浅析深部软岩巷道底鼓机理及控制技术
2017.06.26点击：
摘要：进入深部开采阶段，面对日益严重的软岩巷道底鼓问题，本文从巷道底鼓产生机理和底鼓的破坏程度两个方面对巷道底鼓进行了分类，分析了巷道底鼓的影响因素，并在此基础上总结了深部软岩巷道底鼓控制的基本原则及防治措施。
关键词：深部开采；巷道底鼓；底鼓机理；基本原则；防治措施
0 引 言
目前，我国煤矿开采深度逐渐增加，预计未来很多煤矿将转为千米深井。煤矿在深部开采时，地质环境复杂，在多场、多相耦合作用下，深部巷道支护特别是深部软岩巷道支护更加困难，巷道底鼓现象尤为突出。因此，在深部开采中软岩巷道的底鼓防治研究对深部矿井的安全生产有着重要的影响和意义。
1 巷道底鼓的类型
1.1按巷道底鼓产生机理分类
由于巷道地质条件、围岩性质和应力状态的不同，巷道底鼓产生的机理也不同，底鼓主要分为挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、剪切错动性底鼓和遇水膨胀性底鼓4类。不同类型的巷道底鼓，都有各自不同的特征，如表1所示。
表1 巷道底鼓的类型
底鼓类型
底鼓特征
挤压流动性底鼓
此类底鼓常发生于软弱破碎底板（如煤、粘土岩等），两帮及顶板强度远大于底板岩体强度,底板受到严重挤压形成挤压流动性底鼓，如图1(a)。
挠曲褶皱性底鼓
此类底鼓是在平行于层理方向的压力作用下，底板岩层向巷道内部挠曲褶皱使底板岩体失稳产生的，如图1(b)。底板岩层分层越薄，巷道越宽，底鼓量也越大。
剪切错动性底鼓
巷道直接底板为厚层岩体，在高应力作用下，底板受剪切作用发生破坏，底板岩层由于剪切破坏出现楔块体，相互错动的楔块体造成巷道底鼓，如图1(c)。
遇水膨胀性底鼓
通常，含有蒙脱石、伊利石等的粘土岩层浸水后，岩石强度弱化，同时便随体积的急剧增大。在井下生产中，膨胀岩底板遇水会迅速膨胀，形成膨胀性底鼓。
(a) 挤压流动性底鼓 (b) 挠曲褶皱性底鼓 (c) 剪切错动性底鼓
图1 巷道底鼓类型和表现形式
1.2按巷道底鼓破坏程度分类
根据巷道底鼓的破坏程度，巷道底鼓可分为以下4类：
1.2.1轻微底鼓
底鼓量为100～200mm，巷道两帮基本没有移动变形，底板出现微小裂痕，顶板局部开裂，底板轨道有轻微鼓偏，断面收缩量小，巷道底鼓不严重，不影响正常使用，如图2(a)。
1.2.2 明显底鼓
底鼓量为200～300mm，巷道底鼓现象明显，底鼓速度增加，3～4天底鼓量可达20～50mm。巷道两帮发生内移变形，顶板下沉，巷道底板起鼓，轨道偏斜，水沟被挤，喷层开裂，需要及时进行巷道维护，如图2(b)。
1.2.3 严重底鼓
底鼓量为300～500mm，底鼓速度迅速增大，一昼夜的底鼓量可达50～100mm，底鼓持续时间长，巷道两帮移近量增大，顶板下沉、开裂，枕木鼓歪、鼓断，轨面鼓偏，水沟挤坏，巷道喷层裂缝较大，严重影响煤矿的安全生产，必须及时进行翻修、扩修处理，如图2(c)。
1.2.4 破坏性底鼓
底鼓量达500～800mm，底鼓发展迅速，对巷道两帮、顶板及底板结构的稳定性破坏极大，一昼夜的底鼓量可达200～300mm。此类底鼓现象极其严重，巷道两帮岩石开裂、片帮、内移，顶板破裂、下沉，底鼓持续时间较长，严重时可使巷道垮落并处于半封闭状态，无法正常行人和通风，必须进行彻底翻修和加强支护，如图2(d)。
(a)轻微底鼓 (b) 明显底鼓
(c) 严重底鼓 (d) 破坏性底鼓
图2 巷道破坏分类及其示意图
2 巷道底鼓的影响因素
巷道底鼓的影响因素众多，其中底板岩性、应力状态及地质条件（水理作用）是造成底鼓的主要因素，支护强度和巷道断面形状对巷道底鼓的形成与发展有一定的影响。
2.1 底板岩性
巷道底板岩性对巷道底鼓的形成起决定性的作用。
（1）巷道底板岩层的薄厚以及破碎程度等不同的地质条件，形成了如1.1所述的巷道底鼓的类型。
（2）巷道为软弱底板岩层时，其强度远远小于底板深部完整岩层及两帮围岩的强度，在力的作用下，底板软弱岩层的变形随着时间的增长而不断增大，故巷道底板岩层的软弱程度在一定意义上决定了巷道底鼓的严重程度。
（3）在一定的厚度范围内，巷道底板软弱岩层的厚度越大，巷道底鼓量和底鼓速度越大，底鼓也越严重，故巷道底板软弱岩层的厚度也是引起底鼓的重要因素。
2.2 应力状态
开采深度不断增加，巷道围岩垂直应力及水平应力也随之增加，但在巷道底板处会出现垂直应力降低区和水平应力集中区，水平应力会加速巷道底板围岩的塑性破坏，底板围岩在浅部首先出现塑性破坏区，然后不断向底板深部围岩扩展变化，随着水平应力的增加，巷道底板塑性破坏区面积将持续增大，加之软岩本身的蠕变性能，在水平应力作用下巷道底板已经破坏的围岩将向巷道内部移动，导致底鼓。随着巷道埋深的不断增大，巷道发生底鼓的可能性越大，底鼓的严重性相应加重。
2.3 水理作用
煤矿开采过程中，巷道底板不可避免的会存有积水，底板岩石遇水后强度会出现不同程度的减弱，水的存在会加重底鼓的变形，具体如表2所示：
表2 底鼓的水理作用
特征
底板状况
底板有积水
底板岩层强度降低，使之极易破坏
底板以伊利石、蒙脱石等粘土矿物为主
水浸入底板岩层，岩体发生破裂、泥化、崩解，使底板岩体强度丧失，产生弧状底鼓，最终导致挤压流动性底鼓
底板以伊蒙混层和蒙脱石等粘土矿物为主
水浸入巷道底板表层，并以岩体的裂隙为通道渗入底板深部，使围岩强度减弱，体积膨胀，裂隙进一步扩大，导致巷道底板膨胀性底鼓
3 巷道底鼓的控制
3.1 巷道底鼓控制的基本原则
3.1.1 “主次先后”原则
对巷道底鼓的防治，首先要结合地质条件研究产生底鼓的原因，根据巷道设计、支护及维护等环节分析产生底鼓的主要因素、次要因素以及各施工工序的先后顺序，选择针对性的巷道底鼓治理措施，以满足对主、次因素及先、后施工工序的控制要求。
3.1.2 综合性原则
底鼓通常情况下是多种因素共同作用形成的，这些因素包括围岩应力、底板岩性、底板含水性、巷道支护方式、支护强度、时间等，底鼓的治理需对主要的影响因素进行合理的对策，如底板锚注支护、起底、两帮加强支护等，各对策相互协调，共同作用，才能最大限度的对底鼓进行治理。因此，巷道底鼓治理是一个综合性的治理措施。
3.1.3 持续性原则
工程实践表明，煤矿在深部开采中，巷道围岩应力较大，底板岩层多为软弱岩层，由于岩体的蠕变作用或受采动的影响，在底鼓治理一段时间后，巷道会再次发生不同严重程度的底鼓，出现交替现象。因此，针对深部巷道底鼓治理具有长期性的特点，必须保证底鼓治理措施的施工质量，同时加强巷道围岩变形的监测反馈。
3.2巷道底鼓的防治措施
巷道底鼓的控制技术，主要分为预防和治理两类。治理底鼓的方法主要是起底，即把巷道底板的破碎岩石清理，并进行加固。巷道起底后，巷道围岩的稳定结构遭到破坏，严重时可导致巷道围岩失稳而坍塌，此方法只能对巷道底鼓进行短时间的改善，不能从根本上对底鼓进行治理。而底鼓的预防措施则是以底鼓产生的机理为基础，采取的有针对性的预防措施。为保证巷道围岩稳定，保护底板岩层，应当坚持预防为主、治理为辅、防治结合的理念。常见的底鼓预防措施主要有以下4种。
3.2.1 加固法
加固法通过提高巷道底板的岩石强度及其支护强度，实现巷道底鼓的控制，是目前最常用的底鼓治理方法。
采用底板锚杆、底板注浆、底板锚注及反拱支护的方法增强底板围岩强度；采用砌筑底拱、砌暄、全封闭式巷道支架、底板衍架等方法提高巷道底板支护强度；采用锚网全封闭混凝土、喷网全封闭金属可缩性支架、全封闭锚喷等联合支护方式来控制底鼓；地质条件复杂的情况下，可同时采用以上多种防治方法对底鼓进行综合性治理。
3.2.2 卸压法
卸压法是将巷道围岩的应力向深部转移来达到控制底鼓的目的，是一种广泛使用的底鼓治理方法。
对于应力集中较显著的底鼓类型，采用松动爆破或在底板中心打卸压孔或卸压槽的方式进行底鼓治理；对挠曲褶皱型底鼓采用切缝卸压的方式进行治理；另外，可通过刚柔层卸压技术，即在一次支护与二衬之间进行可压缩支护或充填柔性层，使其刚度匹配，完成卸压，进行底鼓治理。
3.2.3 联合法
联合法是加固法和卸压法的综合，最大限度的进行巷道底鼓治理。加固措施提高巷道顶、底、两帮围岩的承载能力，卸压措施可实现围岩应力的深部转移，减小巷道围岩应力。此方法适用于应力集中较大、底鼓较严重的巷道。
3.2.4 全封闭式巷道支架
软弱破碎的巷道底板，用锚杆加固的方法不能有效控制底鼓，此时采用全封闭式支架可有效防治巷道底鼓。全封闭式支架有反拱结构，可大大提高支架抵抗巷道两帮内移的能力，同时减小巷道底板的水平应力，有效控制巷道底板岩层的离层和断裂。全封闭式巷道支架改变了巷道底板岩层的受力状态，使底板岩层由双向受力状态变为三向受力状态，提高围岩的强度，增加巷道围岩的稳定性，可有效预防巷道底鼓的产生。
4 结语
（1）在深部开采中，巷道的底鼓问题将日益严重，根据底鼓产生机理，巷道底鼓可分为挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、剪切错动性底鼓和遇水膨胀性底鼓4类；根据底鼓破坏程度，巷道底鼓可分为轻微底鼓、明显底鼓、严重底鼓和破坏性底鼓4类。
（2）巷道底鼓产生的主要影响因素有底板岩性、应力状态及水理作用是导致底鼓的主要因素，支护强度和巷道断面形状对巷道底鼓的产生有一定的影响。
（3）由于巷道底鼓的原因各异，所以对巷道底鼓坚持“主次先后”的原则，以预防为主、治理为辅、防治结合的理念，对巷道底鼓采用针对性的防治措施进行治理，同时加强巷道围岩变形的监测反馈。
参考文献
[1] 何满潮,张国锋,王桂莲等.深部煤巷底臌控制机制及应用研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28（S1）:2593-2598.
[2] 姜耀东,赵毅鑫,刘文岗等.深部开采中巷道底鼓问题的研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(14):2396-2401.
[3] 王景锁.巷道底鼓机理及防治措施研究与实践[J].煤炭与化工,2014,37(1)：97-99.
[4] 孔恒,王梦恕,张德华.隧道底板隆起的成因、分类与控制[J].中国安全科学学报,2003,13(1):30-33.
[5] 杨昕.深部巷道变形控制的锚网支护基础研究[D].硕士学位论文:北京科技大学,2007.
关键词：深部开采；巷道底鼓；底鼓机理；基本原则；防治措施
0 引 言
目前，我国煤矿开采深度逐渐增加，预计未来很多煤矿将转为千米深井。煤矿在深部开采时，地质环境复杂，在多场、多相耦合作用下，深部巷道支护特别是深部软岩巷道支护更加困难，巷道底鼓现象尤为突出。因此，在深部开采中软岩巷道的底鼓防治研究对深部矿井的安全生产有着重要的影响和意义。
1 巷道底鼓的类型
1.1按巷道底鼓产生机理分类
由于巷道地质条件、围岩性质和应力状态的不同，巷道底鼓产生的机理也不同，底鼓主要分为挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、剪切错动性底鼓和遇水膨胀性底鼓4类。不同类型的巷道底鼓，都有各自不同的特征，如表1所示。
表1 巷道底鼓的类型
底鼓类型
底鼓特征
挤压流动性底鼓
此类底鼓常发生于软弱破碎底板（如煤、粘土岩等），两帮及顶板强度远大于底板岩体强度,底板受到严重挤压形成挤压流动性底鼓，如图1(a)。
挠曲褶皱性底鼓
此类底鼓是在平行于层理方向的压力作用下，底板岩层向巷道内部挠曲褶皱使底板岩体失稳产生的，如图1(b)。底板岩层分层越薄，巷道越宽，底鼓量也越大。
剪切错动性底鼓
巷道直接底板为厚层岩体，在高应力作用下，底板受剪切作用发生破坏，底板岩层由于剪切破坏出现楔块体，相互错动的楔块体造成巷道底鼓，如图1(c)。
遇水膨胀性底鼓
通常，含有蒙脱石、伊利石等的粘土岩层浸水后，岩石强度弱化，同时便随体积的急剧增大。在井下生产中，膨胀岩底板遇水会迅速膨胀，形成膨胀性底鼓。
(a) 挤压流动性底鼓 (b) 挠曲褶皱性底鼓 (c) 剪切错动性底鼓
图1 巷道底鼓类型和表现形式
1.2按巷道底鼓破坏程度分类
根据巷道底鼓的破坏程度，巷道底鼓可分为以下4类：
1.2.1轻微底鼓
底鼓量为100～200mm，巷道两帮基本没有移动变形，底板出现微小裂痕，顶板局部开裂，底板轨道有轻微鼓偏，断面收缩量小，巷道底鼓不严重，不影响正常使用，如图2(a)。
1.2.2 明显底鼓
底鼓量为200～300mm，巷道底鼓现象明显，底鼓速度增加，3～4天底鼓量可达20～50mm。巷道两帮发生内移变形，顶板下沉，巷道底板起鼓，轨道偏斜，水沟被挤，喷层开裂，需要及时进行巷道维护，如图2(b)。
1.2.3 严重底鼓
底鼓量为300～500mm，底鼓速度迅速增大，一昼夜的底鼓量可达50～100mm，底鼓持续时间长，巷道两帮移近量增大，顶板下沉、开裂，枕木鼓歪、鼓断，轨面鼓偏，水沟挤坏，巷道喷层裂缝较大，严重影响煤矿的安全生产，必须及时进行翻修、扩修处理，如图2(c)。
1.2.4 破坏性底鼓
底鼓量达500～800mm，底鼓发展迅速，对巷道两帮、顶板及底板结构的稳定性破坏极大，一昼夜的底鼓量可达200～300mm。此类底鼓现象极其严重，巷道两帮岩石开裂、片帮、内移，顶板破裂、下沉，底鼓持续时间较长，严重时可使巷道垮落并处于半封闭状态，无法正常行人和通风，必须进行彻底翻修和加强支护，如图2(d)。
(a)轻微底鼓 (b) 明显底鼓
(c) 严重底鼓 (d) 破坏性底鼓
图2 巷道破坏分类及其示意图
2 巷道底鼓的影响因素
巷道底鼓的影响因素众多，其中底板岩性、应力状态及地质条件（水理作用）是造成底鼓的主要因素，支护强度和巷道断面形状对巷道底鼓的形成与发展有一定的影响。
2.1 底板岩性
巷道底板岩性对巷道底鼓的形成起决定性的作用。
（1）巷道底板岩层的薄厚以及破碎程度等不同的地质条件，形成了如1.1所述的巷道底鼓的类型。
（2）巷道为软弱底板岩层时，其强度远远小于底板深部完整岩层及两帮围岩的强度，在力的作用下，底板软弱岩层的变形随着时间的增长而不断增大，故巷道底板岩层的软弱程度在一定意义上决定了巷道底鼓的严重程度。
（3）在一定的厚度范围内，巷道底板软弱岩层的厚度越大，巷道底鼓量和底鼓速度越大，底鼓也越严重，故巷道底板软弱岩层的厚度也是引起底鼓的重要因素。
2.2 应力状态
开采深度不断增加，巷道围岩垂直应力及水平应力也随之增加，但在巷道底板处会出现垂直应力降低区和水平应力集中区，水平应力会加速巷道底板围岩的塑性破坏，底板围岩在浅部首先出现塑性破坏区，然后不断向底板深部围岩扩展变化，随着水平应力的增加，巷道底板塑性破坏区面积将持续增大，加之软岩本身的蠕变性能，在水平应力作用下巷道底板已经破坏的围岩将向巷道内部移动，导致底鼓。随着巷道埋深的不断增大，巷道发生底鼓的可能性越大，底鼓的严重性相应加重。
2.3 水理作用
煤矿开采过程中，巷道底板不可避免的会存有积水，底板岩石遇水后强度会出现不同程度的减弱，水的存在会加重底鼓的变形，具体如表2所示：
表2 底鼓的水理作用
特征
底板状况
底板有积水
底板岩层强度降低，使之极易破坏
底板以伊利石、蒙脱石等粘土矿物为主
水浸入底板岩层，岩体发生破裂、泥化、崩解，使底板岩体强度丧失，产生弧状底鼓，最终导致挤压流动性底鼓
底板以伊蒙混层和蒙脱石等粘土矿物为主
水浸入巷道底板表层，并以岩体的裂隙为通道渗入底板深部，使围岩强度减弱，体积膨胀，裂隙进一步扩大，导致巷道底板膨胀性底鼓
3 巷道底鼓的控制
3.1 巷道底鼓控制的基本原则
3.1.1 “主次先后”原则
对巷道底鼓的防治，首先要结合地质条件研究产生底鼓的原因，根据巷道设计、支护及维护等环节分析产生底鼓的主要因素、次要因素以及各施工工序的先后顺序，选择针对性的巷道底鼓治理措施，以满足对主、次因素及先、后施工工序的控制要求。
3.1.2 综合性原则
底鼓通常情况下是多种因素共同作用形成的，这些因素包括围岩应力、底板岩性、底板含水性、巷道支护方式、支护强度、时间等，底鼓的治理需对主要的影响因素进行合理的对策，如底板锚注支护、起底、两帮加强支护等，各对策相互协调，共同作用，才能最大限度的对底鼓进行治理。因此，巷道底鼓治理是一个综合性的治理措施。
3.1.3 持续性原则
工程实践表明，煤矿在深部开采中，巷道围岩应力较大，底板岩层多为软弱岩层，由于岩体的蠕变作用或受采动的影响，在底鼓治理一段时间后，巷道会再次发生不同严重程度的底鼓，出现交替现象。因此，针对深部巷道底鼓治理具有长期性的特点，必须保证底鼓治理措施的施工质量，同时加强巷道围岩变形的监测反馈。
3.2巷道底鼓的防治措施
巷道底鼓的控制技术，主要分为预防和治理两类。治理底鼓的方法主要是起底，即把巷道底板的破碎岩石清理，并进行加固。巷道起底后，巷道围岩的稳定结构遭到破坏，严重时可导致巷道围岩失稳而坍塌，此方法只能对巷道底鼓进行短时间的改善，不能从根本上对底鼓进行治理。而底鼓的预防措施则是以底鼓产生的机理为基础，采取的有针对性的预防措施。为保证巷道围岩稳定，保护底板岩层，应当坚持预防为主、治理为辅、防治结合的理念。常见的底鼓预防措施主要有以下4种。
3.2.1 加固法
加固法通过提高巷道底板的岩石强度及其支护强度，实现巷道底鼓的控制，是目前最常用的底鼓治理方法。
采用底板锚杆、底板注浆、底板锚注及反拱支护的方法增强底板围岩强度；采用砌筑底拱、砌暄、全封闭式巷道支架、底板衍架等方法提高巷道底板支护强度；采用锚网全封闭混凝土、喷网全封闭金属可缩性支架、全封闭锚喷等联合支护方式来控制底鼓；地质条件复杂的情况下，可同时采用以上多种防治方法对底鼓进行综合性治理。
3.2.2 卸压法
卸压法是将巷道围岩的应力向深部转移来达到控制底鼓的目的，是一种广泛使用的底鼓治理方法。
对于应力集中较显著的底鼓类型，采用松动爆破或在底板中心打卸压孔或卸压槽的方式进行底鼓治理；对挠曲褶皱型底鼓采用切缝卸压的方式进行治理；另外，可通过刚柔层卸压技术，即在一次支护与二衬之间进行可压缩支护或充填柔性层，使其刚度匹配，完成卸压，进行底鼓治理。
3.2.3 联合法
联合法是加固法和卸压法的综合，最大限度的进行巷道底鼓治理。加固措施提高巷道顶、底、两帮围岩的承载能力，卸压措施可实现围岩应力的深部转移，减小巷道围岩应力。此方法适用于应力集中较大、底鼓较严重的巷道。
3.2.4 全封闭式巷道支架
软弱破碎的巷道底板，用锚杆加固的方法不能有效控制底鼓，此时采用全封闭式支架可有效防治巷道底鼓。全封闭式支架有反拱结构，可大大提高支架抵抗巷道两帮内移的能力，同时减小巷道底板的水平应力，有效控制巷道底板岩层的离层和断裂。全封闭式巷道支架改变了巷道底板岩层的受力状态，使底板岩层由双向受力状态变为三向受力状态，提高围岩的强度，增加巷道围岩的稳定性，可有效预防巷道底鼓的产生。
4 结语
（1）在深部开采中，巷道的底鼓问题将日益严重，根据底鼓产生机理，巷道底鼓可分为挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、剪切错动性底鼓和遇水膨胀性底鼓4类；根据底鼓破坏程度，巷道底鼓可分为轻微底鼓、明显底鼓、严重底鼓和破坏性底鼓4类。
（2）巷道底鼓产生的主要影响因素有底板岩性、应力状态及水理作用是导致底鼓的主要因素，支护强度和巷道断面形状对巷道底鼓的产生有一定的影响。
（3）由于巷道底鼓的原因各异，所以对巷道底鼓坚持“主次先后”的原则，以预防为主、治理为辅、防治结合的理念，对巷道底鼓采用针对性的防治措施进行治理，同时加强巷道围岩变形的监测反馈。
参考文献
[1] 何满潮,张国锋,王桂莲等.深部煤巷底臌控制机制及应用研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28（S1）:2593-2598.
[2] 姜耀东,赵毅鑫,刘文岗等.深部开采中巷道底鼓问题的研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(14):2396-2401.
[3] 王景锁.巷道底鼓机理及防治措施研究与实践[J].煤炭与化工,2014,37(1)：97-99.
[4] 孔恒,王梦恕,张德华.隧道底板隆起的成因、分类与控制[J].中国安全科学学报,2003,13(1):30-33.
[5] 杨昕.深部巷道变形控制的锚网支护基础研究[D].硕士学位论文:北京科技大学,2007.
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