河南铁生沟煤矿岩巷底鼓机理与防治对策

邹正盛，王振义，郑清洁，李庆波，高卫亮

(1.河南理工大学深部矿井建设开放实验室，河南焦作 454003;2.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003;3.河南理工大学计算中心，河南焦作 454003;4.黄河交通学院，河南焦作 454950)

随着南部采区煤炭资源的枯竭，铁生沟煤矿采区逐渐向东北部部署。东北部的东翼13和15采区6条下山巷道布设在L7灰岩中下部，顺其倾向扎进北部山脉里，并向着大型逆断层牵引向斜的轴部延伸，长度均为1 500 m，埋深450～710 m，采用锚喷支护。但是，在每条已掘的约一半长度的巷道里，由浅往深，底鼓越来越严重，巷道收敛加剧。变形最严重处，巷道只可容1人艰难通过。联络巷和躲避硐室变形更加严重。因此，在锚喷支护的基础上，随着巷道向延深掘进，不得不增加拱顶锚索。伴随底鼓加重，片帮、顶裂或离层掉块也越来越严重。

底鼓是深部巷道破坏的常见形式，因此，底鼓机理、原因、对策和防治技术等成了底鼓研究的热点。康红普等［1］基于弹塑性薄板理论研究巷道底鼓的挠曲效应，认为底鼓是在垂直底板的均布力作用下，底板失稳并向巷内挠曲的结果。姜耀东等［2］认为，垂直应力σV和水平应力σH都可能引起底鼓，并根据现场观测、物理模拟和数值模拟的研究成果，将深井巷道底鼓机理归纳为4种基本类型:挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、遇水膨胀性底鼓、剪切错动性底鼓，认为挠曲褶皱性底鼓是在平行于层理方向的压力作用下，底板向临空方向挠曲褶皱而失稳。李树清等［3］对位于向斜轴部的葛泉店-190 m南翼运输大巷底鼓进行分析，认为围岩性质、水和支护形式是底鼓的主要因素，原锚喷支护不能使围岩形成承载环，提出改变围力学性质、控水、改善锚杆着力基础、缩小围岩塑性区的底鼓控制途径，采取全断面注浆与帮角锚杆加固相结合的办法实施对底鼓的控制。郑西贵等［4］通过建立巷道底板滑移线与速度场模型，略去水平应力的影响，研究挠曲褶皱性底鼓深化规律，提出增加底板强度，应用反底拱锚固梁加锚注控制底鼓场。张后全等研究认为［5］，高应力由两帮向底板传递，底板在高应力作用下断裂隆起。何满潮等［6］将底鼓机理分为膨胀型底臌和应力型底臌两种，认为应力型底臌主要是由巷道围岩压力引起的底板变形所致，并细分为挠曲性底臌和剪切滑移底臌，认为层状结构底板易发生叠板式挠曲性底臌，块状结构底板易产生剪切滑移底臌，松软破碎的岩体可发生挠曲性底臌和剪切滑移底臌。

与进展十分缓慢的巷道底鼓机理研究相比，底鼓防治技术的研究十分活跃。目前已试验成功了很多控制底鼓的方法，如加固法(底板注浆、底板锚杆、封闭式支架、砌碹及混凝土反拱等)、卸压法(底板切缝、两帮切缝、打孔、松动爆破及卸压煤柱等)、巷旁充填法。对于深部严重底鼓，近些年来提出了多种联合法［4～5，7］。

本文基于现场调研，查明巷道工程地质条件，运用复合材料力学和弹性稳定理论，从开巷后底板重分布应力与层状底板相互作用出发，对铁生沟岩巷底鼓机理进行新的诠释，进而提出针对性的防治对策。

1 工程地质条件

1.1 地层岩性与工程地质岩组

从矿井勘探资料可知［8］，巷道围岩为上石炭统太原组砂泥岩和灰岩，倾向近N15°W，倾角10°左右。从巷道揭露的岩性看，巷道帮顶围岩以L7灰岩为主，两帮下部可见煤线和软夹层，底板为泥质砂岩和砂质泥岩。值得注意的是，研究区L7灰岩厚度变化大，一般为4.5～11.7 m。根据巷道围岩的工程地质特性，将其划分为3个工程地质岩组:

(1)灰岩组。主要由L7灰岩组成，中等厚度，层理较发育，沿层面有错动。

(2)砂泥岩组。主要由泥质砂岩、砂质泥岩组成，层理发育，浸水后易沿层理或层面裂开。

(3)软层岩组。主要由一7、一8薄煤层、煤线和软弱夹层组成，软弱夹层中孔隙发育，水软化较快。

1.2 地下水

井田内虽有6个含水层组，但研究区巷道只位于太原组薄层灰岩含水层组中。该含水层组为岩溶裂隙承压含水层，含水性强但不均匀。研究区外200 m以内，没有发现大断裂和陷落柱等导水构造，因此不存在其它含水层地下水的导入问题。从已掘巷道看，存在局部裂隙渗水、淋水情况，个别锚杆孔渗水较大。

1.3 地质构造与地应力

根据井田地质报告［8］，铁生沟井田为轴向北西、轴面倾向北东的不对称倾伏向斜。该向斜是井田东北边界外一条错距约800 m、走向与向斜轴向平行的逆断层牵引的结果。向斜东北翼地层倾角大且构造较复杂，西南翼地层缓倾且构造简单。井田内断层少，西部有3条与向斜轴近垂直、落差20～30 m的正断层。显然，井田范围内地层曾遭受过NE—SW方向的强烈挤压。6条岩巷走向与这次挤压方向呈45°左右的角度相交，并向向斜轴部延伸。现场调查表明其变形破坏具有明显的深度效应，且岩巷的联络巷破坏非常严重，躲避巷堵塞，远较附近的岩巷所不及。由此可推断，研究区岩巷受残余构造应力场影响严重。

2 岩巷变形破坏特征

这6条下山岩巷设计长度均为1 500 m，其中15采区岩巷埋深450～710 m，13采区岩巷埋深450～680 m。主体巷道设计为直墙半圆拱形，墙高1.8 m，拱高2.3 m，净宽4.6 m，掘进宽度为4.8 m，掘进高度为4.2 m。帮顶采用锚网喷支护:锚杆直径为22 mm的等强螺纹锚杆，长1.8 m，间排距0.7 m×0.8 m，锚固剂为CK2390×2根/锚，网片为0.4×0.4的冷拔丝方格网，喷射混凝土100 mm。随着巷道压力显现加剧，巷道支护在原锚网喷的基础上，顶部和拱顶均增加了一定数量的锚索。但是，6条岩巷底板始终未支护。

2012年课题组对这6条岩巷已掘段的变形破坏进行了调研。从现场调查看，已掘进的约800 m延伸的巷道变形破坏特征主要表现在:

(1)底鼓严重且深度效应明显。随深度底鼓首先出现并逐渐加剧，严重之处巷高缩至约1.8 m。

(2)深部巷道片帮和收帮严重。巷道首先表现为帮脚内凸，进而帮脚喷层破裂。较薄喷层支离破碎(图1a)，而较厚喷层大片帮(图1b)。在片帮或收帮处，常可见软层被挤出(图1a)。

图1 岩帮的破坏Fig.1 Failure at the roadway sides

(3)平顶和掉顶。岩巷顶以灰岩为主，但深处巷道可见平顶和掉顶现象。

(4)联络巷破坏严重，躲避硐室被堵塞。图2a表明，联络巷破坏严重，底鼓尤甚，并表现出不对称性。该联络巷的破坏较主要岩巷同高程段严重，躲避硐室常因底鼓而被堵塞(图2b)。

图2 联络巷和躲避硐室的破坏Fig.2 Failure of the contact roadway and escape chamber

(5)翻修支架再次破坏，巷道底鼓依然存在。巷道虽然经过一次或多次翻修，但仍然没有逃脱再次变形破坏的厄运。这种现象在深处更甚。

3 岩巷底鼓机理

前述表明，铁生沟矿岩巷的破坏，以底鼓为先，且随深度加剧。因此，底鼓的机理是首先要弄清楚的问题。目前，对底鼓机理的认识主要基于压模效应，认为底鼓是顶板荷载通过两帮传递至底板，造成底板岩体塑性滑移所致［4，6～7］。也有把底板看作为梁或板，认为底鼓系其上均布荷载引起的挠曲所致。这些观点均忽略了底板上水平应力的作用。

煤矿岩巷多为直墙半圆拱形，可以近似用圆形代替。假设地应力为静水压力场，圆形巷道开挖后围岩处于弹性状态时刻，巷道围岩径向应力在巷壁处为0，往围岩深处渐增至原始应力，环向应力在巷壁处为2倍的原始应力，往围岩深处渐减至原始应力。取直墙半圆拱巷道底板岩层为隔离体，在巷道围岩处于弹性阶段时，这个隔离体3面受力一面临空(图3a)，其中有平行底板的压应力p、有两帮对底板的约束力R和垂直于底板上应力q。用圆形巷道应力近似说明，则p为巷道环向应力，q为巷道径向应力差。显然，在这个力系中，底板上的水平应力p远远高于垂直底板的均布力q。冯伟等采用Abaqus对直墙半圆巷道的弹塑性分析表明［9］，侧压力系数越大(k0=1～3.5)，底板的水平压应力越大。这说明，在较高构造应力条件下，底板上的水平应力占有绝对优势。

图3 层状底板受力图Fig.3 Forces acted on the floor of the roadway

铁生沟矿岩巷受残余构造应力作用，底板主要由层理发育的砂泥岩岩组组成，底板类似层合板。层合板理论表明，拉压条件下层合板的脱层与分离就是由于层界面上存在高的层间应力造成的。同理，层理发育的底板在强大的水平力作用下，将沿层理方向产生脱层，底板由厚变薄(图3b)。对于层理发育相对较差的情形，底板也存在沿层理方向劈裂剥离的可能，岩石单轴压缩条件下劈裂破坏模式就是一个例证。

薄板单向受力时(图3b的上图)，其屈曲临界荷载为［10］:

式中:D——板的抗弯刚度，与薄板弹模和薄板厚度的三次方成正比;

k——屈曲系数，与板的边界条件有关。两端铰接时k=4.0，一端固定一端铰接时k=5.42，两端固定时k=6.97;

b——薄板宽度。

从上式可看出，薄板厚度越小，板端约束越严，其屈曲临界荷载越小。

依据板的弹性稳定理论，经过脱层或剥离后的薄岩层，在强大水平力作用下，产生向巷内的挠曲与破坏，底板应力调整。如此不断脱层或剥离，并逐层挠曲与破坏，从而形成底鼓。同时，因表部围岩进入塑性状态，开挖所形成的环向应力峰便向围岩深处转移。实际巷道底板作用力，除了水平应力p、垂直应力q外，还有剪应力。弹性稳定理论表明［10］，当底板同时遭受这些力的综合作用时，其屈曲荷载会更小，更易屈曲。

由应力扩散原理可知，往底板深处，两帮对底板约束力的作用边界往底板中心移动(图3b下图)，相当于板状岩层宽度(称为有效板宽)变小，因此底板深部挠曲范围也逐渐变小。同时，随着往底板的深处，环向应力减小而径向应力增加，径向应力差q也在减小，岩层受力转三向应力，从而使其抗屈曲强度增加，底板破坏将得到阻止。底板的挠曲自然会加重巷帮向巷内收敛，并引发巷帮的喷层劈裂。由于巷帮下部收敛差大，巷帮上部起拱线处的曲率差大，因此这两处的喷层劈裂更明显(图1)。

综上分析可知，铁生沟煤矿岩巷的底鼓，是由于巷道开挖后应力重分布，在底板上产生以强大水平力为主体的复杂力系，导致底板沿层理劈裂剥离或屈曲脱层、挠曲所致。底鼓的产生进而加剧巷道帮顶变形甚至破坏。

4 岩巷底鼓防治对策

4.1 防治思想

铁生沟矿岩巷变形破坏以底鼓为先，则底鼓防治是首要的，也是重要的。底鼓的产生，底板上强大的水平应力是外因，而底板的抗屈曲强度则为内因。因此，提高底板抗屈曲荷载和削减底板上强大的水平力是防治底鼓的最根本的出发点。

研究表明［11～12］，顶帮底的变形破坏具有联动效应。底板的强化将会使帮顶围岩的应力发生改变［13］。因此，底鼓治理应从整个巷道的稳定入手，运用系统工程的观点，重点防治底鼓，同时针对底帮顶三者的协调作用关系，对帮顶进行有效的支护。

4.2 防治对策

基于底鼓控制系统工程观思想，以及从削弱底板岩层水平应力、增加底板的抗屈曲荷载出发，提出如下防治对策:

(1)采用可重复注浆技术加固底板，减跨并动态提高底板的刚度和整体性，增强底板的抗屈曲能力。

(2)布设底角锚杆(索)，削减作用在底板岩层上的水平应力。底角锚杆(索)拉力可以分解成两个分力，分别增强R和削减作用底板上的水平力。从式(1)可看出，板的抗屈曲强度与板的边界条件密切相关，增强R，使板端转为固定端，使板的抗屈曲强度提高。而削减作用在底板上的水平力，无疑会提高底板的稳定性。值得注意的是，锚杆(索)的锚头段尽量不在软层岩组中，如没法避开，应适时进行张拉或紧固，以减少软层岩组的不利效应。

(3)加强帮顶的加固。帮顶的加固，可以提高R，加强底板边界的约束。数值模拟研究也表明［11～12］，加固帮顶对控制底鼓具有积极的作用。

(4)控制巷道底板的积水。

(5)底板设置钢网喷层，便于提高注浆压力，同时阻止底板上水的下渗。

根据上述对策，底板采用“底角锚杆+全断面大间距可重复注浆”，帮顶采用“锚网+顶锚索+全断面大间距可重复注浆”的耦合支护形式。按岩巷深度分段确定巷道(新开和翻修巷道)支护设计与施工参数，运用信息化施工方法进行巷道稳定性控制的工业性试验。试验表明，40天后巷道均趋于稳定，翻修巷道收敛量控制在67 mm以内，新开巷道的收敛最大未超过120 mm。这说明，本次巷道底鼓的稳定性控制是成功的。

5 结论

(1)铁生沟煤矿13采区和15采区岩巷承受着快速变化的上覆荷载和残余构造应力的共同作用，6条下山岩巷的底鼓与变形破坏均呈现出明显的深度效应和方向效应。

(2)岩巷的变形破坏以底鼓为先，岩巷底鼓是层理发育的砂泥岩岩组底板，在开巷后应力重分布形成的以强大水平应力为主的复杂力系作用下，沿层理方向劈裂剥离或屈曲脱层，并向巷内挠曲所致。

(3)巷道底鼓的防治应从“减小作用在底板岩体上的强大的水平作用力，提高底板岩体的抗屈曲强度”出发，同时把巷道底鼓的防治与巷道帮顶控制看成一个系统工程，在实施底板控制的同时，加强帮顶的控制。

(4)针对铁生沟煤矿岩巷底鼓的防治对策，得到了试验印证，取得了预期的成效。

致谢:参加本课题研究工作的还有河南理工大学的琚晓冬、莫云波、冯文娟，河南铁生沟煤矿的王丰、崔军舰、王新年等，在此深表谢意!

［1］ 康红普，陆士良.巷道底臌的挠曲效应及卸压效果的分析［J］.煤炭学报，1992，17(1):37-52.［KANG H P，LU S L.Analysis of floor heave in roadway due to deflecting and distressing effects［J］.Journal of China Coal Society，1992，17(1):37-52.(in Chinese)］

［2］ 姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等.深部开采中巷道底鼓问题的研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(14):2396-2401.［JIANG Y D，ZHAO Y X，LIU W G，et al.Research on floor heave of roadway in deep mining ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(14):2396-2401.(in Chinese)］

［3］ 李树清，冯涛，王从陆，等.葛泉矿软岩大巷底鼓机理及控制研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(8):1450-1455.［LI S Q，FENG T，WANG C L，et al.Study of mechanism and control of soft rock roadway floor heave in Gequan coal mine［J］. Chinese JournalofRock Mechanicsand Engineering，2005，24(8):1450-1455.(in Chinese)］

［4］ 郑西贵，刘娜，张农，等.深井巷道挠曲褶皱性底臌机理与控制技术［J］.煤炭学报，2014，39(3):417-423.［ZHENG X G，LIU N，ZHANG N，et al.Floor heave mechanism and control technology of flexural and folded deep mine roadway［J］.Journal of China Coal Society，2014，39(3):417-423.(in Chinese)］

［5］ 张后全，韩立军，贺永年，等.构造复杂区域膨胀软岩巷道底臌控制研究［J］.采矿与安全工程学报，2011，28(1):16-21.［ZHANG H Q，HAN L J，HE Y N，et al.Floor heave control in roadways with soft-and-swelling rocks in complicated structural area［J］.Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2011，28(1):16-27.(in Chinese)］

［6］ 何满潮，孙晓明.中国煤矿软岩巷道工程支护设计施工指南［M］.北京:科学出版社，2004.［HE M C，SUN X M.The guidline for design and construction of weak rock roadway engineering in China［M］.Beijing:China Science Press，2004.(in Chinese)］

［7］ Wang J，Guo Z B，Yan Y B，et al.Floor heave in the west wing track haulage roadway of the Tingnan Coal Mine:Mechanism and control［J］.International Journal of Mining Science and Technology，2012，22(3):295-299.

［8］ 河南省铁生沟煤矿.铁生沟煤矿地质报告［R］.2005.［Henan Tieshenggou coal mine.The Geology Report in Henan Tieshenggou coal mine［R］.2005.(in Chinese)］

［9］ 冯伟，韩立军，刘灿灿.水平应力对半圆拱形巷道围岩应力分布及变形特征影响［J］.中国安全生产科学技术，2012，8(12):21-26.［FENG W，HAN L J，LIU C C.Influence of horizontal stress on stress distribution and deformation characteristics around arched roadway［J］.Journal of Safety Science and Technology，2012，8(12):21-26.(in Chinese)］

［10］ S P Timoshenko，J M Gere.Theory of elastic stability［M］.New York:Dover Publications，2009.

［11］ 李学华，王卫军，侯朝炯.加固顶板控制巷道底鼓的数值分析［J］.中国矿业大学学报，2003，32(4):436-439.［LI X H，WANG W J，HOU C J.Controlling floor heave with strengthening roof in gateway by numerical analysis［J］.Journal of China University of Mining＆ Technology，2003，32(4):436-439.(in Chinese)］

［12］ 王卫军，冯涛.加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(5):808-813.［WANG W J，FENG T.Study on mechanism of reinforcing sides to control floor heave of extraction opening［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2005， 24(5):808-811.(in Chinese)］

［13］ 李顺才，张春，缪协兴，等.巷道局部弱支护围岩应力场及稳定性分析［J］.采矿与安全工程学报，2010，27(4):463-467.［LI S C，ZHANG C，MIAO X X，et al.Analysis on stress field and stability of rock surrounding roadway with local short supporting［J］. JournalofMining ＆ Safety Engineering， 2010， 27(4):463-467.(in Chinese)］