1、动压巷道底鼓控制技术研究摘要：巷道受掘进或回采影响，常使顶底板和两帮岩体产生变形并向巷道内产生位移。巷道底板向上隆起的现象称为底鼓。在煤矿生产中，几乎所有回采巷道都会出现不同程度的底鼓，尤其随着近些年来煤炭开采逐渐走向深部，进而地应力相应增大，巷道底鼓问题日趋突出严重，从而暴露出很多影向煤矿安全生产的问题。底鼓是煤矿井巷中常发生的一种动力现象，它与围岩的性质、矿山压力、开采深度及地质构造等直接相关。底鼓问题给深采矿井，特别是软岩矿井的建设和生产的正常进行带来极大困难，使巷道变形、断面变小，影响 通风、运输，制约矿井安全生产。关键词：动压巷道 底鼓 防治 支护1.巷道底鼓的产生1.1巷道底鼓类型
2、及机理1.1.1深部巷道底鼓发生的机理随着浅部资源的逐渐减少和枯竭，地下开采陆续转入深部开采，国内外深部开采的实践表明，开采深度为800l000m时，巷道变形量可达10001500mm。理论分析表明：随开采深度增大，易于产生底鼓的巷道比重越来越大，深部开采的巷道变形量随开采深度增大呈近似直线关系增大，底鼓量及其在顶底板相对位移量中所占的比重随开采深度的增大而增大，见图1、图2 。图1巷道变形量随采深变化理论曲线图2 底鼓量所占比重与开采深度关系1.1.2巷道底鼓的类型大量的现场观测和实验室试验研究表明，由于巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态的差异，底板岩体鼓入巷道的方式及其机理也不同，
3、一般可分为以下四类：1）挤压流动性底鼓。有些巷道直接底板为软弱岩层，两帮和顶板岩层结构完整，强度大大高于底板的强度，底板软弱岩层会因挤压而流动到巷道内。如淮北芦岭矿二水平6号交岔点，巷道直接底为厚度6m、浸水后强度极低的粘土岩，在原岩地应力的挤压作用下，巷道底鼓量高达1200mm，而顶帮的收敛量只有20mm左右，属于挤压流动性底鼓。其力学模型见图3（a）2）挠曲褶皱性底鼓。当底板岩层为层状岩体时，即使时中硬岩体，当应力状态满足一定的条件时也可能发生底鼓。其机理是底板岩层在平行层理方向的压应力作用下向底板临空方向鼓起。底板岩层的分层越薄，巷道宽度越大，所需的挤压力越小，越易发生挠曲性底鼓，其力学
4、模型见图3(b)。3）遇水膨胀性底鼓。膨胀岩石是指那些与水的物理化学反应有关并随时间发生体积增大的岩石，主要是粘土岩，其矿物成分中含有物理化学性质活泼的蒙脱石。由于煤矿巷道经常积水，当巷道底板为膨胀岩时会引起膨胀性底鼓。要完全控制由于膨胀引起的底鼓，支架必须有很高的支护阻力。若允许存在一定的底鼓量，支护阻力可显著减少。4）剪切错动性底鼓。当巷道直接底板为完整岩层且厚度大于1/7巷道宽度时，在较高的岩层应力作用下，常使底板出现剪切破坏，由此形式的楔块岩体在水平应力挤压下产生错动而使底板产生的鼓起称为剪切错动性底鼓，其力学模型见图3(c)。1.2巷道底鼓的影响因素1）围岩性质：围岩性质和结构对巷道
5、底臌起着决定性作用，底板岩石的坚硬程度和厚度，决定着底鼓量的大小。当围岩中的应力低于围岩的强度时，围岩只产生弹性变形而不产生破坏。在巷道底鼓不进行支护底板有积水和来往车辆的震动等因素的影响下底板岩层的破碎范围继续加大而巷道两帮岩柱在上部岩石压力作用下，促使底板岩石产生滑动，挤向巷道空间。图3巷道底鼓类型和力学模型示意图2）地压（围岩应力）：围岩中存在高地压是造成巷道底鼓的决定性因素，深部巷道遇到底鼓的情况比浅部巷道多，这完全是由于地压增高所致。位于残留矿柱下面的巷道也有底鼓的现象，这是因为存在着一个高地压带。在地压中，构造应力的基本特点是以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性水平应力是影响巷
6、道底板鼓起、两帮内挤的主要因素。在软岩和厚煤层中，底板岩层在水平应力作用下与形成褶曲构造相类似，向巷道空间鼓起。如果底板岩层呈粘塑性变形，底板岩层进入蠕变状态。高水平应力是造成底板岩层破坏和强烈底鼓的主要原因。3）水对岩石强度的影响：浸水后的巷道底板往往产生严重的底鼓，主要是由于水的作用减少了岩石层理、节理和裂隙问的摩擦力，使岩石的整体连接强度降低，使岩体沿岩层的节理面、层理面和裂隙面形成滑移面，并将原来层间连接紧密的岩体分为很多薄层，甚至完全丧失强度 ，岩石中的某些矿物成分遇水产生膨胀。一般表现为3个方面：底板岩层浸水后，其强度降低，更容易破坏；泥质胶结的岩层，浸水后易破碎、泥化、崩解，甚至
7、强度完全丧失；当底板岩层中含有蒙脱石、伊利石等膨胀性岩层时，浸水后会产生膨胀性底鼓。因此，巷道积水的治理是控制巷道底鼓的重要环节。4）支护强度：一般巷道的底板处于不支护状态，主要是因为总是认为只要支护顶板和两帮就安全了，底鼓无关紧要；另外锚固底板施工比较困难，出矸石工作量大一旦支护控制不住底臌 ，卧底时的工作量大。这是底鼓大于顶板下沉量的主要原因。 5）巷道的大小和形状：特别宽大的巷道比窄巷道易发生底鼓，然而，巷道的宽度是由采矿作业而决定的。在某些情况下，特别是辅助巷道，宽度能保持在一定限度以内，而通过增加巷道高度使横截面保持不变。6）地温增高：地温增高是矿井开采深度增加时出现的突出问题之一。
8、从一般地热增温看，每增加100m深度，温度增高35 ，在采深大的情况下，地温达3050。在这样的环境中，可出现两种不利情况：高温会促使岩石从脆性向塑性转化，使围岩产生塑性变形；巷道内水气增多，使围岩软化。在深部高应力条件下，若只加强顶、帮的支护，就易于产生底鼓。2、巷道底鼓的防治2.1巷道底鼓治理的重要性目前巷道顶板下沉和两帮内移能控制在某种程度内，而防治底鼓仍缺乏经济有效的办法。在底板不支护的情况下，巷道顶底板移近量中约2/33/4是由底鼓造成的。强烈的巷道底鼓不仅增加大量维修工作，增大维护费用，而且还影响矿井安全生产。1）煤矿巷修工作对煤矿采区工作面生产的影响煤矿采区工作面上、下顺槽或顶板
9、回风巷，如果受矿山压力的影响，井巷变形，失修严重，使井巷净断面减小，就会使采区工作面风量减少，从而使采区工作面与瓦斯及其它有害气体浓度增大，给采区工作面生产造成重大隐患。另外采区工作面风量减少就会使采区工作面空气温度升高，给井下矿工生产带来诸多不便，从面影响采区工作面正常生产。如某矿30024外段工作面上顺槽巷道底鼓变形，浮煤较多，上切割口向外100多米井巷高度仅有1.1m1.5m，造成采区工作面通风量减少，瓦斯浓度经常超限，使该采区工作面无法正常生产。2）煤矿巷修工作对矿井运输系统的影响。煤矿井下主轨道巷，主皮带巷等运输系统是煤矿生产的“大动脉”。它对保证井下材料供应，煤炭运输起着重要的作用
10、，煤矿井下轨道运输巷道及皮带运输巷道，如果不经常进行维修，加强支护，就会出现巷道挤压变形，片帮甚至冒顶等堵塞井巷事故的发生，从而影响了煤炭生产，如某矿三水平主皮带巷受30024外段工作面采动影响，局部巷道挤压变形严重，原金属U型棚支架梁距离顶皮带最低处仅有0.30.4m高，遇有大块煤(矸)经过时就会堵塞，使主皮带无法正常运转，再加上该巷道上段锚喷支护巷道年久失修，支护强度降低，导致冒顶事故经常发生，严重影响了煤炭运输，制约了井下煤炭生产。3）煤矿巷修工作对矿井井巷中行人的影响。煤矿井下巷道受地质条件的影响，随着原支护服务年限的增长，支护强度就会大大减少，如果不及时对巷道进行维修，巷道就会出现片
11、邦、脱层、掉矸甚至冒顶，给井巷中行走的人员造成威胁，对煤矿安全工作造成影响。因此，煤矿巷道维修工作的好坏直接影响着煤矿采区工作面。运输系统及井巷中行人安全，是保证煤矿安全生产的一项重要工程。2.2底鼓治理的方法巷道底鼓的防治措施是在巷道产生显著底鼓之前，采取一些措施阻止底鼓的发生和延缓底鼓发生的时间，或在巷道产生底鼓显著之后，采取一些措施减小和控制底鼓。为了保持底板岩层和整个巷道围岩的稳定性，应以预防为主，治理为辅。大致来说，巷道底鼓的防治措施可分为两个方面。一方面将巷道已底鼓的部分清除即起底。 它是现场应用很广泛的一种治理底鼓的方法，是一种消极的治理底鼓的措施在具有强烈底鼓趋势的巷道中，往往
12、需要多次起底，但并不能完全制止底鼓 ，不仅起底工程量大、费用高，而且还影向两帮及顶板岩层的稳定性和矿井的正常生产。另一方面是采取措施消除底鼓。目前防治底鼓的措施主要从降低巷道围岩应力，加固围岩或保持围岩的强度这两个方面考虑。 不同工程背景下的巷道围岩，其力学性质、应力环境等也必然不同。虽然都有发生底鼓的现象，但其不稳定的原因或其主要作用因素是不相同的。这就需要针对不同特点的巷道，研究其发生底鼓的机理，判断不稳定因素进行底鼓的防治。2.2.1.合理的巷道布置巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。 因此，在构造应力影响较强烈的区域 ，要重视巷道布置方向，依靠正确调
13、整巷道方向与构造应力方向问的关系，削减构造应力对巷道围岩稳定性的影响。从巷道围岩控制的角度出发，布置巷道时应重视下列问题： 在时间和空间上尽量避开采掘活动的影响，最好将巷道布置在煤层开采后所形成的应力降低区域内。如果不能避开采动支承压力的影响，应尽量避免支承压力叠加的强烈作用，或者尽量缩短支承压力影响时间。在采矿系统允许的距离范围内，选择稳定的岩层或煤层布置巷道，尽量避免水与松软膨胀岩层直接接触。 巷道通过地质构造带时， 巷道轴向应尽量垂直断层构造带或向、 背斜构造。 相邻巷道或硐室之间选择合理的岩柱宽度。 巷道的轴线方向尽可能与构造应力方向平行 ， 避免与构造 应力方向垂直。 2.2.2.卸
14、压法卸压法的实质是采用一些人为的措施改变巷道围岩的应力状态， 使底板岩层处于应力降低区， 从而保证底板岩层的稳定状态。它特别适用于控制高地应力的巷道底鼓。 目前出现的卸压法有切缝、打钻孔、爆破及掘巷卸压等形式。打钻孔这种措施在技术上有很大难度，因为在钻孔间距很小的情况下，打直径为 5060 ram的孔而不发生偏斜是非常不容易的。此外这种措施的卸压范 围比底板切缝小， 因而要考虑到钻孔后发生底鼓的可能性。 以偃龙矿区永华一矿为例：偃龙煤田地处嵩山西麓，地质构造复杂，由于是典型的滑移构造，造成煤层赋存极不稳定，且对该地区煤系地层的煤岩物理力学性质影响较大，表现为极强的三软(顶板软、煤层软、底板软)
15、特性。这种状况对永华一矿回采巷道的支护及工作面的回采造成了很大的困难。现针对豫西三软煤层巷道底鼓问题，采用正交数值试验方法，确定影响巷道底鼓的主次因素及水平，对底板钻孔卸压参数进行了数值模拟优化，取得了较好的底鼓治理效果。根据永华一矿12021、12061、12081工作面掘进和支护过程中遇到的问题，依据观测资料分析及现场调研结果可知，回采巷道支护具有以下特点：(1)煤层松软，呈蜂窝状分布，且煤体易风化；煤层顶底板很大范围内没有坚硬岩层。井下个别地段出现漏顶现象，造成支架不接顶，支护效果差。由于回采巷道支护困难，造成回采工作面推进速度慢；加上采空区顶板出水，更加剧了软岩巷道的变形破坏。(2)巷
16、道围岩体属于典型的三软煤层，尤其是在受到外界因素作用时，围岩岩性更差。巷道围岩体有较强的蠕变特性，在掘巷初期围岩变形进入相对稳定的低速率变形阶段，但随着时间的延长，围岩变形的速率逐渐加快，变形进入难以控制的加速蠕变阶段。回采巷道支护问题是限制永华一矿安全、高效生产的“瓶颈”。采用工字钢刚性支护、U29型钢可缩性支护等均不能有效控制围岩的大变形。为此，提出了底板钻孔卸压的支护方案，采用数值模拟技术对钻孔深度进行优化。为了简化问题，采用平面应变模型，轴向尺寸0.3 m，巷道轴向完全约束。模型水平宽60 m、高40m，巷道位于模型正中：宽度为5.0m，高度为4.0m。模型顶部施加铅直应力，两侧边界施加水平应力，底部边界为固定约束，如图4。顶板和两帮采用锚杆支护，间距0.8 m，锚杆长度2.5 m
