巷道底板软弱夹层底鼓治理技术

黄忠福

（大同煤矿集团轩岗煤电有限公司，山西 轩岗 034114）

随着我国经济发展水平的提升，煤矿开采产量逐渐增加，开采深度也随之加深，井下环境复杂恶劣，巷道支护一直是煤矿研究的重点，但普遍围绕顶板和帮部进行支护。对于底鼓问题研究较少，随着煤矿开采深度及环境的改变，巷道底鼓问题日益凸显，尤其对于含有软弱夹层的底板更容易变形严重，软弱夹层区域流质特征显著，甚至成为围岩缺口，在治理不当的情况下软弱夹层极易引发底板底鼓，底鼓逐渐蔓延破坏，给巷道支护构成了重大威胁，所以对含软弱夹层巷道底鼓问题的研究是十分必要的。本文以煤矿巷道底鼓为研究对象，分析了层状岩体中的软弱夹层对于底鼓问题的影响，研究了底鼓治理的相应技术，为提高煤矿支护安全的研究提供了理论依据。

1 含软弱夹层巷道破坏特征

1.1 巷道底鼓类型

研究表明，根据巷道的地质情况、巷道应力状态差别和巷道底板围岩的轻质，可以将巷道底鼓划分为挤压流动、挠曲褶皱、遇水膨胀和剪切错动四种类型。其中，挤压流动引发巷道底鼓原因为底板为软弱岩层，从而使顶板和两帮的应力强度都要远远超过底板，顶部作用于两帮形成压力，同时底部岩层地应力作用使得底板破坏，岩层破裂成流质，直接流动到巷道内。挠曲褶皱型底鼓一般出现在层状岩体底板，此种底板岩性硬度高，在两帮及地应力作用下产生挠曲变形，向上方鼓起，挠曲作用使得层状岩体中间部位发生断裂。遇水膨胀型底鼓一般发生在含软弱夹层的底板中，软弱夹层结构弱，遇水之后造成积聚现象，引起夹层膨胀导致底板鼓起。剪切错动型底鼓现象出现在后岩体层底板，水平作用力使得岩层受到剪切作用，形成类似断层的错动结构，上盘楔形块受到挤压作用产生鼓起。

1.2 底鼓原因分析

（1）软弱夹层岩性

底板中软弱夹层主要为泥质岩体和碳质岩体，裂隙带发育水平高于其他岩层，更易造成地下水积聚，膨胀性矿物质遇水后就会造成夹层处出现膨胀现象或者直接出现崩裂，夹层被破坏，底板破坏后逐渐加剧，破坏区域扩散使得地下水蔓延，岩层更加膨胀，岩层粘连作用减弱，抵抗拉伸和剪切的能力下降，从而造成岩层分离加剧，底鼓现象形成恶性循环。

（2）顶板和帮部围岩支护

在巷道顶板和帮部支护状态情况下，巷道底板作为巷道支护的薄弱区域，成为支护泄压部位，在其他三面支护为高强度的情况下，底板成为了近似短固支梁的构成，造成巷道底板中间位置鼓起。将巷道顶板和帮部及围岩视作一块，底板和下岩视作另外一块，开采巷道以后围岩应力分布改变，两帮围岩应力变为浅部减小，深部增加，对巷道底板围岩进行应力分析，见图1。

图1 巷道底板围岩应力分析

图2 锚杆支护引起的底板失效

（3）水平应力影响

围岩水平应力的改变使得巷道底鼓程度也发生相应变化，围岩使得两帮形成类似柱状的支承压力，对底板产生两侧约束作用，当水平压力超过了底板的抗压强度后，底板中部产生鼓起，出现剪切造成失稳现象，底板由此出现严重底鼓问题。

（4）底板支护失效

锚杆在支护过程中，底板的应力升高使得锚杆承受剪切力，严重时发生破坏，包括两种破坏方式，可能是锚杆承受水平剪切力，当超过极限值后锚杆被剪断，也可能是垂直剪切力的作用使得锚杆与岩层发生脱落并向上方隆起，形成了底板支护失效，两种失效方式见图2。

2 含软弱夹层底鼓治理技术

2.1 底鼓支护

巷道底鼓严重影响了煤矿的正常生产，底鼓的治理方法众多，根据底板岩层形式和力学特点，针对含软弱夹层的支护方法可大体分为加固法、卸压法以及联合支护的方法。

（1）加固法

支护加固法是通过增加其他物质来改变底板岩层的岩层力学特征，从而使岩层可以承担的压力和剪切力更高。常用的煤矿巷道底板加固法是通过锚杆、混凝土、支架和注浆等方法来实现。增加锚杆是将锚杆穿入到底板中，把底板岩层整合在一块，增加岩层的接触面积和摩擦力，阻止了岩层间的移动，裂隙发展得到很好的限制，将浅部岩层和深部岩层连接，从而有效抑制了底板移向巷道内。混凝土反拱是在水平大巷中铺设大面积混凝土增加支护阻力，配合支架作用，增加了混凝土的反拱能力，此种加固方法效果明显，但施工难度大。支架是采用封闭式支架，垂直向下的应力作用于巷道底板，在此力的作用下底板裂隙的发展受到了抑制，底板的受力情况发生了改变，底鼓现象发生受到了制约。注浆方法是将浆体填充到岩层的破碎空隙区域，将破碎的岩层整体化，增强了岩层的粘结作用力和内摩擦力，提高了抗压和抗剪切水平，能够阻止下岩层的突起，锚索采用树脂锚固剂增加了岩体的固结水平，巷道底鼓得到了控制。

（2）卸压法

卸压法属于被动支护，是通过释放围岩应力集中的方法来改变围岩应力分布情况，使底板承受的作用力减弱，实现能量转移。泄压法包括钻孔、爆破和切缝等形式。切缝是将底板进行切缝处理，将底板的应力集中转移到边缘地带，从而降低底板应力，围岩能量也随之转移，消除底鼓现象。钻孔法是通过底板钻孔来转移围岩应力集中，与切缝法原理类似。爆破法是利用爆破产生两个力学性能不同的区域，阻止了深部岩层和浅部岩层之间的应力传递，实现短时间控制巷道底鼓。

（3）联合支护

联合支护是将卸压法和加固法进行联合，比如锚杆配合注浆、支架配合注浆、爆破配合注浆以及爆破配合支架的支护方法。

由以上方法可以看出，软弱夹层引起的巷道底鼓问题常常需要通过释放应力的方法来解决，释放过程夹层也随之遭到破坏，利用卸压法治理底鼓问题没有改善底板的岩性，所以根本上并没有得到解决，单独使用此种方法治理不能实现长期稳定，在工程应用中应采用联合支护的方法来治理底鼓问题。

2.2 巷道底鼓支护的设计

因为采用一般支护可能会造成巷道底板支护失效，本文采用锚索、轻轨梁配合注浆的支护加固方法，钢轨梁用于对锚索末端进行固定，防止锚索失效后围岩突起，锚索设计成斜向，增大作用围岩摩擦力，与岩层接触面积增大，抵抗剪切的能力增强，底板支护设计见图3。

图3 巷道底板支护设计

3 现场试验

以五阳煤矿为例进行了现场试验，该矿原采用半圆拱形巷道，锚杆配合网喷联合进行支护，整体巷道破坏较严重，顶板出现小幅隆起，底板涌水量明显，通风受到影响，巷道检测发现底鼓量大约2～2.5 m，底板破坏严重。为改进支护情况，采用锚索配合注浆技术，修补更换实现锚杆，底板采用高强度托盘，将锚索连接组成连续支护，见图4。

图4 五阳煤矿巷道支护设计对比

按设计施工好相应支护后，进行位移监控，结果见图5，可以看出，底鼓现象增加缓慢，在某一时间达到极值后逐渐平稳，大部分断面底鼓量约为0.8 m左右，底鼓治理效果明显。

图5 巷道底鼓曲线

4 结语

本文针对煤矿巷道含软弱夹层底板的破坏情况，以底鼓破坏特征为研究对象，对含软弱夹层的底板破坏因素进行了分析，从底板支护方法的支护原理进行探讨，对比得出了含软弱夹层的底板底鼓治理方法，运用钢轨梁、锚索配合注浆等技术进行加固，改变两侧锚索偏角以实现底鼓治理的更优化，通过对实际煤矿进行治理情况检验，验证了此种底鼓治理技术能明显降低底鼓的发生。为煤矿巷道底鼓的控制研究提供借鉴。

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