1.陕煤集团神南产业发展有限公司 质监中心 陕西 神木 719300
摘要：巷道开挖后，围岩应力发生重新分布，围岩易产生变形破坏，底鼓是巷道破坏的常见形式之一，其发生及发展的机理较为复杂。为从根本上控制巷道底臌，本文根据国内外的研究现状，对巷道底鼓的形成原因、基本类型和控制方法进行全面阐述，对矿井的高效安全生产具有重要的指导作用，同时对隧道工程及其它地下工程的施工及维护也具有普遍的意义。
关键词：巷道底鼓；力学机理；试验研究；防治技术
Study on the Mechanism and Control Technology of Floor Heave in the Laneway
Wang Zi-ping1
(1.Shaanxi coal group God South Industry Development Co. Ltd. Quality Supervision Center Shaanxi Shenmu 719300；)
Abstract: After tunnel excavation, rock stress redistribution of surrounding rock deformation and failure, easy to produce, is one of the most common form of floor heave of roadway damage, the mechanism of the occurrence and development of more complex. In order to fundamentally control roadway floor heave, according to research status at home and abroad, the tunnel bottom drum forming the basic types and controlmethod, comprehensive, effective and safe production of the mine has an important guiding role, at the same time, the construction of the tunnel engineering and other underground engineering and maintenance also has universal significance.
Key words: floor heave of laneway；mechanism of floor heave；experimental study；control technology
前言
对工作面暴露出来的岩层实施有效控制，是隧道工程和矿山开采所面临的一个重要课题，而巷道底鼓的控制又是岩层控制的重点和难点。中国的舒兰、沈北、辽源、龙口、金川、那龙、梅河、金山店等矿区，长期受到巷道底鼓的困扰。例如，云南田坝煤矿3号井一采区的2条下山，底鼓使其原直壁半圆拱形砌碹巷道严重破坏，改用棚式支架进行了十多次反复维修也未能奏效，最后导致全采区的停产[1]。在国外，英、俄、德等主要采煤国的地下开采，也受到了巷道底鼓的严重困扰。
研究表明，在巷道顶底板移近量中，大约有2/3是由底鼓引起的。底鼓对矿井的生产和安全造成的影响主要表现在：①使巷道断面缩小，以致使其丧失使用功能（行人、通风和运输）；②使巷道的维护费用大量增加；③影响劳动力的调配，扰乱正规循环作业，从而使工期延长；④使巷道的作业环境恶化，事故的发生率增加；⑤影响工人情绪，使劳动效率降低。
底鼓对巷道的影响程度，因巷道的类型不同而异。巷道按其布置方式可分为2种类型：第一种是布置在岩体中的主要巷道；第二种是连接工作面的辅助巷道。主要巷道的底鼓一般只发生在750m以上的深部矿井，但当底板特别松软时，深度在500m左右的巷道也会出现严重的底鼓。第二种巷道大都会受到底鼓的影响，长壁工作面的顺槽受到的影响尤为严重。顺槽底鼓的理想控制模式为：适当的支架→优良的施工（规整的巷道断面、高质量的支护和壁后充填）→恰当且充分的巷旁充填。
1 巷道底鼓的形成[3-6]
国内外大量理论研究和井下观测表明，巷道底鼓的形成原因大体可分为以下几个方面：
1）直接原因：底板松软，承载力不足。这是煤层底板的地质构造所决定的：①成煤植物的毛细根广泛分布于底板的碳质层中；②煤底粘土极易与相邻的岩层发生摩擦滑移；③煤底粘土遇水膨胀而使强度大为降低；④在围岩应力作用下，底板岩层极易发生塑性变形和流变变形。
2）主要原因：高支承压力的存在。实践表明，深部矿井的底鼓要比浅部矿井严重得多，这是深部矿井的高支承压力所致。在正常的煤系条件下，地压以深度0.23 kg/cm2/m的比率增加。利用弹性理论建立的力学模型计算巷道底板的位移，结果表明：巷旁煤体的高支承压力是导致底鼓的主要原因。
3）环境因素：地下水的影响。采矿环境下，普遍存在的地下水可以改变松软岩层的强度和体积，使岩体的承载能力降低直至为零，同时加速岩体的塑性变形和膨胀变形。
4）巷道断面的影响。宽巷道比窄巷道更容易发生底鼓，因此可在满足开采作业的前提下，通过增加巷道高度来保持其断面大小不变，而相应地缩小巷道的宽度。
5）岩层控制效果。岩层控制效果是影响底鼓形成的重要因素。新巷道一经掘出，尽快对底板进行加固是防止底鼓发生的重要途径。巷道的支护方式和支架调节垂直压缩的方法对底鼓也产生重要影响。
巷道底鼓的形成机理可概括为：在高支承压力作用下，巷道松软底板岩体产生整体剪切破坏和吸水膨胀并以底鼓的形式反映出来（图1）。
(a) (b) (c)
图1 底鼓的3种基本型式
Fig.1 Three elemental types of floor heave
（a）来自实体煤壁下方的挤压效应 （b）底板缺少约束造成的翘曲破坏
（c）拱形支架柱腿对巷道的切割效应
2 试验研究方法
2.1 研究目标
支架的类型取决于巷道底板的强度状况。在许多情况下，顶板的下沉都是由于底板的破坏使支架失稳所引起的。所以研究工作的一项重要任务就是要获得有关巷道底板特性方面的完整信息，因此要对所遇到的各种类型的底板进行全面分析。此外，巷道的稳定性还取决于原岩状态和直接围岩位移量的大小。而要获得如何提高巷道稳定性的资料，就必须对巷道围岩的变形型式和范围进行观测。到目前为止，虽然岩层控制的测量科学还有一定的局限性，许多问题还未从理论上得到根本解决，但某些方面的测量是十分有益和可行的，例如，通过对开采空间的形状和体积的测量就能得到应力场的活动规律等方面的可靠数据。目前在矿压观测上普遍采用的几种仪器（如液压枕等）都能获得良好效果。试验研究的目标一般应包括以下几个方面：
1）观测巷道底板岩层的移动规律，这是选择支架类型和确定锚杆长度的依据；
2）对巷道底鼓进行观测，并对其程度做出分级；
3）分析底鼓各影响因素的重要性；
4）评价现有底鼓手段的可行性并提出改进方案。
2.2 岩性分析试验
为了对底鼓现象获得较全面的了解，对煤底粘土的力学特征进行测定是任何试验研究的一项首要任务。试验发现，底板岩层所含矿物的影响是明显的，特别是矿物对水的亲合力具有特殊的意义。其中含有蒙脱石的底板岩层，受水的影响尤为明显。水对岩体强度的影响可用经验关系式表达：
Sc=kSoe2 （1）
式中So为岩石单向抗压强度；e为水的浸透率。
具体方法是可从不同的场所采集若干个煤底粘土试样做剪切强度试验和单向抗压强度试验。在试样的采集过程中，还应收集到试验研究所需的相关资料，例如煤底粘土的厚度、湿度、深度、煤层的采高和采区总面积等。
2.3 底鼓量的测取方法
巷道底鼓量最可靠的测取方法是多线钻孔拉伸法（multiwire borehole extensometer technique）。其原理是在底板钻出3~5 m深的钻孔，把几个拴上铁丝的木棒按预定水平分别插入钻孔，定期拉紧铁丝并测量系在每根铁丝上的参考记号。采用这种方法，不太熟练的作业人员就可测得误差不超过0.5~1.00 mm的测量结果，而熟练的操作员可使测量误差不超过0.01 mm。确保测量精度的关键是其中一个木棒的插入深度要足以达到原岩地层中。
3 控制措施的适应性分析[7-12]
多年来，国内外众多学者一直潜心于巷道底鼓控制方法的研究与探索，并取得了不断进展。到目前为止，所提出的控制方法可概括为两大类：加固法和卸压法。加固法主要包括巷旁充填、底板锚杆、底板注浆、封闭式金属支架、混凝土反拱、反拱密集支架等；卸压法主要包括底板切缝、底板钻孔、底板松动爆破、两帮切槽、顶部卸压槽等。
近年来，还有研究人员利用电子显微镜扫描和X射线衍射仪对巷道围岩结构和破坏机理进行了分析，并通过有限元计算和模拟试验等现代手段，提出了更加合理的控制方法。实践中，对严重底鼓的有效控制往往是多种方法联合应用的结果。下面对国内外常用的几种方法的特点和适用性进行对比分析。
1）巷旁充填巷旁充填法是在巷道和煤体之间充填的方法，是一种传统的巷道底鼓控制方法。这种方法是通过移动岩层侧向支承压力，使其远离巷道来改变压力分布状况，进而提高煤底粘土向巷道滑移的阻力。英国学者通过比例模型对这种支护原理作了进一步证实。充填带的长度需要3m左右。值得指出的是，充填带应具有足够的支承力，否则就会由于顶板下沉而使充填带发挥不了应有的作用。
2）在巷旁煤体中开槽这是一种把侧向支承压力移进远离巷道的煤体中，从而降低巷道围岩压力的有效方法。但这种方法的使用有一定的局限性。这是因为在顺槽或类似于顺槽的条件下，有限的空间和沿巷帮架设支架等会给施工造成一定的困难。
3）锚杆加固底板巷道底板岩体通常都是层状结构，因此适合于用锚杆进行加固。在底板锚固中，除了传统的铁木锚杆得到广泛应用外，聚脂锚杆和多种高强度的锚杆也得到了不断的开发利用。木锚杆一般都是垂直安装在巷道内，而铁锚杆则是倾斜安装在巷帮下岩层中。对于井下常见的3.5m和4m宽的巷道，采用3m×4m和4m×5m的布置方式较为适宜。铁、木锚杆的长度一般为1.8m。经验表明，对于层状结构的底板岩层，这样的加固可提高底板岩层的翘曲阻力。
4）封闭式断面支架断面为圆形和椭圆形的巷道使用封闭式的支架，可以使底板获得较大的约束。缺点是，由于这类支架的成本高，因此只有在一些主要巷道的特殊情况下才使用，在顺槽中是不允许使用的，所以这种支架的应用并不广泛。
5）巷道拱型支架安装在巷旁充填带上这种支架在英国的深部矿井应用广泛，其工艺过程就是把拱型支架安装在巷旁充填带顶部的槽子里。巷旁充填带可以是用矸石砌筑的，也可以是木材构成的。这种支架除了具有可缩性外，还能使底板水平的压力分布状况大大改善，从而把底板岩石的挠动控制在最低限度。另一个优点是位于拱型支架下方的高质量的充填带有助于地压横跨巷道，并且由于受巷帮的约束还具有抑制煤底粘土发生滑移的趋势。
4 锚杆加固的力学原理
迄今为止，国内外学者对锚杆加固巷道底板的力学原理进行了多角度、多途径的研究。本文根据材料力学中的岩梁理论，按固端梁来分析巷道底板的变形破坏。由材料力学理论可知，最大弯矩与跨度的平方成正比，而总挠度与跨度的四次方成正比。若把巷道视为一矩形梁，则作用于巷道两帮的高支承压力就必然导致巷道的底鼓，类似材料力学向上挠曲的现象。可以看出，矩形梁的惯性矩为：
I=bd 31/2 （2）
式中 b为梁的宽度；d为梁的厚度。
巷道开挖后巷道两帮和底角在集中应力的作用下易出现塑性区。随塑性区的发展，因破裂围岩塑变形、粘性流动和体积膨胀造成的巷道底臌量也愈大。由有无底锚杆的巷道围岩塑性区的分布状况（图2～3）可知，应重点加固其软岩巷道两帮和底角的围岩，方能有效控制底臌。此时，锚杆的加固机理主要表现为：①减弱巷道角部应力集中程度，并在两帮和角部形成自承能力较高的承载拱，以控制帮和底角塑性区的扩展；②提高两帮和角部围岩的自承能力，减少两帮和底板松动破裂围岩的滑移[13]。
图2 无锚杆时底板围岩塑性区分布
Fig.2 Distribution of plastic zone in floor rock without bolting
图3 有锚杆时底板围岩塑性区分布
Fig.3 Distribution of plastic zone in floor rock with bolting
5 锚杆加固试验
井下试验和实际应用表明，锚杆用于控制巷道底鼓，在大多数情况下都能取得明显的效果。但是，井下环境千变万化，各地必须根据自身的条件在诸多的方法中做出科学、合理的选择。井下试验则成为制定正确方案必不可少的环节之一。下面介绍锚杆加固在不同条件下的试验及其效果。
5.1在中等深度和高压影响区
试验巷道位于大约500m深的煤层中。底鼓使主顺槽必须卧底才能把采矿设备向前移动。工作面两条顺槽的顶底板移近量达到1.2~1.5m（主要是底鼓）。顺槽每24h需要4个人来进行卧底和维修。两个顺槽都采用木锚杆和金属锚杆进行了加固。主顺槽中，木锚杆按3×4布置，且垂直于底板安装，每对拱型支架之间安装一排（支架间距为0.9m）；而金属锚杆是在每对拱型支架之间布置4个（靠巷道两帮各2个），按45°倾角安装在巷道两帮下方。下顺槽中木锚杆按2×3的方式布置，金属锚杆为两个（每对拱型支架之间）。结果避免了两个顺槽的卧底作业和巷道维修。接着对该煤矿几百米的巷道进行了底板加固，即使巷道穿过高压带，在用锚杆加固的任何部位都没有再进行巷道维修。
5.2 在底鼓严重的深部采区
各种围岩类型巷道的埋深达到极限深度以及超过极限深度后，埋深每增加100m，巷道围岩移近量的增量如表1所示。在各类围岩条件下，埋深与巷道围岩移近量的关系如图4所示[13]。
表1 各类围岩极限深度及位移增量
Table 1. Limited depth and incremental displacement of all kinds of rock
图4 巷道埋深与移近量关系曲线
Figure4. Connection between depthof laneway and the convergence
试验场地是一条位于大约850m深前进式工作面的下顺槽。加固方式是木锚杆按3×4布置，且垂直安装，而在每对拱型支架之间布置2个金属锚杆，在两帮下倾斜45°安装。底板加固前顺槽的顶底板移近量为1.2m左右，而在用铁木锚杆加固过的巷道内，顶底板的移近量减少到了加固前的一半，再未卧底。
5.3在相当松软的底板条件下
该矿的底鼓使巷道如果不进行二次挑顶，就得连续进行多次卧底。试验场地位于大约400m深前进式工作面的下顺槽。顺槽用拱型金属支架支护。支架选用的钢材为10cm×10cm，规格为2.4m×2.7m，间距为0.9m。加固前巷道顶底板移近量达到1.5m之多，卧底作业难以实施。采用锚杆加固以后不再需要巷道维修。在锚杆加固区，巷道的平均高度和最小高度分别为2.25m和1.8m，而在加固以前，巷道的高度只有1.0m。虽然煤层的底板相当松软，以致使其变形以滑移的形式出现而不发生翘曲。然而这次试验表明，只要正确采用底板锚杆加固措施，就可以对底鼓获得有效控制。后来在其他部位所做的底板锚杆加固试验进一步证实了这一系列观察结果。
6 结论
锚杆加固控制巷道底鼓不失为一种最为经济有效的方法，因此在国内外得到了广泛的应用，其理论研究和适用性试验也在不断取得新的进展，但需要开展多学科、多角度的理论研究，使其作用机理得到更充分的揭示；在不同地质条件下的适用性还尚需不断地进行试验，使其应用范围不断扩大。
参考文献
[1]杨建中.巷道底鼓机理分析[J].云南冶金,1998,（4）:13～16.
[3]WANG Wei-jun, HOU Chao-jiong.Study of mechanical principle of floor heave of roadway driving along next goaf in fully mechanized sub-level caving face[J].Journal of Science and Engineering, 2001,7(1):13～17.
[4]沈 默,于 刚.论软岩中巷道底鼓的机理[J].世界煤炭技术,1989,（9）:33～35.
[5]康红普.岩石瞬时扩容引起的巷道底鼓[J].山西矿业学院学报,1991,（4）:42～43.
[6]HARAMY K, McDonnell J.Floor heave analysis in a coal mine[A] .Symposium on Rock mechanics[C].Montville USA,1986,520～525.
[7]刘殿国.关于软岩巷道突然底鼓1.4m高的有效治理[J] .铁法科技, 1989,（2）:7～9.
[8]颜志平,谢康和,郭国珍等.控制软岩回采巷道底鼓的试验研究[J].矿山压力与顶板管理，1998,（3）:60～63.
[9]曹荣寰.深埋软岩巷道底鼓及其防治[J] .抚矿科技, 1989,（2）:26～31.
[10]袁汉春.聚脂锚杆防治深井采准巷道底鼓[J].井巷地压与支护, 1990,（2）:58～60.
[11]Stankus J C, Peng S S.Floor bolting for control of mine floor heave[J].Mining Engineering,1994,46（9）:1 099～1 102.
[12]Hsiung S M, Peng S S.Control of floor heave with proper mine design[J].Mining Science and Technology, 1987,4（3）:257～272.
[13]K.B.柯谢列夫.巷道底臌及防治[J].矿山压力与顶板管理.1993,（2）:73～74.
论文作者:王子平
论文发表刊物:《防护工程》2017年第34期
论文发表时间:2018/3/30
标签：巷道论文; 底板论文; 围岩论文; 支架论文; 锚杆论文; 岩层论文; 塑性论文; 《防护工程》2017年第34期论文;