敏东一矿软岩回采巷道底鼓机理及控制对策

赵治泽

(内蒙古蒙东能源有限公司 敏东一矿，内蒙古 呼伦贝尔 021000)

巷道底鼓一直是巷道围岩控制的难题，会造成巷道断面积大幅度缩小，影响井下正常通风、运输、运料和人员通行等，剧烈的底鼓同时影响着两帮和顶板的稳定，甚至导致巷道围岩失稳破坏，严重制约着矿井的安全高效生产[1，2]。针对巷道底鼓机理，国内外学者从不同的角度进行了大量有益的研究工作。康红普等[3-5]认为诱发巷道底鼓的主要影响因素是岩层压曲、扩容和膨胀；陆士良等[6]通过对底鼓机理进行分析，得出底鼓机理主要分为挤压流动、挠曲褶皱、剪切错动和遇水膨胀四种类型；李新旺等[7]通过研究不同厚度夹层在不同埋深和不同侧压系数条件下巷道底板变形特征、底板岩层破坏规律及其对底鼓发生的影响，得出巷道底鼓与夹层厚度、侧压系数呈正相关；李季等[8]通过研究采空区侧方围岩主应力场方向的变化规律，及其对沿空巷道围岩塑性区分布形态的影响机制，揭示了深部沿空巷道非均匀大变形机理；孙晓明等[9]通过研究深埋层状岩石应力边界条件下巷道变形破坏规律，得出将底板破坏强度与顶板破坏强度之比定义为Kc，所建立的力学强度参数能较好地反映巷道顶底板破坏演化规律；柏建彪等[10]通过研究发现巷道底板在受采动影响后底板分布着“两点三区”，即：零位移点、零应变点和拉应变上升区、压缩区、压应变压缩区；黄广帅等[11]通过分析工作面推进距离、煤层厚度等不同条件对底板破坏深度的影响得出随着工作面不断推进，底板破坏深度越大，且煤层厚度越大，底板破坏范围越广；刘泉声等[12]通过研究在地应力作用下软弱破碎的巷道围岩被挤压流入到巷道内，得出顾北煤矿底鼓类型为挤压流动性底鼓；张杰等[13]通过采用切槽卸压的方法降低巷道帮角应力集中效应，使得底板垂直应力向深部转移，从而减小底板的变形量；赵洪宝等[14]认为巷道靠近煤柱侧围岩应力较大，变形量小，而靠近采空区侧围岩应力小，底鼓量大，还提出非对称控制技术；侯朝炯等[15]通过研究巷道底鼓的基本原理，提出加固软岩巷道两帮和底角的方法来控制巷道底鼓；常聚才等[16]通过分析底鼓影响因素及底鼓机理，得出底板在无支护条件下围岩应力分布状况，提出超挖锚注回填技术；刘剑等[17]通过分析围岩强度、围岩应力、支护形式对巷道底鼓的影响，提出改变煤柱尺寸、优化支护参数及局部注浆的底鼓控制技术；孔庆军[18]通过研究砌块充填沿空留巷条件下底鼓大变形，提出“顶板预裂爆破卸压技术+顶板关键部位加强支护技术+砌块上方柔性让压支护技术+砌块墙体双控锚杆支护技术”综合控制技术体系；孙利辉等[19]通过分析南大巷强烈底鼓特征及影响因素，得出高应力、岩石遇水膨胀、支护结构不合理等因素综合作用导致巷道发生强烈底鼓，并提出了“巷道底板锚索束+底板深浅注浆”的治理方案。

以蒙东地区敏东一矿I0116306工作面运输巷为研究对象，通过实验室实验、现场监测和数值模拟的方法，研究其受采动影响时底板变形破坏规律，揭示巷道发生底鼓现象的机理，并以此提出超挖锚杆加固回填的支护建议。

1 工程地质概况

1.1 巷道概况

敏东一矿位于内蒙古呼伦贝尔市境内，井田面积49km2，矿井设计生产能力500万t/a。其可采煤层为16-3煤层和16-3上煤层，煤层埋深300m左右，06工作面煤层平均厚度为8.43m，煤层倾角为2°～6°，直接顶为细砂岩，平均厚度为6.8m，直接底为粉砂岩，其平均厚度为16.43m，老顶为粉砂岩，平均厚度为10.6m。主采煤层16-3煤及顶底板岩石抗压强度均低于30MPa，底板粉砂岩遇水易崩解，泥岩遇水易膨胀。06工作面一侧为04采空区，留煤柱宽度30m，回采巷道单巷布置。

1.2 底鼓特征

敏东一矿06工作面运输巷在未受到采动影响时，运输巷底板变形量较小，随着距工作面距离减小，受到的采动影响剧烈，底板变形破坏也越来越严重。在运输巷掘进后沿走向合理布置测站，进行为期一个月的超前工作面不同距离的底板表面位移监测，现场监测结果显示巷道底板破坏特征如图1所示：监测周期内，底鼓量总计约为300mm，两测站随着距工作面距离减小，底鼓量逐渐增大。在距工作面80m处，巷道底鼓量变化不明显，底鼓速率较小，当距离工作面35～80m时，底鼓量成缓慢增长趋势且变化速率有所增加，但在工作面前方10～35m处，其底板处于剧烈变形阶段，底鼓量显著增大，底鼓变化速率明显变大。06工作面运输巷底鼓反复，严重影响了正常使用。

图1 06工作面回风巷测站1和2底板位移监测曲线

2 底鼓规律数值模拟分析

2.1 底板塑性区分布

建立模型，长538m，高54m，厚度为100m，中间开挖直墙半圆拱形巷道，对模型前后左右和底部5个边界进行位移边界约束。对该煤层存在的地应力进行计算分解，Z方向施加垂直应力9.16MPa，X方向施加应力5.6MPa，Y方向施加应力6.37MPa，XY平面施加剪应力2.01MPa，本构模型选用摩尔库伦模型。数值模拟中各煤(岩)层力学参数见表1。

选取超前工作面不同距离巷道底板塑性区分布如图2所示，由图2可得：巷道塑性破坏范围主要集中在巷道底板和两帮底部，在巷道距离工作面前方5m处，受采动影响最大，底板处于剧烈变形阶段，底板塑性破坏深度非常严重，底板破坏量约为2.25m，随着超前工作面距离增加15m时，底板塑性破坏深度逐渐减小，底板破坏量约减小为2m，在超前工作面25m后，采动影响逐渐减弱，底板塑性破坏深度逐渐趋于稳定，变化不太明显，底板破坏量为1.75m。

表1 岩石力学参数

图2 工作面超前段塑性区分布形态

2.2 底板塑性区演化规律

绘制不同超前工作面距离底板破坏深度曲线，如图3所示。监测周期内，底板破坏深度随距工作面距离减小而增加，当距离超前工作面距离25～30m，底板破坏深度为1.75m，随着距工作面距离10～20m时，底板破坏速率明显增加，底板破坏深度逐渐增加至2m，当距超前工作面5m时，底板受采动影响剧烈，破坏深度显著增加，底板破坏深度达到2.25m。

图3 不同超前工作面距离底板破坏深度

3 底鼓影响因素分析

3.1 矿物成分分析

巷道掘进和使用过程中，其底板不可避免会与水接触，而水对底板岩石的作用主要是通过水理作用影响岩石内部结构。为研究敏东一矿底板遇水易膨胀的矿物成分含量，分析其底板变形的规律对敏东一矿16-3煤层底板岩层的岩样及其黏土矿物进行分析测试，得到其底板岩层的矿物成分和黏土矿物成分，分析结果见表2、表3。

由表2、表3可知，所测底板岩样中黏土矿物含量占30.1%，石英矿物含量为56.2%。对比黏土矿物成分得，高岭石(K)矿物含量可达68%，伊/蒙混层(I/S)含量为21%；由此可见，底板岩层中含有大量的高岭石、伊/蒙混层等黏土矿物成分，此类成分吸水性极强，且遇水易膨胀。

表2 岩样矿物成分分析结果

表3 黏土矿物成分相对含量分析结果

3.2 采动应力

提取超前工作面不同距离最大主应力分布如图4所示。结果表明：在超前工作面不同距离，巷道两帮的所受应力明显大于底板所受应力。在超前工作面5m，巷道受采动影响最大，其两帮所受应力可达21.157MPa，底板所受最大应力为11.65MPa，随着超前工作面距离不断增加，巷道受采动影响逐渐减弱，两帮和底板所受应力不断降低，距离超前工作面30m处，两帮所受应力最大为19.447MPa，底板所受应力达11.05MPa，逐渐趋于稳定。

图4 超前工作面不同距离最大主应力分布(Pa)

图5 超前工作面不同距离巷道底板和两帮最大主应力值

提取超前工作面不同距离巷道两帮和底板的最大主应力峰值，如图5所示。结果表明：巷道两帮和底板最大主应力随超前工作面距离减小而增加。当距离超前工作面30m处，巷道受采动影响较弱，两帮所受最大主应力为19.447MPa，底板所受最大主应力为11.05MPa，在距离超前工作面20～30m时，两帮和底板所受最大主应力呈缓慢增长，但当超前工作面距离处于5～10m时，巷道受采动影响剧烈，两帮和底板最大主应力急剧增长，最大主应力达21.157MPa，底板的最大主应力为11.634MPa。

4 底鼓规律

综上所述，敏东一矿06工作面运输巷底板所在岩层为膨胀性砂质泥岩、泥岩等软弱岩层，底板发生破坏的主要原因是：①巷道底板围岩强度较低，围岩中含有大量的亲水成分高岭石，其成岩胶结程度差、抗压强度低，具有极高的亲水性及膨胀性，而底板在经历开挖和回采过程中，洒水降尘等会使底板遇水发生泥化、膨胀，出现明显的膨胀性和流动性，易形成遇水膨胀型底鼓；②巷道底板在受两帮较高的应力作用下向上凸起，且随着超前工作面距离不断减小，底板受采动影响愈发剧烈，其破坏程度也更为明显，底板发生挤压流动变形。因此，06工作面运输巷底鼓机理属于遇水膨胀性+采动诱发挤压流动性复合型底鼓，如图6所示。

图6 巷道底鼓机理

5 控制对策

基于对敏东一矿06工作面运输巷底鼓规律及底鼓机理的分析，提出底板超挖锚杆加固回填的支护方案，即首先采用超开挖法来释放一定深度下底板下方岩体的位移，然后在底板上施加锚杆，控制深部岩体的竖向变形，改善巷道底板受力状态，最后使用更高强度的混凝土层进行回填，抵抗回填层下面的岩体的大变形，并有效阻隔水与底板的接触。对07工作面巷道设计的支护方案，如图7所示。

图7 07工作面巷道设计的支护方案(mm)

具体支护措施：巷道底板变形逐渐趋于稳定后，对巷道底板岩体进行200～300mm的超挖，然后对底板施加锚杆，采用∅20mm的锚杆，锚杆长度L=2500mm，间排距为800mm×800mm，每排底板6根，帮角两根倾斜加固锚杆，铁托盘规格为150mm×150mm×10mm。靠近两帮底板上两根向外偏转20°，中间4根竖直向下，帮角两根水平向下偏转45°，锚固剂采用防水型锚固剂，底板上6根锚杆采用Ω型钢带连接，形成整体。

为减少水对底板变形的影响，巷道底板采用C30混凝土对巷道底板进行地坪施工，可以更好的防止两帮、底板等渗水及巷道内喷雾对底板的影响。

6 结 论

1)由数值模拟和位移监测分析得出，06运输巷塑性区分布形态随着距工作面距离越近，采动影响越大，底板塑性破坏深度越大，底板变形迅速且愈发剧烈，底鼓量更大。

2)底板含有大量遇水易膨胀的伊利石、蒙脱石等矿物成分；巷道距离工作面越近，受采动影响更剧烈，受两帮越高的应力作用，底板发生越大的挤压流动变形。敏东一矿底鼓类型属于遇水膨胀性+采动诱发挤压流动性复合型底鼓。

3)提出底板超挖锚杆加固回填控制方案，即：通过对底板超挖，使得下部岩体位移量得到一定程度的释放，然后施加锚杆来控制深部岩体的竖向变形，改善巷道底板围岩受力状态，最后回填强度较高的混凝土层，抵抗回填层下岩体变形，并有效阻隔水与底板的接触。