瓦斯尾巷底鼓机理及底鼓量构成分析①

许海涛 李 昊 康怀宇

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

1 概述

贺西矿3303工作面运输平巷、材料平巷、瓦斯尾巷均布置在3#煤层中，方位301°，其中切眼与两巷 (材、运)垂直布置，瓦斯尾巷与运输平巷间留设30m宽保护煤柱，如图1所示。该矿属于高瓦斯矿井，3303工作面实行两进一回系统，瓦斯尾巷即作上一个面回采时回风用，又作下一个工作面的材料巷使用，两次使用，服务时间较长。随着回采工作的向前推移，瓦斯尾巷底鼓非常严重，底鼓量最大可达1.2m，严重影响下一工作面的正常使用。在下一工作面使用前需要重新拉底和维护，造成了人力、物力、财力的大量浪费，严重影响采掘正常衔接，为此分析巷道底鼓机理及底鼓量构成，以制定有针对性的治理措施。

图1 3303工作面巷道布置示意图

2 瓦斯尾巷底鼓影响因素分析

巷道底鼓的原因通常在于两个方面，一个是围岩岩性及地质条件 (自然因素)，另一个是巷道布置、施工和支护措施(人为因素)。由于影响巷道底鼓的因素很多，不同巷道底鼓的原因有着一定的差别，因此必须结合巷道所处的特定条件来分析底鼓原因。根据现场3303工作面地质条件、巷道布置情况等，分析瓦斯尾巷底鼓的影响因素。

2.1 围岩性质［1］

根据煤层综合柱状图，3#煤层顶板第一分层为4.97m厚的黑色泥岩，第二分层为7.2m厚的黑色砂质泥岩，3#煤层底板第一分层为3.57 m厚的黑色泥岩，第二分层为4 m厚的4#煤层。根据现场取样分析，3#煤层顶底板赋存的黑色泥岩属于炭质泥岩。炭质泥岩工程性质主要表现风化快、强度低、遇水崩解严重、具活化作用等，瓦斯尾巷底板炭质泥岩工程性质是3#煤层工作面巷道发生严重底鼓的重要地质原因。

2.2 水

水对巷道底鼓的影响主要通过水理作用表现出来。开挖巷道的松动作用，在底板中形成许多裂隙，当水进入后，减少了岩块间的摩擦力，致使岩体进一步破碎、松散，破坏了其完整性，使承载能力大大降低。水还减小层间粘结力，从而形成滑移面，使岩体分层，降低了岩体的抗拉压能力，易于引起底鼓。

2.3 巷道布置［2］

在3303工作面巷道布置系统中，运联平巷与瓦斯尾巷之间留有30 m宽的保护煤柱，根据对工作面侧向应力分析可知，在瓦斯尾巷两侧的实体煤和煤柱上形成如图2所示的应力分布曲线。在30m宽的煤柱上形成了双驼峰的应力分布曲线，由于应力的叠加作用在煤柱侧的应力峰值要比实体煤侧的应力峰值大一些。这种巷道布置形式，造成瓦斯尾巷两侧存在高应力集中，尤其是保护煤柱一侧的应力集中更大，最终造成了瓦斯尾巷的严重底鼓。

2 采动后工作面侧向集中应力分布曲线

2.4 支护型式［3］

在贺西矿采取的一些底鼓治理措施中，如打底板锚杆，由于锚杆布置在松散、软弱、裂隙发育的软岩中，粘结剂不能保证锚杆与钻孔间形成有效的全面粘结，从而导致锚杆总的有效粘结长度较小，降低了锚杆的粘结阻力;同时由于粘结剂凝结体的不继续性，使应力传递沿锚杆长度方向的连续性遭受破坏，最终造成锚杆抗拉拔阻力的大大降低。支护型式存在不合理性和不适应性。支护方案的失败也是发生底鼓的重要人为因素。

3 瓦斯尾巷底鼓机理分析

3303工作面瓦斯尾巷底鼓受多种特定条件影响，形成膨胀型及挤压流动型底鼓，可以推知巷道底鼓按如下过程发展［4］。

1)开巷后巷道底板浅部一定范围的岩层破坏，巷道掘进一般采用打眼放炮的方式进行，爆破使得巷道表面浅部一定范围内的围岩裂隙增生扩大甚至破坏，从而导致这部分围岩强度降低。同时巷道掘进的过程又是一个围岩应力不断调整的过程，在这个过程中围岩切向应力增加。这两方面共同作用使得巷道表面浅部一定范围的岩层破坏，形成巷道围岩“即时松动圈”，在这一阶段将产生少量的底鼓。

2)水的作用使巷道底板围岩破坏范围加大，当巷道底板围岩出现一定的松动范围后，围岩裂隙的大量存在，使得水在岩石中的渗透流动成为可能。随着水对岩石的侵蚀，底板岩石强度又进一步降低，强度降低后的岩石在岩层水平应力的作用下又进一步被破坏从而使得水更容易进入底板更深部的岩层，增加了水与岩石的接触面积，加剧了岩石的水理作用，使得更大范围内的底板岩层强度降低，底板岩层的破坏范围也随之加大。［5］因此，水的作用是一个使巷道底板岩层强度不断降低和不断破坏的过程。

3)集中应力作用下两帮和底板围岩向巷道空间运动，当巷道围岩一定范围内的围岩已松动破坏后，巷道围岩的集中应力向巷道围岩深部转移。当深部围岩受集中应力的作用也进入峰后变形阶段时，它们将释放大量的弹性变形能，从而推动浅部围岩向巷道空间运动，使浅部围岩出现大量的滑移、错动、转动变形，同时，集中应力又进一步向围岩更深处转移。这样持续作用的结果是越靠近巷道表面，围岩产生的位移越大，岩体破坏越严重，而集中应力则逐渐减小，直至在巷道表面处径向应力变为零［5］。

4 瓦斯尾巷底鼓量构成分析

根据前文对瓦斯尾巷底鼓影响因素及底鼓机理分析，3303工作面巷道底鼓量主要由底板围岩弹塑性变形引起的底鼓量、底板围岩破坏前扩容引起的底鼓量、底板围岩破坏后峰后变形引起的底鼓量、围岩中的粘土类矿物遇水膨胀引起的底鼓量构成。

4.1 弹塑性变形引起的底鼓量

弹塑性变形引起的底鼓量可以把原巷道看作圆形巷道来探讨。根据弹塑性理论［2］，双向等压情况下，巷道的周边位移的计算公式(1):

式中:u—巷道周边位移;a—巷道半径; φ—内磨擦角;G—剪切弹性模量;P—原岩应力;c—粘结力;Pi—支护阻力。其中，G=E/2 (1+υ)，E—弹性模量，υ—泊松比。

4.2 底板岩层峰前扩容及峰后剪胀变形引起的底鼓量

岩石的峰后扩容可以导致大量级的底鼓。为了对岩石峰后剪胀引起的底鼓量有一个大致的了解，现根据巷道围岩松动圈理论［6－7］作一估算。一般说来，由岩石峰前扩容和峰后剪胀引起的底鼓量主要和底板岩层的松动范围、岩层应力的大小和岩石膨胀系数有关，可以用式 (2)来估算它们引起的底鼓量的大小:

式中，Ud为由于岩石扩容、剪胀引起的底鼓量;ξ为岩石的膨胀系数 (一般取0.05～0.5，这里取0.32);Lp为底板围岩的松动范围取4.8m;P0为原岩应力，为9.8 MPa;Ra为底板岩层的单轴抗压强度，大小为10.6 MPa。底板岩石为炭质泥岩时，经过计算，软化状态下Ud=545.68mm。

4.3 软岩遇水引起的底鼓量

水主要渗透到已发生剪胀变形的围岩中，即渗透区域主要是底板围岩的松动范围，因此，可以在巷道围岩松动圈的基础上来进行估算。其计算公式如式(3):

式中，Uf为底板岩层遇水膨胀产生的底鼓量;KS为自由膨胀率;Lp为底板围岩的松动范围(4.8 m);P0为原岩应力(9.8 MPa);Ra为底板岩层的单轴抗压强度 (10.6 MPa)。通过计算，软岩遇水底鼓量，Uf=656.35 mm。

若不考虑时间因素的长期影响，则3303工作面瓦斯尾巷底鼓量主要由弹塑性变形引起的底鼓量、巷道围岩剪胀变形引起的底鼓量和岩石遇水膨胀引起的底鼓量三部分组成。考虑巷道底板为炭质泥岩的情形，则总底鼓量为1213.8755 mm，它们三者各自所占的比重分别为 1%、45%和54%。由此可见，贺西矿3#煤层工作面巷道底鼓量主要来自巷道围岩剪胀变形、遇水膨胀和流变。

5 结论

1)根据对3303工作面瓦斯尾巷底鼓情况的分析，底鼓的主要影响因素有围岩性质、水、巷道布置、支护型式等。

2)研究巷道底鼓的整个过程，得到瓦斯尾巷底鼓机理:在膨胀型软岩的特殊围岩条件下，由于水的作用使巷道底板围岩破坏范围加大，再加上集中应力的作用，最终导致了巷道的严重底鼓。

3)3303工作面瓦斯尾巷底鼓量主要由底板围岩弹塑性变形引起的底鼓量、底板围岩破坏前扩容引起的底鼓量、底板围岩破坏后峰后变形引起的底鼓量、围岩中的粘土类矿物遇水膨胀引起的底鼓量构成。

4)根据对3303工作面瓦斯尾巷底鼓机理及底鼓量构成的分析，为后续瓦斯尾巷底鼓治理提供理论依据。

［1］ 何满潮.软岩工程力学［M］.北京:科学出版社，2002

［2］ 陈炎光，陆士良，何朝炯，等.中国煤矿巷道围岩控［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1994

［3］ 马念杰，候朝炯.采准巷道矿压理论及应用［M］.北京:煤炭工业出版社，1995

［4］ 姜耀东，陆士良.巷道底鼓的机理研究 ［J］.煤炭学报，1994，19(4):343－351

［5］ 李树清.葛泉矿软岩大巷底鼓机理及控制研究［D］.中南大学，2004

［6］ 董方庭，宋宏伟，郭志宏，等.巷道围岩松动圈支护理论［J］.煤炭学报，1994，19 (l):21－32

［7］ 宋宏伟，郭志宏，周荣章，等.围岩松动圈巷道支护理论的基本观点［J］.建井技术，1994，(4):3－9