弱胶结软岩巷道底鼓控制关键技术研究

孙 浩，王立兵，王富成，范文宇

（内蒙古平庄煤业（集团） 有限责任公司，内蒙古 赤峰 024050）

0 引 言

随着我国经济建设的快速发展，对煤炭资源的需求越来越大，大型煤矿开采设备的研制已成为一种需求。因此，需要相应增加地下巷道的断面。在水的物理和化学作用的影响下，巷道形成后暴露底板在短时间内迅速软化。此外，在机械动荷载的重复作用下，煤岩体发生不同程度的胶结泥化破坏，严重影响了巷道运输、通风和行人的需求[1]。随着煤矿开采深度逐年递增，软岩问题变得尤为关键[2]。软岩巷道断面的不断增加，加之覆岩、构造应力和水的物理化学作用的共同影响，大断面巷道底鼓现象越来越突出，逐渐成为巷道矿压显现的一个重要特征，底鼓治理的技术问题亟待解决[3-6]。长期以来，国内外专家学者在软岩巷道底鼓的形成机理和控制方面进行了大量的研究。杨晓杰[7]认为，水理作用和力学效应是底鼓的重要影响因素；张广超[8]认为，巷道底鼓可划分为挤压流动性底鼓、弯曲折叠性底鼓、剪切错位性底鼓和水作用下膨胀性底鼓4 种类型；程敬义[9]深入研究了煤矿巷道底鼓的特点和机理，为制定有效的底鼓防治措施提供了理论依据；路军富[10]分析了岩体的粘土矿物组成，以及围岩在遇水后不同应力阶段的弱化和渗透性；王宇等人研究了矿物成分中化学活性蒙脱石的类型和含量在岩石膨胀中起着关键作用[11-12]。本文根据老公营子6 号煤层实际情况建立力学模型，从理论上对6 号煤层西翼大断面运输巷道底鼓进行深入分析，从力学结构的角度对底板软弱岩层进行深入剖析。针对现场水与粘土矿物相互作用引起的底鼓问题，提出了一种新的控制技术——反底拱结构来控制井下软岩巷道严重底鼓现象。

1 概 况

老公营子煤矿位于赤峰市元宝山区风水沟镇西南3 km 处。该矿设计生产能力为180 万t/a，采用单级立井提升方式。主要可采煤层为5 号、6 号煤层。Ⅲ06-1（1） 工作面平均覆盖深度为340 m，6-1 煤层倾角为8°～12°，煤层厚度在1.5 ～4.5 m，平均3.5 m，煤层含1 ～3 层夹矸，夹矸岩性多为粉砂岩，局部有泥岩及砂质泥岩，泥质胶结性较差，遇水泥化易底鼓。

煤层上覆以灰白色粉砂岩和砂质泥岩为主，砂岩成份以石英长石为主，呈次圆状钙质胶结；灰色泥岩夹杂煤线、碳质泥岩互层呈厚层状平均厚度18 m。煤层下部以灰白色粉砂岩和细砂岩为主，平均厚度为6.0 m。

Ⅲ06-1（1） 工作面平均走向长度922 m，倾斜长度233 m，井下位于二水平轨道大巷南。工作面轨道顺槽以7675 号钻孔为界，运输顺槽以Ⅲ06-1（2） 轨道顺槽为界，切眼以该矿6-1 边界煤柱线为界。

工作面具体位置如图1 所示。

图1 工作面采掘工程平面Fig.1 Mining engineering plane of working face

根据Ⅲ06-1（1） 工作面掘进实际揭露地质资料，已知工作面内无断层及伴生断裂构造，无陷落柱、冲刷带等情况，未见岩浆岩侵入体。水源来自顶板砂岩裂隙水，以顶板淋水形式进入该工作面，无突水危害。

根据现场调查，老公营子煤矿Ⅲ06-1（1） 工作面运输巷道两帮及底板变形严重。巷道两帮变形范围为0.4 ～1.5 m；一般情况下，底鼓为1 m 左右，局部底鼓可达1.2 m，变形严重。为此，对巷道两侧进行了扩底加固，并对锚索重新加固支护后的变形进行了控制。然而，经过一次开挖，十多天后，底鼓变形达到1 m 左右。可以看出，简单的开挖底板移除巷道中的破碎岩石会导致较大面积的承载能力减弱，从而进一步削弱巷道围岩的整体承载能力。

2 底鼓分析

2.1 底板岩性及结构分析

通过现场调查和地质资料分析，确定Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽底板岩性为灰白色粉砂岩。巷道开挖后，为底板岩层的变形提供了足够的空间。随着巷道底板长期暴露和水的侵入，底板胶结、泥化、崩解现象明显，底板岩层强度急剧下降[13-14]。对6 号煤层底板灰白色粉砂岩的化学成分进行取样分析，得出样品试验结果见表1。

表1 底板岩层化学成分定量分析（%）Table 1 Quantitative analysis of chemical composition of floor strata(%)

上述的6 个样品的化学定量分析中，SiO 含量最高，平均达到57.8%；其次为Al2O2，平均含量为17.16%；Fe2O2平均含量为7%；其它组分含量较低。

Ⅲ061 工作面运输顺槽底板粘土矿物组成以高岭石为主（47% ～57%），其次为伊利石（15%～35%） 和伊利石- 蒙脱石混层矿物（17% ～28%）。粘土矿物，如高岭石、伊蒙混层矿物，由于颗粒小、比表面积大，具有较强的亲水性[16-17]。当水渗入底板岩层中的孔隙和裂隙时，细小岩石颗粒的吸附水膜会变厚，引起岩石体积膨胀。因为这种体积膨胀是不均匀的，它在岩石中引起不均匀的应力，导致底板岩石层软化或溶解，最终形成岩石颗粒的破裂体。其化学反应过程见式（1）。

当底板岩体遇到水时，其底板塌陷并软化，这导致巷道底板涌入巷道自由空间，形成底鼓膨胀变形（岩石颗粒吸附水膜厚度增加）。

矿井生产水和岩层中的水很容易渗透底板，削弱岩石颗粒之间的粘结力，造成岩石颗粒的破坏。这进一步导致底板软化、膨胀、崩解，造成底板泥岩体出现大量节理、裂隙，削弱了围岩整体强度。

可以看出，Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽开通后，围岩应力的变化导致底板岩层弹塑性变形卸荷并向巷道内膨胀。巷道底板含有高岭石、伊利石等矿物成分，具有较强的遇水膨胀性。其结果是岩体的抗压强度大大降低，产生流变性，易受扰动。同时，在水平应力作用下，底鼓变形更容易发生。

2.2 底板变形机理

2.2.1 底板力学模型的建立

老公营子矿6 号煤层上方5 号煤层已开采完毕，煤巷围岩变形主要受水平应力的影响。考虑到巷道造成的巷道修复量有时甚至比新挖巷道还多，特别是出现重复性问题的情况时，工程量更大。因此，研究其潜在机理和控制方法势在必行[18-19]。

Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽开挖后，在巷道两帮形成支承压力集中（图2）。在采动引起的支承压力和侧向变形以及底板岩层沿着层向的水平应力（Fx） 的共同作用下，运输顺槽底鼓变形明显。当底板岩层上的水平应力（Fx） 超过极限值时，将引起底板岩层失稳（岩层破裂和隆起）。底板岩层在水平应力（Fx） 和重力（q） 作用下的变形状态如图3 所示。

图2 巷道周围应力状态Fig.2 Stress state around roadway

图3 底板力学模型Fig.3 Mechanical model of floor

其弯曲方程为：

式中：m1为复合梁上方的弯曲层的厚度，m；J 为组合梁上部的弯曲截面模量，m4；c 为岩层的容重，MN/m3；E 为弯曲层的弹性模量，MPa；w 为弯曲变形量，m；L 为运输顺槽的跨度，m。

边界条件：

若k2= (Fx/EJ)，得到梁中最大弯曲压应力（x=1/2），其大小为：

2.2.2 层状岩层底板稳定性的影响因素

根据以上分析，底板失稳破坏的临界轴力为FXC=π2EJ/L2（此处不考虑巷道高度的影响）。假定底板在集中支承压力作用下的侧压力系数为λ，其周围的最大支承力为KcH，则底板岩层上的水平力可近似为式（8）：

当Fx≥FxC时，底板岩层发生失稳。将FxC代入此公式并简化，得到式（9）。

可知，层位越深，跨度越大，底板岩层强度越低，岩层厚度越小，越容易失稳破坏。其中，层厚m1的影响最明显，其次是巷道跨度L 和采深H 的影响，弹性模量E 的影响最小。考虑到煤层开采深度和底板岩性固定，巷道已经开挖，运输顺槽的跨度L 无法调整。因此，只有通过锚固底板的方式，才能提高铺层厚度m1，这样才能有效控制底板的变形，保证巷道的稳定性。

3 数值模拟分析

3.1 模型参数确定

Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽建模过程中，模型初始平衡阶段采用H-B 准则得到的岩体等效M-C 准则参数。在运输顺槽的开挖中，底板参数应为应变软化模型参数。 模型准则基于Mohr-Coulomb 准则。

3.2 模型建立

根据老公营子矿井地质条件和巷道围岩的力学参数，利用FLAC3D 数值模拟软件进行了数值模拟。模型尺寸为100 m × 66.8 m× 10 m（长×宽×高），如图4 所示。运输顺槽位于煤层下部，按实际断面4.8 m×3.1 m（长×高） 开挖。整个模型由112 170 个单元和763 824 个节点组成，网格尺寸从巷道围岩向外逐渐增大。 使用Mohr-Coulomb 标准进行模拟，并根据实际情况为每个岩层分配参数。根据煤层深度400 m，在模型顶部施加10 MPa 的垂直向下压力，模拟上覆岩层的自重应力。模型底部的垂直位移受到约束，模型四周的横向位移受到约束。

图4 数值计算模型Fig.4 Numerical calculation model

3.3 巷道变形

（1） 图5（a） 所示为Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽开采后巷道支护结构下方的水平应力分布。在煤壁中形成了压应力区。应力场范围约为3 m，数值约为10 MPa。中间压应力区的应力最大，约为11 MPa。从整体形状和应力分布来看，原支护方案下Ⅲ061 工作面运输顺槽两帮形成的支护应力场中间压应力区与外围压应力区重叠，并与Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽最上部锚产生的应力区相连。但由于无支护构件，底板与煤壁下部锚之间存在一部分低应力区，原支护方案的支护应力场无法控制底鼓。

图5 巷道开挖后的应力分布及塑性区Fig.5 Stress distribution and plastic zone after roadway excavation

（2） 如图5（b） 所示，在Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽的顶板中形成了一个大而连续的压应力区。应力场范围约为2 m，数值约为11 MPa，压应力区最大应力值约为14 MPa。从顶板支护角度看，由于顶板和煤壁支护应力场的叠加，Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽顶板的垂向应力场可以有效作用于悬挑岩体，验证了在原巷道支护条件下支护应力场无法连通，底板岩体大部分处于受拉状态，难以控制底鼓。

（3） 如图5（c） 所示，顶板和煤壁的变形约为0.1 m，底板的最大变形约为0.36 m。说明巷道底鼓现象尤其严重。

（4） 如图5（d） 所示，在原支护方案条件下，两帮破坏深度3.4 m，顶板破坏深度5.5 m，底板破坏深度8.8 m。但与顶板及两帮相比，底板仅由2 个煤壁斜锚栓支撑。导致底板上有很大范围的屈服区，屈服区沿着约45°角的方向向外延伸。因此底板大面积破坏和遇水崩解，必然导致大变形。

综上所述，数值模拟所反映的巷道围岩变形现象与现场实测的顶底板、两帮位移基本一致。同时可以看出，由于底板无支撑结构引起的底鼓变形十分严重。

4 工程应用

4.1 底鼓控制技术

基于数值模拟结果，结合上述巷道围岩性质，提出软岩巷道优化支护方案，在原有支护方案，保证Ⅲ061 工作面运输顺槽顶板和两帮的支护参数不变，仅对底板制定了新的支护参数。

Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽支护方式如图6 所示。

图6 巷道支护优化方案Fig.6 Optimization scheme of roadway support

（1） 对Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽底板进行开挖，形成距底板中心800 mm 的向下弧形空间，通过超挖底板释放深部岩体变形压力。

（2） 在弧形空间底部均匀铺设了50 mm 的生石灰作为隔水墙，防止巷道内矿井水穿透底板岩层，降低底板强度。

（3） 将预制混凝土弧形梁放入其中，并铺设金属网。底板锚索直径为2.18 mm，长度为6 200 mm。每排锚索间距为1 600 mm。沿巷道长度方向两排锚索之间的间距为1 300 mm。每个钻孔均采用水灰比为0.8∶1 的超细水泥浆填充。保证锚索预紧力不小于100 kN。

（4） 采用C20 高强混凝土回填超挖处的弧形空间，保持地面平整，提高了底板和两帮的抗变形能力。

4.2 井下试验结果和分析

根据老公营子煤矿的地质条件，制定了100 m巷道试验段底鼓治理方案。在保留顶板和两帮支护条件的基础上增设反底拱结构，并结合控水措施实现对底鼓现象的有效控制。试验巷道采用底板控制方案后，在试验段设置4 个地表位移观测站，监测Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽顶底板和两帮位移的收敛情况，Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽收敛数据分析如图7 位移- 时间曲线所示。

图7 位移- 时间曲线Fig.7 Displacement-time curve

试验段Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽地表位移变化可分为3 个阶段。

（1） Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽快速收敛阶段为巷道修复后6 ～22 d。这一阶段的收敛约占总收敛的70%。

（2） Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽修复后23～42 d，该阶段的收敛速率逐渐减小并趋于稳定；Ⅲ061 工作面运输顺槽修复42 d 后，巷道围岩收敛趋于稳定。

（3） 修复60 d 后，试验段Ⅲ06-1（1） 工作面运输顺槽的最终底鼓为82.5 mm，两帮最大收敛量为182 mm，顶板最大下沉量为142 mm。

综上所述，新的支护方案对巷道底鼓的控制和煤帮的接近有显著效果。

5 结 论

（1） 根据巷道底板的采样和分析，确定粘土矿物含量。粘土矿物的成分主要是高岭石（47%～57%），其次是伊石（15%～35%）。粘土矿物的亲水性致使底板层状岩石软化形成岩石微粒，严重削弱了围岩承载能力。

（2） 通过对Ⅲ061 工作面运输顺槽进行力学分析，埋深更深且跨度越大的水平巷道其底板岩层的强度越低，增加底板锚固层厚度Hm 可以有效改善底板抗变形能力。

（3） 应用FLAC3D 数值模拟分析的原有支护方案下运输顺槽的变形及应力分布情况。可以看出，底鼓变形造成巷道围岩变形十分严重。

（4） 基于原始支护方案，提出了“生石灰底部铺设+预应力锚索+混凝土弧梁+金属网+C20高强度混凝土填充”支护优化方案，从根本上改变底板岩层的力学性能，改善其抗变形能力。

（5） 根据测试巷道的试验结果，表明新的支护方案能有效控制底板和两帮的收敛，最终底板底鼓量62.5 mm，满足煤矿安全生产的要求。