生裂隙和裂缝（在岩石的薄弱环节上）时，才可以进行注浆。按注浆实际情况，选用的注浆介质、注浆压力和时间长短的不同，岩石中的裂隙和裂缝会部分地或全部地 封闭起来。若注浆压力超过岩石的抗压强度，还会出现新的裂缝，并有灰浆压入。其使用情况如下：（1）在折皱范围内平行层理方向的应力大为减弱的情况。（2）底板不注浆，楔形破坏不断加大、两帮岩石的挤压，可能引起底板继续破坏。（3）因

15、软岩底板注浆效果不佳，所以要求底板系数3；3. 加固的底板碎石垫层这种措施的实质是，在巷道底板中形成一个厚的均质卸压区，并随后用碎矸石加固该去。其做法是，先在钻孔中装少量炸药爆破底板岩石，由于爆破完全破坏了岩层的层理，随后由于用水泥浆又把碎块岩石固结起来，故形成了某种砾石类的岩石。这种砾石类岩石受侧压时，将不会出现向上折皱的破坏，而是由于裂缝的作用使其错动和开裂成坚实的岩块。当裂缝只是造成滑移破坏时，就会出现平缓的重叠错动，而这种平缓重叠错动所形成的底鼓要比褶皱型底鼓的危害性小些。此外，砾石类岩石的结合强度比层状岩石高。其使用范围如下：（1） 底板系数为3到6的岩石；（2） 不能在有轨道或其他运输设备发生歪斜的巷道中使用；（3） 可以在已掘好底板已经开裂或已经破碎的巷道中使用。4. 混凝土反拱该种方式是在巷道底板上先挖出矩形坑槽，然后再填以遇水硬结的材料，使之成为混凝土反拱，这种底板支护，具有较高而且均匀一致作用于底板上的支护阻力。加装可伸缩支撑件可进一步加强混凝土反拱，使其获得更大的抗底鼓的残余变形阻力。没有灌