瓦斯尾巷底鼓機理及底鼓量構(gòu)成分析①

許海濤 李 昊 康懷宇

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

1 概述

賀西礦3303工作面運輸平巷、材料平巷、瓦斯尾巷均布置在3#煤層中，方位301°，其中切眼與兩巷 (材、運)垂直布置，瓦斯尾巷與運輸平巷間留設(shè)30m寬保護煤柱，如圖1所示。該礦屬于高瓦斯礦井，3303工作面實行兩進一回系統(tǒng)，瓦斯尾巷即作上一個面回采時回風(fēng)用，又作下一個工作面的材料巷使用，兩次使用，服務(wù)時間較長。隨著回采工作的向前推移，瓦斯尾巷底鼓非常嚴(yán)重，底鼓量最大可達1.2m，嚴(yán)重影響下一工作面的正常使用。在下一工作面使用前需要重新拉底和維護，造成了人力、物力、財力的大量浪費，嚴(yán)重影響采掘正常銜接，為此分析巷道底鼓機理及底鼓量構(gòu)成，以制定有針對性的治理措施。

圖1 3303工作面巷道布置示意圖

2 瓦斯尾巷底鼓影響因素分析

巷道底鼓的原因通常在于兩個方面，一個是圍巖巖性及地質(zhì)條件 (自然因素)，另一個是巷道布置、施工和支護措施(人為因素)。由于影響巷道底鼓的因素很多，不同巷道底鼓的原因有著一定的差別，因此必須結(jié)合巷道所處的特定條件來分析底鼓原因。根據(jù)現(xiàn)場3303工作面地質(zhì)條件、巷道布置情況等，分析瓦斯尾巷底鼓的影響因素。

2.1 圍巖性質(zhì)［1］

根據(jù)煤層綜合柱狀圖，3#煤層頂板第一分層為4.97m厚的黑色泥巖，第二分層為7.2m厚的黑色砂質(zhì)泥巖，3#煤層底板第一分層為3.57 m厚的黑色泥巖，第二分層為4 m厚的4#煤層。根據(jù)現(xiàn)場取樣分析，3#煤層頂?shù)装遒x存的黑色泥巖屬于炭質(zhì)泥巖。炭質(zhì)泥巖工程性質(zhì)主要表現(xiàn)風(fēng)化快、強度低、遇水崩解嚴(yán)重、具活化作用等，瓦斯尾巷底板炭質(zhì)泥巖工程性質(zhì)是3#煤層工作面巷道發(fā)生嚴(yán)重底鼓的重要地質(zhì)原因。

2.2 水

水對巷道底鼓的影響主要通過水理作用表現(xiàn)出來。開挖巷道的松動作用，在底板中形成許多裂隙，當(dāng)水進入后，減少了巖塊間的摩擦力，致使巖體進一步破碎、松散，破壞了其完整性，使承載能力大大降低。水還減小層間粘結(jié)力，從而形成滑移面，使巖體分層，降低了巖體的抗拉壓能力，易于引起底鼓。

2.3 巷道布置［2］

在3303工作面巷道布置系統(tǒng)中，運聯(lián)平巷與瓦斯尾巷之間留有30 m寬的保護煤柱，根據(jù)對工作面?zhèn)认驊?yīng)力分析可知，在瓦斯尾巷兩側(cè)的實體煤和煤柱上形成如圖2所示的應(yīng)力分布曲線。在30m寬的煤柱上形成了雙駝峰的應(yīng)力分布曲線，由于應(yīng)力的疊加作用在煤柱側(cè)的應(yīng)力峰值要比實體煤側(cè)的應(yīng)力峰值大一些。這種巷道布置形式，造成瓦斯尾巷兩側(cè)存在高應(yīng)力集中，尤其是保護煤柱一側(cè)的應(yīng)力集中更大，最終造成了瓦斯尾巷的嚴(yán)重底鼓。

2 采動后工作面?zhèn)认蚣袘?yīng)力分布曲線

2.4 支護型式［3］

在賀西礦采取的一些底鼓治理措施中，如打底板錨桿，由于錨桿布置在松散、軟弱、裂隙發(fā)育的軟巖中，粘結(jié)劑不能保證錨桿與鉆孔間形成有效的全面粘結(jié)，從而導(dǎo)致錨桿總的有效粘結(jié)長度較小，降低了錨桿的粘結(jié)阻力;同時由于粘結(jié)劑凝結(jié)體的不繼續(xù)性，使應(yīng)力傳遞沿錨桿長度方向的連續(xù)性遭受破壞，最終造成錨桿抗拉拔阻力的大大降低。支護型式存在不合理性和不適應(yīng)性。支護方案的失敗也是發(fā)生底鼓的重要人為因素。

3 瓦斯尾巷底鼓機理分析

3303工作面瓦斯尾巷底鼓受多種特定條件影響，形成膨脹型及擠壓流動型底鼓，可以推知巷道底鼓按如下過程發(fā)展［4］。

1)開巷后巷道底板淺部一定范圍的巖層破壞，巷道掘進一般采用打眼放炮的方式進行，爆破使得巷道表面淺部一定范圍內(nèi)的圍巖裂隙增生擴大甚至破壞，從而導(dǎo)致這部分圍巖強度降低。同時巷道掘進的過程又是一個圍巖應(yīng)力不斷調(diào)整的過程，在這個過程中圍巖切向應(yīng)力增加。這兩方面共同作用使得巷道表面淺部一定范圍的巖層破壞，形成巷道圍巖“即時松動圈”，在這一階段將產(chǎn)生少量的底鼓。

2)水的作用使巷道底板圍巖破壞范圍加大，當(dāng)巷道底板圍巖出現(xiàn)一定的松動范圍后，圍巖裂隙的大量存在，使得水在巖石中的滲透流動成為可能。隨著水對巖石的侵蝕，底板巖石強度又進一步降低，強度降低后的巖石在巖層水平應(yīng)力的作用下又進一步被破壞從而使得水更容易進入底板更深部的巖層，增加了水與巖石的接觸面積，加劇了巖石的水理作用，使得更大范圍內(nèi)的底板巖層強度降低，底板巖層的破壞范圍也隨之加大。［5］因此，水的作用是一個使巷道底板巖層強度不斷降低和不斷破壞的過程。

3)集中應(yīng)力作用下兩幫和底板圍巖向巷道空間運動，當(dāng)巷道圍巖一定范圍內(nèi)的圍巖已松動破壞后，巷道圍巖的集中應(yīng)力向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移。當(dāng)深部圍巖受集中應(yīng)力的作用也進入峰后變形階段時，它們將釋放大量的彈性變形能，從而推動淺部圍巖向巷道空間運動，使淺部圍巖出現(xiàn)大量的滑移、錯動、轉(zhuǎn)動變形，同時，集中應(yīng)力又進一步向圍巖更深處轉(zhuǎn)移。這樣持續(xù)作用的結(jié)果是越靠近巷道表面，圍巖產(chǎn)生的位移越大，巖體破壞越嚴(yán)重，而集中應(yīng)力則逐漸減小，直至在巷道表面處徑向應(yīng)力變?yōu)榱悖?］。

4 瓦斯尾巷底鼓量構(gòu)成分析

根據(jù)前文對瓦斯尾巷底鼓影響因素及底鼓機理分析，3303工作面巷道底鼓量主要由底板圍巖彈塑性變形引起的底鼓量、底板圍巖破壞前擴容引起的底鼓量、底板圍巖破壞后峰后變形引起的底鼓量、圍巖中的粘土類礦物遇水膨脹引起的底鼓量構(gòu)成。

4.1 彈塑性變形引起的底鼓量

彈塑性變形引起的底鼓量可以把原巷道看作圓形巷道來探討。根據(jù)彈塑性理論［2］，雙向等壓情況下，巷道的周邊位移的計算公式(1):

式中:u—巷道周邊位移;a—巷道半徑; φ—內(nèi)磨擦角;G—剪切彈性模量;P—原巖應(yīng)力;c—粘結(jié)力;Pi—支護阻力。其中，G=E/2 (1+υ)，E—彈性模量，υ—泊松比。

4.2 底板巖層峰前擴容及峰后剪脹變形引起的底鼓量

巖石的峰后擴容可以導(dǎo)致大量級的底鼓。為了對巖石峰后剪脹引起的底鼓量有一個大致的了解，現(xiàn)根據(jù)巷道圍巖松動圈理論［6－7］作一估算。一般說來，由巖石峰前擴容和峰后剪脹引起的底鼓量主要和底板巖層的松動范圍、巖層應(yīng)力的大小和巖石膨脹系數(shù)有關(guān)，可以用式 (2)來估算它們引起的底鼓量的大小:

式中，Ud為由于巖石擴容、剪脹引起的底鼓量;ξ為巖石的膨脹系數(shù) (一般取0.05～0.5，這里取0.32);Lp為底板圍巖的松動范圍取4.8m;P0為原巖應(yīng)力，為9.8 MPa;Ra為底板巖層的單軸抗壓強度，大小為10.6 MPa。底板巖石為炭質(zhì)泥巖時，經(jīng)過計算，軟化狀態(tài)下Ud=545.68mm。

4.3 軟巖遇水引起的底鼓量

水主要滲透到已發(fā)生剪脹變形的圍巖中，即滲透區(qū)域主要是底板圍巖的松動范圍，因此，可以在巷道圍巖松動圈的基礎(chǔ)上來進行估算。其計算公式如式(3):

式中，Uf為底板巖層遇水膨脹產(chǎn)生的底鼓量;KS為自由膨脹率;Lp為底板圍巖的松動范圍(4.8 m);P0為原巖應(yīng)力(9.8 MPa);Ra為底板巖層的單軸抗壓強度 (10.6 MPa)。通過計算，軟巖遇水底鼓量，Uf=656.35 mm。

若不考慮時間因素的長期影響，則3303工作面瓦斯尾巷底鼓量主要由彈塑性變形引起的底鼓量、巷道圍巖剪脹變形引起的底鼓量和巖石遇水膨脹引起的底鼓量三部分組成?？紤]巷道底板為炭質(zhì)泥巖的情形，則總底鼓量為1213.8755 mm，它們?nèi)吒髯运嫉谋戎胤謩e為 1%、45%和54%。由此可見，賀西礦3#煤層工作面巷道底鼓量主要來自巷道圍巖剪脹變形、遇水膨脹和流變。

5 結(jié)論

1)根據(jù)對3303工作面瓦斯尾巷底鼓情況的分析，底鼓的主要影響因素有圍巖性質(zhì)、水、巷道布置、支護型式等。

2)研究巷道底鼓的整個過程，得到瓦斯尾巷底鼓機理:在膨脹型軟巖的特殊圍巖條件下，由于水的作用使巷道底板圍巖破壞范圍加大，再加上集中應(yīng)力的作用，最終導(dǎo)致了巷道的嚴(yán)重底鼓。

3)3303工作面瓦斯尾巷底鼓量主要由底板圍巖彈塑性變形引起的底鼓量、底板圍巖破壞前擴容引起的底鼓量、底板圍巖破壞后峰后變形引起的底鼓量、圍巖中的粘土類礦物遇水膨脹引起的底鼓量構(gòu)成。

4)根據(jù)對3303工作面瓦斯尾巷底鼓機理及底鼓量構(gòu)成的分析，為后續(xù)瓦斯尾巷底鼓治理提供理論依據(jù)。

［1］ 何滿潮.軟巖工程力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002

［2］ 陳炎光，陸士良，何朝炯，等.中國煤礦巷道圍巖控［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994

［3］ 馬念杰，候朝炯.采準(zhǔn)巷道礦壓理論及應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1995

［4］ 姜耀東，陸士良.巷道底鼓的機理研究 ［J］.煤炭學(xué)報，1994，19(4):343－351

［5］ 李樹清.葛泉礦軟巖大巷底鼓機理及控制研究［D］.中南大學(xué)，2004

［6］ 董方庭，宋宏偉，郭志宏，等.巷道圍巖松動圈支護理論［J］.煤炭學(xué)報，1994，19 (l):21－32

［7］ 宋宏偉，郭志宏，周榮章，等.圍巖松動圈巷道支護理論的基本觀點［J］.建井技術(shù)，1994，(4):3－9