寧東礦區(qū)典型軟巖回采巷道底臌失穩(wěn)機理與安全控制技術(shù)研究一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為我國重要的基礎(chǔ)能源，在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著關(guān)鍵地位。隨著煤炭開采深度和強度的不斷增加，巷道支護面臨著愈發(fā)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。寧東礦區(qū)作為我國重要的煤炭生產(chǎn)基地之一，其回采巷道多處于軟巖地質(zhì)條件下，軟巖巷道底臌問題極為突出。據(jù)相關(guān)觀測資料顯示，寧東礦區(qū)很多礦巷道頂?shù)装逡平靠蛇_1300多毫米，平均每天達10多毫米，而底鼓量約占頂?shù)滓平康?0%，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用和工作面的正常生產(chǎn)。底臌導(dǎo)致巷道斷面縮小，通風(fēng)阻力增大，通風(fēng)效果變差，無法滿足井下通風(fēng)需求，嚴(yán)重時甚至?xí)斐赏咚狗e聚，威脅礦井安全生產(chǎn)。同時，底臌使得巷道內(nèi)的運輸設(shè)備運行受阻，增加了運輸故障的發(fā)生概率，降低了煤炭運輸效率，進而影響整個礦井的生產(chǎn)進度。巷道底臌還會導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)承受額外的壓力，加速支護結(jié)構(gòu)的損壞，使得巷道需要頻繁修復(fù)，不僅增加了維修成本和人力投入，還嚴(yán)重影響了礦井的采掘接替計劃，制約了礦井的安全生產(chǎn)和高效運營。此外，巷道底臌還可能引發(fā)頂板冒落等次生災(zāi)害，對井下作業(yè)人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著寧東礦區(qū)煤炭開采向深部延伸，地應(yīng)力增大，軟巖巷道底臌問題愈發(fā)嚴(yán)重，傳統(tǒng)的支護技術(shù)和方法難以有效控制底臌變形，急需深入研究底臌失穩(wěn)機理，探索更為有效的安全控制技術(shù)。因此，開展寧東礦區(qū)典型軟巖回采巷道底臌失穩(wěn)機理與安全控制技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實意義。通過揭示底臌失穩(wěn)的內(nèi)在機制，能夠為制定針對性的控制技術(shù)提供理論依據(jù)，有效控制巷道底臌變形，保障巷道的穩(wěn)定和安全生產(chǎn)，提高礦井的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。同時，該研究成果對于其他類似地質(zhì)條件下的煤礦巷道支護也具有重要的參考和借鑒價值，有助于推動整個煤炭行業(yè)的技術(shù)進步和可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1軟巖巷道底臌失穩(wěn)機理研究現(xiàn)狀在國外，學(xué)者們較早關(guān)注軟巖巷道底臌問題。如A.Afrouz指出，底板為松軟巖層、巷道圍巖中存在較高的巖層應(yīng)力和水理作用是引起巷道底鼓的主要三種因素。Kaiser和Potvin對深部軟巖巷道變形破壞進行研究，強調(diào)了高地應(yīng)力和巖石低強度特性對底臌的影響。國內(nèi)學(xué)者在軟巖巷道底臌失穩(wěn)機理研究方面也取得了豐富成果?？导t普等分析認(rèn)為底鼓產(chǎn)生的原因在于失穩(wěn)的底板巖層向巷道內(nèi)壓曲、偏應(yīng)力作用下的擴容、巖石自身的遇水膨脹。GeselM、曲永新等認(rèn)為底板泥巖遇水膨脹是巷道底鼓的本質(zhì)。王衛(wèi)軍等對回采巷道底臌機制進行系統(tǒng)總結(jié)，指出底臌主要來自底板破碎巖層的峰后變形，而頂板、兩幫的變形對底臌亦產(chǎn)生重要影響。還有學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法，研究了不同地質(zhì)條件下軟巖巷道底臌的力學(xué)機制，如考慮水平應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、采動應(yīng)力等對底臌的影響。1.2.2軟巖巷道底臌控制技術(shù)研究現(xiàn)狀在控制技術(shù)方面，國外發(fā)展了多種有效的支護方式。例如，澳大利亞的一些煤礦采用高預(yù)應(yīng)力錨索支護技術(shù)，增強了巷道圍巖的穩(wěn)定性，有效控制了底臌變形；美國則注重在巷道設(shè)計階段優(yōu)化巷道布置，減少應(yīng)力集中，從而降低底臌發(fā)生的可能性。國內(nèi)針對軟巖巷道底臌問題，發(fā)展了一系列控制技術(shù)。包括加強支護類，如采用錨桿、錨索、U型鋼支架等聯(lián)合支護，提高支護結(jié)構(gòu)的承載能力；底板加固類，如底板注漿、底板錨桿、反底拱等，增強底板巖層的強度和穩(wěn)定性；應(yīng)力控制類，如開卸壓槽、鉆孔或松動爆破等卸壓措施，改變巷道圍巖應(yīng)力分布，降低底臌應(yīng)力。大佛寺煤礦針對40110工作面運輸巷底鼓問題，提出“泄壓槽+底角錨桿+底板硬化”支護形式，有效控制了巷道地板圍巖的穩(wěn)定性?；幢蓖っ旱V7216機巷采用錨網(wǎng)索反底拱維修技術(shù)方案，成功解決了底鼓嚴(yán)重的問題，取得良好的經(jīng)濟技術(shù)效果。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)盡管國內(nèi)外在軟巖巷道底臌失穩(wěn)機理和控制技術(shù)方面取得了一定成果，但仍存在不足。在機理研究方面，雖然對各種影響因素有了一定認(rèn)識，但對于多因素耦合作用下的底臌失穩(wěn)機制研究還不夠深入，尤其是寧東礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下，地應(yīng)力、軟巖特性、水理作用以及采動影響等多因素相互作用的定量分析較少。不同學(xué)者對底鼓機理的觀點雖有共識但也存在差異，尚未形成統(tǒng)一完善的理論體系。在控制技術(shù)方面，現(xiàn)有技術(shù)在某些特定條件下能取得較好效果，但缺乏普適性，難以直接應(yīng)用于寧東礦區(qū)。對于深部開采條件下，高地應(yīng)力、大變形軟巖巷道底臌的控制技術(shù)還需進一步探索和優(yōu)化。在實際工程應(yīng)用中，支護方案的設(shè)計往往缺乏針對性，未能充分考慮具體工程地質(zhì)條件和底臌機理，導(dǎo)致支護效果不佳。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容（1）寧東礦區(qū)典型軟巖回采巷道地質(zhì)條件分析。詳細(xì)研究寧東礦區(qū)軟巖的巖石力學(xué)性質(zhì)，包括巖石的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比等參數(shù)，分析軟巖的礦物成分、結(jié)構(gòu)特征以及節(jié)理裂隙發(fā)育情況對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。對礦區(qū)地應(yīng)力場進行測試和分析，確定地應(yīng)力的大小、方向和分布規(guī)律，研究地應(yīng)力與巷道布置方向的關(guān)系，以及地應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。同時，分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件，包括地下水的賦存狀態(tài)、水位、水壓以及水的化學(xué)成分等，探討地下水對軟巖巷道底臌的作用機制。（2）軟巖回采巷道底臌失穩(wěn)機理研究。從力學(xué)角度出發(fā)，分析巷道開挖后圍巖應(yīng)力重新分布的規(guī)律，研究水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力等在底板巖層中的傳遞和變化情況，探討應(yīng)力集中對底板巖層破壞的影響?？紤]軟巖的流變特性，建立軟巖流變模型，研究軟巖在長期荷載作用下的變形規(guī)律，分析流變對底臌發(fā)展的影響。通過理論分析和數(shù)值模擬，研究底板巖層在各種因素作用下的破壞模式，如擠壓流動、撓曲褶皺、剪切錯動等，揭示底臌失穩(wěn)的內(nèi)在機制。（3）軟巖回采巷道底臌控制技術(shù)研究。針對寧東礦區(qū)軟巖巷道底臌問題，提出合理的支護技術(shù)方案，包括錨桿、錨索、U型鋼支架等的聯(lián)合支護方式，優(yōu)化支護參數(shù)，如錨桿長度、間距、錨索預(yù)緊力等，提高支護結(jié)構(gòu)的承載能力。研究底板加固技術(shù)，如底板注漿、底板錨桿、反底拱等，分析各種加固技術(shù)的作用原理和適用條件，通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬，確定最佳的底板加固方案。探索應(yīng)力控制技術(shù)，如開卸壓槽、鉆孔或松動爆破等卸壓措施，研究卸壓對巷道圍巖應(yīng)力分布的影響，確定合理的卸壓參數(shù)和卸壓時機，有效降低底臌應(yīng)力。（4）工程應(yīng)用與效果驗證。將研究成果應(yīng)用于寧東礦區(qū)實際軟巖回采巷道工程中，對巷道進行支護設(shè)計和施工，監(jiān)測巷道圍巖變形、應(yīng)力變化等參數(shù)，驗證控制技術(shù)的有效性。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對支護方案和控制技術(shù)進行優(yōu)化和調(diào)整，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，為今后類似工程提供參考和借鑒。1.3.2研究方法（1）現(xiàn)場實測。在寧東礦區(qū)選取典型軟巖回采巷道，布置監(jiān)測點，采用全站儀、收斂計、壓力盒等監(jiān)測儀器，對巷道圍巖的變形、應(yīng)力、位移等參數(shù)進行長期監(jiān)測，獲取現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，分析巷道底臌的發(fā)展規(guī)律和影響因素。同時，觀察巷道的破壞形態(tài)和特征，為理論分析和數(shù)值模擬提供依據(jù)。（2）理論分析。運用巖石力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)等理論，對軟巖回采巷道底臌失穩(wěn)機理進行深入分析，建立力學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)計算公式，研究巷道圍巖應(yīng)力分布、變形規(guī)律以及底臌失穩(wěn)的力學(xué)機制?；诶碚摲治鼋Y(jié)果，為底臌控制技術(shù)的研究提供理論支持。（3）數(shù)值模擬。采用FLAC3D、ANSYS等數(shù)值模擬軟件，建立軟巖回采巷道的三維數(shù)值模型，模擬巷道開挖、支護以及底臌發(fā)展的全過程，分析不同地質(zhì)條件、支護方式和控制技術(shù)下巷道圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布情況，預(yù)測底臌變形量，優(yōu)化支護參數(shù)和控制技術(shù)方案。通過數(shù)值模擬，可以直觀地展示巷道底臌的發(fā)生發(fā)展過程，為研究提供可視化的分析手段。（4）室內(nèi)試驗。對寧東礦區(qū)軟巖進行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗，包括巖石的抗壓強度試驗、抗拉強度試驗、剪切強度試驗、流變試驗等，測定軟巖的力學(xué)參數(shù)，研究軟巖的力學(xué)特性和變形規(guī)律。開展軟巖的水理性質(zhì)試驗，如吸水性試驗、膨脹性試驗等，分析地下水對軟巖性質(zhì)的影響。通過室內(nèi)試驗，為理論分析和數(shù)值模擬提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。二、寧東礦區(qū)典型軟巖特性分析2.1寧東礦區(qū)地質(zhì)概況寧東礦區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)東部，大地構(gòu)造位置處于一級構(gòu)造單元華北陸塊，二級構(gòu)造單元鄂爾多斯地塊，三級構(gòu)造單元鄂爾多斯西緣被動陸緣坳陷和鄂爾多斯陸內(nèi)盆地，分屬鄂爾多斯陸內(nèi)盆地和鄂爾多斯盆地西緣褶皺逆沖帶2個三級賦煤構(gòu)造單元。其主體構(gòu)造為南北向的逆沖構(gòu)造帶，由向東逆沖的斷裂和走向南北的褶皺組成，以黃河斷裂和青銅峽—固原斷裂構(gòu)成邊界。主要逆沖帶包含桌子山—橫山堡逆沖帶和青龍山—云霧山逆沖帶，并發(fā)育有韋州—安國斷裂、青龍山—平?jīng)鰯嗔选⒒莅脖ぁ尘訑嗔?、馬柳斷裂等，相應(yīng)地形成了韋州、青龍山、石溝驛、煙筒山逆沖席。這些主要逆沖斷裂的斷面在地表陡立，向下緩斜，深部收斂，并沿石炭二疊紀(jì)煤系地層順層滑脫。與主要逆沖斷裂相伴生的還有一些同向的分支逆沖斷層和反向逆沖斷層，同時還伴隨著一些和斷層成因有密切關(guān)系的不對稱背斜構(gòu)造。寧東礦區(qū)內(nèi)出露地層較為豐富，自老至新依次有新元古界青白口系王全口組、震旦系正目觀組；早古生界寒武系、奧陶系上中下統(tǒng)；晚古生界石炭系上統(tǒng)土坡組、太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上石盒子組、孫家溝組；中生界三疊系劉家溝組、和尚溝組，侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組，上統(tǒng)安定組、白堊系；新生界古近系、新近系、第四系。其中，含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組和侏羅系中統(tǒng)延安組。太原組以海陸交互相的三角洲體系沉積為主，巖性主要為灰色石英砂巖、灰黑色粉砂巖與泥巖，夾灰?guī)r與煤層，灰?guī)r中含腕足和?科化石，其層位與賀蘭山可對比，含可采及局部可采煤層2-11層；山西組為河流體系沉積，巖性由北向南有變細(xì)的趨勢，在橫山堡以粗砂巖及灰綠色粉砂巖為主，在韋州向斜粒度變細(xì)，含可采及局部可采煤6層；延安組為一套湖泊三角洲—河流體系沉積，巖性為灰、深灰、灰黑色粉砂巖、泥巖及灰白色細(xì)—中粗粒砂巖，夾炭質(zhì)泥巖和煤層，地層中富含多種自生礦物如黃鐵礦、碳酸鹽、重晶石、硬石膏等，明顯與上覆及下伏地層相區(qū)別，厚度變化由東向西、由北向南漸增厚，尤以東西向變化最為明顯。石炭二疊紀(jì)煤系地層主要分布在煤田的橫城礦區(qū)、韋州礦區(qū)及石溝驛向斜的深部。橫城處在寧夏區(qū)煤系東側(cè)的石嘴山—橫城富煤帶上，韋州、石溝驛處在沙巴臺—韋州貧煤帶上，山西組煤層厚度變化小，太原組煤層厚度變化較大，煤層聚集的貧富受其控制因素的影響。延安組煤系地層則主要分布在寧東的廣大地區(qū)及石溝驛礦區(qū)。2.2軟巖的巖性特征寧東礦區(qū)典型軟巖主要包括泥巖、粉砂巖以及泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖等。這些軟巖的巖石組成較為復(fù)雜，礦物成分中黏土礦物含量較高，主要有高嶺石、伊利石和蒙脫石等。其中，蒙脫石具有較強的親水性，遇水后容易發(fā)生膨脹，這是導(dǎo)致軟巖巷道底臌的重要因素之一。泥巖的結(jié)構(gòu)較為致密，但強度較低，其顆粒細(xì)小，多呈層狀結(jié)構(gòu)，層理發(fā)育明顯。粉砂巖的顆粒相對較粗，結(jié)構(gòu)相對疏松，膠結(jié)程度較差。泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖中，泥質(zhì)作為膠結(jié)物，使得砂巖的整體強度降低，在受到外力作用時，容易沿泥質(zhì)膠結(jié)面發(fā)生破壞。在結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面，軟巖中存在大量的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面的存在破壞了巖石的完整性，降低了巖石的強度，使得巖石在受力時容易沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形和破壞。節(jié)理、裂隙的發(fā)育還為地下水的運移提供了通道，進一步加劇了軟巖的軟化和膨脹，從而增加了巷道底臌的風(fēng)險。此外，軟巖的層理結(jié)構(gòu)也使得其力學(xué)性質(zhì)具有明顯的各向異性，在平行層理和垂直層理方向上，巖石的抗壓強度、抗拉強度等力學(xué)參數(shù)存在較大差異，這對巷道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。2.3軟巖的物理力學(xué)性質(zhì)軟巖的物理性質(zhì)中，吸水性是其重要特性之一。由于軟巖中黏土礦物含量較高，且孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)育，使得軟巖具有較強的吸水性。相關(guān)研究表明，寧東礦區(qū)部分軟巖在飽水狀態(tài)下，其含水率可達到20%以上。軟巖吸水后，黏土礦物顆粒表面會形成一層水膜，顆粒之間的連接力減弱，從而導(dǎo)致軟巖的強度降低。同時，水膜的存在還會使軟巖的體積發(fā)生膨脹，進一步加劇巷道底臌的發(fā)展。膨脹性是軟巖的另一個顯著物理性質(zhì)。軟巖的膨脹主要是由于黏土礦物的吸水膨脹作用引起的。蒙脫石等黏土礦物在吸水后，晶胞層間會吸附水分子，導(dǎo)致晶胞層間距增大，從而使軟巖體積膨脹。這種膨脹作用會對巷道圍巖產(chǎn)生額外的膨脹壓力，當(dāng)膨脹壓力超過支護結(jié)構(gòu)的承載能力時，就會導(dǎo)致巷道底臌和支護結(jié)構(gòu)的破壞。軟巖的膨脹性還與外界環(huán)境因素有關(guān)，如地下水的化學(xué)成分、酸堿度等。在不同的環(huán)境條件下，軟巖的膨脹性會有所差異。在力學(xué)性質(zhì)方面，軟巖的抗壓強度較低，一般在20MPa以下，屬于軟巖的范疇。較低的抗壓強度使得軟巖在受到地應(yīng)力、采動應(yīng)力等外力作用時，容易發(fā)生壓縮變形和破壞。軟巖的抗拉強度和抗剪強度也相對較低，抗拉強度一般在1MPa以下，抗剪強度在5MPa左右。這使得軟巖在巷道開挖過程中，容易在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂縫和滑移，從而破壞巷道圍巖的穩(wěn)定性。軟巖的力學(xué)性質(zhì)還具有明顯的時間效應(yīng)和流變特性。在長期荷載作用下，軟巖會發(fā)生蠕變變形，即變形隨時間不斷增加。這種流變特性使得軟巖巷道的底臌變形具有持續(xù)發(fā)展的特點，即使在巷道開挖后的一段時間內(nèi)，底臌變形也可能不斷加劇，對巷道的長期穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。三、回采巷道底臌失穩(wěn)機理分析3.1底臌的基本形式巷道底臌現(xiàn)象復(fù)雜多樣，根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)底鼓資料的綜合分析，可大致將其分為膨脹性底鼓、擠壓性底鼓和張性底鼓三類。膨脹性底鼓主要是由于巖質(zhì)變態(tài)膨脹產(chǎn)生。多發(fā)生在礦物成分含蒙脫石的粘土巖層，這類膨脹巖會與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，致使巖石含水量隨時間不斷增高，進而體積發(fā)生膨脹，屬于易風(fēng)化和軟化的軟弱巖石。寧東礦區(qū)軟巖中黏土礦物含量較高，其中蒙脫石遇水膨脹特性明顯。當(dāng)巷道底板為這類含有蒙脫石的軟巖時，在地下水或施工用水的作用下，蒙脫石吸水膨脹，導(dǎo)致巖石體積增大，從而產(chǎn)生向上的膨脹力，使底板巖層鼓起。這種膨脹性底鼓具有持續(xù)發(fā)展的特點，隨著時間的推移，底臌量可能不斷增加，對巷道的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。擠壓性底鼓通常發(fā)生在直接底板為軟弱巖層，如粘土巖、煤等，且兩幫和頂板比較完整的情況下。在兩幫巖柱的壓模效應(yīng)和應(yīng)力的作用下，整個巷道的松軟破碎底板巖層向巷道內(nèi)擠壓流動，最終導(dǎo)致底板跨中隆起。在寧東礦區(qū)回采巷道中，當(dāng)巷道開挖后，頂板和兩幫的應(yīng)力向底板傳遞，若底板巖層強度較低，在這種壓力作用下，底板巖層就會發(fā)生彎曲、皺折、離層等流變現(xiàn)象，沿著滑移面被擠入巷道內(nèi)，隨著底板巖體被擠入巷道內(nèi)的位移量增大，巷道底臌越來越嚴(yán)重。這種底鼓形式會導(dǎo)致巷道底板的平整度遭到破壞，影響巷道內(nèi)設(shè)備的正常運行。張性底鼓是底板巖層由于斷面上大壓力作用而產(chǎn)生帶方向性的強烈褶曲隆起所造成的，它與頂部張性破壞區(qū)處于同一軸線上，屬于應(yīng)力釋放短暫型底鼓。在高地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下，巷道底板巖層內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，當(dāng)這些應(yīng)力超過底板巖層的抗拉和抗剪強度時，底板巖層就會發(fā)生破裂和褶曲，形成張性底鼓。在寧東礦區(qū)的深部開采區(qū)域，地應(yīng)力較大，構(gòu)造復(fù)雜，這種張性底鼓時有發(fā)生，雖然其持續(xù)時間相對較短，但在短時間內(nèi)可能會產(chǎn)生較大的底臌量，對巷道支護結(jié)構(gòu)造成巨大沖擊，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致巷道局部垮塌。3.2底臌失穩(wěn)的影響因素3.2.1圍巖性質(zhì)圍巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對巷道底臌起著決定性作用。底板巖石的堅硬程度和厚度，決定著底臌量的大小。當(dāng)?shù)装鍘r石為強度較高的砂巖、石灰?guī)r等堅硬巖石時，其抵抗變形的能力較強，在受到地應(yīng)力和采動應(yīng)力作用時，不易發(fā)生底臌現(xiàn)象，即使發(fā)生底臌，其底臌量也相對較小。而當(dāng)?shù)装鍘r石為泥巖、頁巖等軟弱巖石時，由于其強度低、塑性大，在相同的應(yīng)力條件下，容易發(fā)生塑性變形和破壞，導(dǎo)致底臌量較大。底板巖石的厚度也會影響底臌量，較厚的底板巖層能夠承受更大的壓力，相對較薄的底板巖層更不容易發(fā)生底臌。底板巖石的礦物成分對底臌也有重要影響。如寧東礦區(qū)軟巖中含有的蒙脫石等黏土礦物，具有較強的親水性和膨脹性。當(dāng)這些礦物遇水后，會發(fā)生吸水膨脹，導(dǎo)致巖石體積增大，從而產(chǎn)生向上的膨脹力，引發(fā)底臌。底板巖石的結(jié)構(gòu)特征，如節(jié)理、裂隙的發(fā)育程度，也會影響底臌的發(fā)生和發(fā)展。節(jié)理、裂隙的存在會降低巖石的強度和完整性，使得巖石在受力時容易沿著這些結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形和破壞，為底臌提供了條件。大量的節(jié)理、裂隙還會增加巖石的滲透性，使地下水更容易進入巖石內(nèi)部，進一步加劇巖石的軟化和膨脹，從而促進底臌的發(fā)展。3.2.2地壓圍巖中存在高地壓是造成巷道底鼓的決定性因素，深部巷道遇到底鼓的情況比淺部巷道多，這完全是由于地壓增高所致。隨著開采深度的增加，上覆巖層的重量增大，地應(yīng)力也隨之增大。在高地應(yīng)力作用下，巷道圍巖承受的壓力增大，當(dāng)壓力超過圍巖的強度時，圍巖就會發(fā)生變形和破壞，從而導(dǎo)致底鼓。深部開采時，地應(yīng)力往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的分布狀態(tài)，水平應(yīng)力可能大于垂直應(yīng)力，這種應(yīng)力狀態(tài)會使巷道底板受到更大的擠壓作用，增加了底鼓的可能性。在殘留礦柱下面的巷道也容易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，這是因為存在著一個高地壓帶。殘留礦柱周圍的應(yīng)力集中，使得巷道所處位置的地應(yīng)力增大，從而引發(fā)底鼓。構(gòu)造應(yīng)力也是導(dǎo)致底鼓的重要因素之一。在寧東礦區(qū)，由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，存在著斷層、褶皺等構(gòu)造，這些構(gòu)造會導(dǎo)致巖體中的應(yīng)力重新分布，在構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域，巷道底鼓的可能性增大。當(dāng)巷道穿越斷層時，斷層附近的巖體受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，巖石破碎，強度降低，容易發(fā)生底鼓。3.2.3水的影響水對巖石強度的降低作用顯著，主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面，由于水的作用減少了巖石層理、節(jié)理和裂隙間的摩擦力，使巖石的整體連接強度降低。巖體沿巖層的節(jié)理面、層理面和裂隙面形成滑移面，并將原來層間連接緊密的巖體分為很多薄層，甚至完全喪失強度。在寧東礦區(qū)，地下水較為豐富，巷道開挖后，地下水容易滲入巖石內(nèi)部，使巖石的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。對于含有節(jié)理、裂隙的巖石，水的滲入會使節(jié)理、裂隙面的摩擦力減小，巖石的抗剪強度降低，從而導(dǎo)致巖石更容易發(fā)生滑移和破壞，為底鼓創(chuàng)造了條件。另一方面，巖石中的某些礦物成分遇水產(chǎn)生膨脹。寧東礦區(qū)軟巖中含有的蒙脫石等黏土礦物，遇水后會發(fā)生吸水膨脹，導(dǎo)致巖石體積增大，產(chǎn)生膨脹壓力。當(dāng)膨脹壓力超過巷道支護結(jié)構(gòu)的承載能力時，就會引起巷道底鼓。水還會使巖石的含水率增加，導(dǎo)致巖石的重度增大，進一步增加了底板巖層的壓力，加劇了底鼓的發(fā)展。巷道積水往往通過裂隙滲入到底板內(nèi)部，形成惡性循環(huán)，使底鼓問題更加嚴(yán)重。3.2.4支護強度一般巷道的底板處于不支護狀態(tài)，主要原因包括：一是認(rèn)為只要支護頂板和兩幫就安全了，底臌無關(guān)緊要；二是錨固底板施工比較困難，出矸石工作量大；三是一旦支護控制不住底臌，臥底時的工作量大。這是底臌大于頂板下沉量的主要原因之一。在寧東礦區(qū)回采巷道中，由于對底板支護的重視程度不足，很多巷道在掘進和回采過程中，底板未進行有效的支護。當(dāng)巷道圍巖受到地應(yīng)力、采動應(yīng)力等作用時，底板巖層在缺乏支護的情況下，容易發(fā)生變形和破壞，導(dǎo)致底臌。支護強度不足，特別是底板不支護或支護不力，使得底板巖層無法得到有效的約束。在應(yīng)力作用下，底板巖層容易發(fā)生塑性變形、破裂和隆起，從而導(dǎo)致底臌。即使對底板進行了支護，但如果支護參數(shù)不合理，如錨桿長度不足、間距過大、錨索預(yù)緊力不夠等，也無法提供足夠的支護阻力，難以有效控制底臌。合適的支護強度能夠限制底板巖層的變形，增強底板巖層的穩(wěn)定性，從而減少底臌的發(fā)生。3.2.5巷道的大小和形狀特別寬大的巷道比窄巷道易發(fā)生底鼓，這是因為巷道寬度越大，底板巖層所承受的壓力面積越大，在相同的地應(yīng)力和采動應(yīng)力作用下，底板巖層更容易發(fā)生變形和破壞，從而導(dǎo)致底鼓。巷道的寬度是由采礦作業(yè)而決定的，在某些情況下，特別是輔助巷道，寬度能保持在一定限度以內(nèi)，而通過增加巷道高度使橫截面保持不變。巷道高度的增加也會對底鼓產(chǎn)生一定影響，較高的巷道會使頂板的壓力更容易傳遞到底板，增加了底板巖層的受力，從而增加了底鼓的可能性。巷道的斷面形狀對底鼓也有影響?，F(xiàn)在多數(shù)煤礦巷道斷面采用梯形或直墻拱頂?shù)刃螤睿捎诘装宀荒苄纬煞€(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)，在受力時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致底鼓量增加。拱形結(jié)構(gòu)能夠?qū)毫鶆虻胤稚⒌綆r體中，具有較好的承載能力和穩(wěn)定性。而梯形和直墻拱頂?shù)刃螤畹南锏溃装宀糠值慕Y(jié)構(gòu)相對較弱，在受到壓力時，底板巖層容易發(fā)生變形和破壞，從而引發(fā)底鼓。合理設(shè)計巷道的斷面形狀，如采用圓形、馬蹄形等有利于分散應(yīng)力的形狀，能夠有效降低底鼓的發(fā)生概率。3.3底臌失穩(wěn)的力學(xué)分析為了深入揭示寧東礦區(qū)典型軟巖回采巷道底臌失穩(wěn)的力學(xué)本質(zhì)，構(gòu)建合理的力學(xué)模型是關(guān)鍵?？紤]到巷道的實際情況，建立一個平面應(yīng)變模型。假設(shè)巷道為矩形斷面，埋深為H，上覆巖層容重為\gamma，則垂直應(yīng)力\sigma_{v}=\gammaH。由于礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，水平應(yīng)力不可忽視，設(shè)水平應(yīng)力為\sigma_{h}，且通常水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，即\sigma_{h}>\sigma_{v}。巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布。在彈性階段，根據(jù)彈性力學(xué)理論，巷道周邊的應(yīng)力分布可以用Kirsch公式來描述。對于圓形巷道，在均勻地應(yīng)力場（\sigma_{h}=\sigma_{v}=\sigma_{0}）中，巷道周邊的切向應(yīng)力\sigma_{\theta}=2\sigma_{0}，徑向應(yīng)力\sigma_{r}=0。但對于矩形巷道，其應(yīng)力分布更為復(fù)雜，可通過數(shù)值模擬或復(fù)變函數(shù)等方法求解。在矩形巷道的角部，會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)可達2-3，導(dǎo)致角部巖石更容易發(fā)生破壞。當(dāng)巷道圍巖進入塑性階段時，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則來判斷巖石的破壞。該準(zhǔn)則認(rèn)為，當(dāng)巖石的剪應(yīng)力達到一定值時，巖石發(fā)生破壞，即\tau=\sigma_{n}\tan\varphi+c，其中\(zhòng)tau為剪應(yīng)力，\sigma_{n}為正應(yīng)力，\varphi為內(nèi)摩擦角，c為粘聚力。對于軟巖，其\varphi和c值相對較低，容易滿足屈服準(zhǔn)則，進入塑性狀態(tài)。在塑性區(qū)內(nèi)，巖石的力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，彈性模量降低，泊松比增大，導(dǎo)致巖石的變形能力增強。在底板巖層中，由于受到水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的共同作用，會產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。當(dāng)水平應(yīng)力作用于底板巖層時，會使底板巖層產(chǎn)生向巷道內(nèi)的擠壓變形。如果底板巖層為軟弱巖層，其抗剪強度較低，在這種擠壓作用下，容易發(fā)生剪切破壞，形成剪切滑移面。隨著水平應(yīng)力的持續(xù)作用，底板巖層沿著剪切滑移面向上移動，導(dǎo)致底臌現(xiàn)象的發(fā)生。同時，垂直應(yīng)力也會對底板巖層產(chǎn)生影響。垂直應(yīng)力使底板巖層受到壓縮，當(dāng)壓縮應(yīng)力超過底板巖層的抗壓強度時，底板巖層會發(fā)生壓縮破壞，進一步加劇底臌。底板巖層中的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面也會影響底臌失穩(wěn)。這些結(jié)構(gòu)面的存在降低了巖石的強度和完整性，使得巖石在受力時更容易沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形和破壞，為底臌提供了通道。當(dāng)水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力作用于含有節(jié)理、裂隙的底板巖層時，節(jié)理、裂隙會張開、擴展，巖石的變形和破壞加劇，從而導(dǎo)致底臌失穩(wěn)。通過力學(xué)分析可知，巷道底臌失穩(wěn)是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，是水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力、巖石強度、節(jié)理裂隙等多種因素共同作用的結(jié)果。在高地應(yīng)力和軟巖條件下，底板巖層更容易發(fā)生塑性變形和破壞，導(dǎo)致底臌失穩(wěn)。因此，在巷道支護設(shè)計中，需要充分考慮這些因素，采取有效的控制措施，以提高巷道的穩(wěn)定性，減少底臌現(xiàn)象的發(fā)生。四、寧東礦區(qū)回采巷道底臌失穩(wěn)案例分析4.1案例選取與概況本研究選取寧東礦區(qū)梅花井煤礦232204輔運順槽作為典型案例進行深入分析。梅花井煤礦位于寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)，井田內(nèi)主體構(gòu)造為鴛鴦湖背斜東翼，呈現(xiàn)走向近南北的單斜構(gòu)造。232204輔運順槽埋深約650m，該區(qū)域地應(yīng)力較高，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值達到1.5-1.8。巷道沿煤層掘進，煤層厚度平均為6.5m，直接頂為厚度約3m的粉砂質(zhì)泥巖，基本頂為中粒砂巖，厚度約5m。直接底板為泥巖，厚度約2.5m，其下為粉砂巖。該區(qū)域地下水水位較高，底板泥巖長期處于飽水狀態(tài)。巷道斷面形狀為矩形，寬5m，高3.5m。在開采情況方面，232204輔運順槽服務(wù)于232204工作面，該工作面采用綜采工藝，采煤機割煤，刮板輸送機運煤。在回采過程中，由于受到采動影響，巷道圍巖應(yīng)力發(fā)生顯著變化，底臌問題逐漸凸顯。4.2底臌失穩(wěn)特征分析在巷道掘進初期，底臌現(xiàn)象并不明顯，但隨著掘進工作的推進，底臌逐漸顯現(xiàn)。在掘進至50m左右時，開始出現(xiàn)底板巖層的輕微隆起，此時底臌量較小，每天的增長幅度約為1-2mm。隨著巷道繼續(xù)掘進，受到地應(yīng)力、采動應(yīng)力以及水的作用，底臌發(fā)展迅速。在掘進至100m時，底臌量明顯增大，每天的增長幅度達到5-8mm。從底臌的表現(xiàn)形式來看，主要呈現(xiàn)為擠壓性底鼓。由于直接底板為泥巖，強度較低，在兩幫巖柱的壓模效應(yīng)和應(yīng)力作用下，底板泥巖向巷道內(nèi)擠壓流動，導(dǎo)致底板跨中隆起。在巷道兩幫與底板的交界處，出現(xiàn)了明顯的剪切滑移跡象，底板巖層沿著這些滑移面向巷道內(nèi)移動，使得底臌現(xiàn)象加劇。在變形量方面，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在巷道掘進完成后的1個月內(nèi)，底臌量增長迅速，最大底臌量達到了300mm左右。隨著時間的推移，底臌量仍在持續(xù)增加，但增長速度逐漸放緩。在回采工作面推進到距離巷道50m時，由于采動影響，底臌量再次急劇增加，最大底臌量超過了600mm。此時，巷道斷面嚴(yán)重縮小，影響了通風(fēng)、運輸?shù)日Ｉa(chǎn)活動，需要及時采取有效的控制措施。巷道兩幫的變形也對底臌產(chǎn)生了重要影響。隨著兩幫移近量的增加，兩幫對底板的擠壓作用增強，進一步推動了底板巖層向巷道內(nèi)移動，加劇了底臌的發(fā)展。頂板的下沉也會導(dǎo)致頂板壓力向底板傳遞，增加底板巖層的受力，從而促進底臌的發(fā)生。4.3失穩(wěn)原因深入剖析從圍巖性質(zhì)來看，梅花井煤礦232204輔運順槽直接底板為泥巖，其強度低、塑性大。通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗測定，該泥巖的抗壓強度僅為15MPa左右，抗拉強度小于1MPa。這種低強度的特性使得底板泥巖在受到地應(yīng)力和采動應(yīng)力作用時，極易發(fā)生塑性變形和破壞，為底臌的發(fā)生提供了內(nèi)在條件。泥巖中黏土礦物含量較高，蒙脫石等礦物遇水膨脹特性顯著，進一步加劇了底臌的發(fā)展。由于該區(qū)域地下水水位較高，底板泥巖長期處于飽水狀態(tài)，蒙脫石吸水膨脹，導(dǎo)致巖石體積增大，產(chǎn)生向上的膨脹力，推動底板巖層向上隆起，從而引發(fā)底臌。地應(yīng)力方面，該巷道埋深約650m，屬于深部開采范疇，地應(yīng)力較高。水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值達到1.5-1.8，水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力。在這種高地應(yīng)力狀態(tài)下，巷道圍巖承受著巨大的壓力。根據(jù)前面的力學(xué)分析，高地應(yīng)力使得巷道周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重，在巷道兩幫與底板的交界處，應(yīng)力集中系數(shù)可達2-3。這些集中應(yīng)力作用于底板泥巖，使其更容易發(fā)生剪切破壞和塑性變形，進而導(dǎo)致底臌。在回采過程中，受到采動影響，巷道圍巖應(yīng)力發(fā)生顯著變化。當(dāng)工作面推進到距離巷道一定范圍內(nèi)時，采動應(yīng)力與原巖應(yīng)力疊加，進一步增大了巷道圍巖的應(yīng)力，加劇了底臌的發(fā)展。水的影響在該案例中也十分顯著。如前所述，底板泥巖長期處于飽水狀態(tài)，水對巖石的軟化和強度降低作用明顯。一方面，水的存在減少了巖石層理、節(jié)理和裂隙間的摩擦力，使巖石的整體連接強度降低。通過現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，底板泥巖中存在大量的節(jié)理和裂隙，這些結(jié)構(gòu)面在水的作用下，成為了巖石滑移和破壞的薄弱部位。另一方面，巖石中的蒙脫石等礦物遇水膨脹，產(chǎn)生的膨脹壓力進一步破壞了底板巖層的穩(wěn)定性，促進了底臌的發(fā)生。巷道積水通過裂隙滲入到底板內(nèi)部，形成惡性循環(huán)，不斷加劇底臌問題。支護強度不足也是導(dǎo)致底臌失穩(wěn)的重要原因。在巷道掘進和回采過程中，對底板的支護重視程度不夠，底板未進行有效的支護。巷道兩幫和頂板的支護結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上限制了兩幫和頂板的變形，但對于底板的約束作用有限。在應(yīng)力作用下，底板巖層在缺乏支護的情況下，無法得到有效的約束，容易發(fā)生塑性變形、破裂和隆起，從而導(dǎo)致底臌。即使對巷道兩幫和頂板進行了支護，但支護參數(shù)不合理，如錨桿長度不足、間距過大、錨索預(yù)緊力不夠等，也無法提供足夠的支護阻力，難以有效控制底臌。巷道的形狀和尺寸也對底臌產(chǎn)生影響。232204輔運順槽斷面形狀為矩形，寬5m，高3.5m。矩形斷面的巷道在受力時，底板不能形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的共同作用下，底板巖層的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為突出，導(dǎo)致底臌量增加。與圓形或馬蹄形等有利于分散應(yīng)力的巷道斷面形狀相比，矩形斷面的巷道在相同的地質(zhì)條件和應(yīng)力狀態(tài)下，更容易發(fā)生底臌。綜合來看，寧東礦區(qū)梅花井煤礦232204輔運順槽底臌失穩(wěn)是圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力、水的影響、支護強度以及巷道形狀和尺寸等多因素共同作用的結(jié)果。這些因素相互影響、相互制約，使得底臌問題變得復(fù)雜且嚴(yán)重。在實際工程中，需要全面考慮這些因素，采取針對性的措施來控制底臌，確保巷道的穩(wěn)定和安全生產(chǎn)。五、安全控制技術(shù)研究5.1卸壓法卸壓法的實質(zhì)是采用一些人為的措施改變巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使底板巖層處于應(yīng)力降低區(qū)，從而保證底板巖層的穩(wěn)定狀態(tài)，特別適用于控制高地應(yīng)力的巷道底鼓。切縫卸壓是在巷道底板或兩幫巖體中切割出一定深度和寬度的縫隙。以在底板切縫為例，其原理是通過切縫破壞底板巖體的完整性，切斷應(yīng)力傳遞路徑，使巷道圍巖應(yīng)力重新分布，原本集中在底板的應(yīng)力向深部巖體轉(zhuǎn)移，從而降低底板巖體的應(yīng)力水平，減少底鼓的發(fā)生。在實際實施時，可使用專門的切縫設(shè)備，如巖石鋸等，根據(jù)巷道的具體情況確定切縫的位置、深度和間距等參數(shù)。一般來說，切縫深度應(yīng)根據(jù)底板巖層的厚度和強度等因素確定，以確保能夠有效切斷應(yīng)力傳遞路徑。打鉆孔卸壓是在巷道底板或兩幫布置一定數(shù)量和深度的鉆孔。這些鉆孔同樣能夠破壞巖體的連續(xù)性，促使應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。鉆孔卸壓的原理在于，鉆孔形成后，鉆孔周圍的巖體成為應(yīng)力釋放的區(qū)域，原本作用在巖體上的應(yīng)力會向鉆孔周圍擴散，從而降低巷道周邊巖體的應(yīng)力集中程度。實施時，根據(jù)巷道的地質(zhì)條件和地應(yīng)力大小，確定鉆孔的直徑、深度、間距和布置方式等參數(shù)。例如，在高地應(yīng)力區(qū)域，可適當(dāng)增加鉆孔的密度和深度，以提高卸壓效果。不過，這種措施在技術(shù)上有很大難度，因為在鉆孔間距很小的情況下，打直徑為50-60mm的孔而不發(fā)生偏斜是非常不容易的。此外，這種措施的卸壓范圍比底板切縫小，因而要考慮到鉆孔后發(fā)生底鼓的可能性。爆破卸壓是在圍巖鉆孔底部集中裝藥爆破，使巷道和硐室周邊附近的圍巖與深部巖體脫離，原來處于高應(yīng)力狀態(tài)的巖層卸載，將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部。按照爆破位置的不同，該法可分為底板爆破、側(cè)幫爆破及全斷面爆破等形式。當(dāng)炸藥在煤巖體中爆炸時，以爆炸點為中心，煤巖體順次向外遭受不同程度的破壞，其影響范圍可以分為壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動區(qū)。在壓碎區(qū)，藥包爆炸直接作用于煤巖體形成空腔，煤巖體受高壓作用被強烈壓碎并產(chǎn)生較大的塑性變形，形成一系列與徑向成45°角的滑移面，結(jié)構(gòu)完全破壞；在裂隙區(qū)，由于爆炸壓力下降，煤巖體不再被壓碎，而拉伸應(yīng)力使煤巖體發(fā)生塑性滑移，形成輻射狀的裂隙，有時在徑向裂隙之間形成環(huán)狀的切向裂隙；在震動區(qū)，只發(fā)生質(zhì)點震動，煤巖體不受破壞。在實施爆破卸壓時，需要精確計算炸藥的用量、爆破的位置和時間等參數(shù)，以確保爆破效果和施工安全。掘巷卸壓是通過在巷道周邊合理位置掘進專門的卸壓巷道，使原巷道圍巖應(yīng)力向卸壓巷道轉(zhuǎn)移，從而降低原巷道的應(yīng)力集中程度，達到控制底鼓的目的。例如，在寧東礦區(qū)的一些巷道中，在原巷道一側(cè)或兩側(cè)掘進平行的卸壓巷道，通過合理控制卸壓巷道與原巷道的間距和位置，有效降低了原巷道的底鼓量。在確定卸壓巷道的位置和參數(shù)時，需要綜合考慮原巷道的地質(zhì)條件、地應(yīng)力分布、開采工藝等因素，通過數(shù)值模擬和理論分析等方法進行優(yōu)化設(shè)計。卸壓法適用于高地應(yīng)力條件下的軟巖巷道底鼓控制。在實際應(yīng)用中，切縫卸壓和鉆孔卸壓相對操作較為簡單，對巷道的正常生產(chǎn)影響較小，適用于應(yīng)力集中程度相對較低的情況；爆破卸壓能夠產(chǎn)生較大的卸壓范圍和效果，但需要嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，確保安全，適用于應(yīng)力集中程度較高的區(qū)域；掘巷卸壓雖然效果顯著，但工程量較大，成本較高，一般在其他卸壓方法難以奏效時采用。通過合理采用卸壓法，能夠有效改變巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，降低底鼓應(yīng)力，為巷道的穩(wěn)定提供保障。5.2錨桿加固底板底板通常是成層的，因而非常適合于用錨桿加固。錨桿加固底板是一種有效的控制巷道底臌的方法，其作用原理主要體現(xiàn)在多個方面。從抑制巖層裂隙張開角度來看，錨桿能夠?qū)④浫醯装鍘r層與其下部穩(wěn)定巖層連接起來，當(dāng)軟弱巖層因擴容、膨脹等原因有裂隙張開或產(chǎn)生新裂隙趨勢時，錨桿的錨固力可以對其進行約束，阻止裂隙的進一步發(fā)展，從而抑制軟弱巖層向上鼓起。錨桿還具有組合梁作用，它能把幾個巖層連接在一起，使這些巖層形成一個組合梁來共同承受彎矩。在未錨固時，各巖層相對獨立，層間抗剪力不足，在荷載或自重作用下，單個梁會產(chǎn)生各自的彎曲變形，上下緣分別處于受壓和受拉狀態(tài)。錨固后，巖層互相擠壓，層間摩擦阻力大大增加，內(nèi)應(yīng)力和撓度大為減小，組合梁的抗彎強度得到顯著提高，進而增加了底板巖層的承載能力。在錨桿選型方面，應(yīng)根據(jù)巷道的地質(zhì)條件、底臌情況等因素綜合考慮。對于寧東礦區(qū)軟巖巷道，由于軟巖強度較低，為了提供足夠的錨固力，可選用高強度的螺紋鋼錨桿。螺紋鋼錨桿表面的螺紋能夠增加與巖體之間的摩擦力，提高錨固效果。其材質(zhì)通常為高強度合金鋼，具有較高的抗拉強度和屈服強度，能夠在復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境下保持穩(wěn)定的工作性能。在布置參數(shù)上，錨桿的長度需根據(jù)底板巖層的厚度和穩(wěn)定性來確定，一般應(yīng)保證錨桿能夠錨固到穩(wěn)定的巖層中，以提供有效的支撐。對于寧東礦區(qū)典型軟巖回采巷道，錨桿長度可在2-3m之間。錨桿間距也至關(guān)重要，合理的間距能夠使錨桿的加固效果相互疊加，形成有效的承載結(jié)構(gòu)。通常，錨桿間距可控制在0.8-1.2m之間。在底板的不同位置，錨桿的布置也可有所差異。在巷道兩幫與底板的交界處，由于應(yīng)力集中較為明顯，可適當(dāng)加密錨桿布置，以增強該區(qū)域的穩(wěn)定性。還可根據(jù)底板巖層的分層情況，調(diào)整錨桿的角度，使其更好地與巖層結(jié)合，發(fā)揮錨固作用。5.3底板注漿底板注漿一般用于加固已破碎的巖石，提高巖層抗底鼓的能力。當(dāng)?shù)装鍘r石承受的壓力超過巖體本身的強度而產(chǎn)生裂隙和裂縫時，應(yīng)采用注漿的辦法使底板巖層的強度提高，達到防治底板底鼓的目的。由于所選擇注漿的形式、材料、壓力和時間長短不同，巖層中的裂隙可能全部或部分被粘合，當(dāng)注漿壓力高于圍巖強度時，會產(chǎn)生新的裂隙并有漿液滲入。在注漿材料方面，常用的有水泥漿、聚氨酯材料等。注水泥漿成本相對較低，來源廣泛，但其結(jié)合強度較低。水泥漿主要由水泥和水按一定比例配制而成，在寧東礦區(qū)的一些巷道底板注漿工程中，水泥漿被大量應(yīng)用。通過在梅花井煤礦的工程實踐發(fā)現(xiàn)，雖然水泥漿能夠在一定程度上填充巖石裂隙，提高巖石的整體性，但對于強度要求較高的巷道底板，其加固效果相對有限。聚氨酯材料則具有較高的巖層間結(jié)合強度，加固效果較好。聚氨酯是一種高分子合成材料，它在注入巖石裂隙后，能夠與巖石緊密粘結(jié)，形成高強度的加固體。在棗泉煤礦的軟巖巷道底板注漿中，采用聚氨酯材料進行注漿，有效地提高了底板巖層的強度和穩(wěn)定性，底臌得到了較好的控制。然而，聚氨酯材料在底板潮濕時粘和強度較低，且成本較高，這在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。在實際工程中，需要根據(jù)巷道的具體情況，如底板巖石的破碎程度、含水量、經(jīng)濟成本等因素，合理選擇注漿材料。在注漿工藝上，首先要確定注漿孔的布置。注漿孔的間距、深度和角度等參數(shù)需根據(jù)底板巖層的特性、裂隙發(fā)育情況以及注漿材料的擴散半徑等因素綜合確定。一般來說，注漿孔應(yīng)均勻布置在巷道底板上，間距不宜過大，以確保漿液能夠充分填充底板巖層的裂隙。在梅花井煤礦232204輔運順槽的底板注漿工程中，根據(jù)底板泥巖的特性和裂隙分布情況，確定注漿孔間距為1.5m，深度為3m，角度垂直于底板。在注漿過程中，要嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量。注漿壓力應(yīng)根據(jù)底板巖層的強度和裂隙情況進行調(diào)整，一般應(yīng)使?jié){液能夠充分滲透到裂隙中，但又不能過大，以免造成新的破壞。注漿量則根據(jù)注漿孔的體積和巖層的裂隙發(fā)育程度來確定，確保裂隙被漿液填滿。在該順槽的注漿施工中，注漿壓力控制在2-3MPa，注漿量根據(jù)實際情況進行調(diào)整，以保證注漿效果。注漿完成后，還需要對注漿效果進行檢驗，可通過鉆孔取芯、聲波測試等方法，檢查漿液的擴散范圍和巖石的加固強度，確保達到預(yù)期的加固效果。5.4聯(lián)合支護技術(shù)在寧東礦區(qū)典型軟巖回采巷道底臌控制中，單一的支護方法往往難以取得理想效果，聯(lián)合支護技術(shù)通過整合多種支護方式的優(yōu)勢，能夠有效提高巷道的穩(wěn)定性。錨桿與注漿聯(lián)合支護是一種常用的聯(lián)合支護方式。錨桿能夠?qū)④浫醯装鍘r層與其下部穩(wěn)定巖層連接起來，抑制因軟弱巖層擴容、膨脹引起的裂隙張開及新裂隙的產(chǎn)生，阻止軟弱巖層向上鼓起，同時把幾個巖層連接在一起，作為一個組合梁，起承受彎矩的作用。注漿則可填充巖石裂隙，提高巖石的整體性和強度，增強其抗底鼓能力。在實際應(yīng)用中，先施工錨桿，根據(jù)巷道底板的具體情況，合理確定錨桿的長度、間距和角度，一般錨桿長度在2-3m，間距0.8-1.2m，確保錨桿能夠錨固到穩(wěn)定的巖層中。然后進行注漿作業(yè)，根據(jù)底板巖石的特性和裂隙發(fā)育情況，選擇合適的注漿材料，如水泥漿或聚氨酯材料。若選用水泥漿，水灰比可控制在0.6：1-0.7：1之間，注漿壓力控制在2-3MPa，以保證漿液能夠充分填充裂隙，使錨桿與巖體形成一個整體，共同抵抗底臌變形。錨桿與錨索聯(lián)合支護也具有顯著優(yōu)勢。錨桿主要作用于淺層圍巖，能夠提供一定的錨固力，抑制淺層巖體的變形。錨索則錨固深度較大，可深入到深部穩(wěn)定巖層，提供強大的預(yù)應(yīng)力，增強深部圍巖的穩(wěn)定性。在寧東礦區(qū)軟巖巷道中，對于埋深較大、地應(yīng)力較高的區(qū)域，采用錨桿與錨索聯(lián)合支護效果明顯。在布置時，先按照一定間距布置錨桿，一般間距為0.8-1.2m，然后在錨桿間合理布置錨索，錨索間距可控制在1.5-2m。錨索的長度根據(jù)巷道埋深和圍巖情況確定，一般應(yīng)保證錨索能夠錨固到深部穩(wěn)定巖層中，長度在5-8m之間。通過錨桿和錨索的協(xié)同作用，形成一個立體的支護體系，有效控制巷道底臌。在聯(lián)合支護技術(shù)的實施過程中，還需要注意一些要點。支護參數(shù)的設(shè)計應(yīng)根據(jù)巷道的地質(zhì)條件、地應(yīng)力大小、圍巖變形情況等因素進行優(yōu)化。通過數(shù)值模擬和理論分析，確定合理的錨桿、錨索長度、間距、預(yù)緊力以及注漿材料的種類和用量等參數(shù)，以確保支護結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮作用。施工工藝也至關(guān)重要，嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行鉆孔、安裝錨桿和錨索、注漿等操作，保證施工質(zhì)量。在鉆孔時，要確保鉆孔的垂直度和深度，避免出現(xiàn)偏差；安裝錨桿和錨索時，要保證其錨固牢固，預(yù)緊力達到設(shè)計要求；注漿時，要控制好注漿壓力和注漿量，確保漿液填充飽滿。在巷道使用過程中，應(yīng)加強對巷道圍巖變形和支護結(jié)構(gòu)受力情況的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的措施進行處理，確保聯(lián)合支護的長期有效性。六、安全控制技術(shù)應(yīng)用實例6.1工程應(yīng)用背景本次工程應(yīng)用選取寧東礦區(qū)羊場灣煤礦120204回采巷道作為研究對象。羊場灣煤礦位于寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)南端，其地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，處于多個構(gòu)造單元的交匯部位，受到多期構(gòu)造運動的影響。120204回采巷道埋深約700m，該區(qū)域地應(yīng)力較高，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值達到1.6-1.9，且構(gòu)造應(yīng)力較為明顯。巷道沿煤層掘進，煤層厚度平均為7m，直接頂為厚度約3.5m的粉砂巖，基本頂為厚層狀中粗粒砂巖，厚度約6m。直接底板為泥巖，厚度約3m，其下為粉砂巖。該區(qū)域地下水較為豐富，水位較高，底板泥巖長期處于飽水狀態(tài)。巷道的用途主要是為120204工作面提供運輸、通風(fēng)和行人通道。120204工作面采用綜采放頂煤工藝進行開采，采煤機割煤，刮板輸送機和膠帶輸送機聯(lián)合運煤。在開采過程中，需要保證巷道的穩(wěn)定，以確保采煤工作的順利進行，滿足通風(fēng)、運輸?shù)纫?，同時保障作業(yè)人員的安全。由于該巷道所處的地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力高、軟巖特性明顯、地下水豐富，在以往的開采中，類似巷道曾出現(xiàn)嚴(yán)重的底臌問題，導(dǎo)致巷道斷面縮小，影響了正常生產(chǎn)，增加了巷道維護成本和安全風(fēng)險。因此，急需采用有效的安全控制技術(shù)，解決該巷道的底臌問題，保障巷道的穩(wěn)定和安全生產(chǎn)。6.2控制技術(shù)方案設(shè)計基于前文對寧東礦區(qū)典型軟巖回采巷道底臌失穩(wěn)機理的研究以及對羊場灣煤礦120204回采巷道的工程背景分析，設(shè)計如下安全控制技術(shù)方案。6.2.1支護參數(shù)設(shè)計錨桿支護參數(shù)：考慮到巷道圍巖的松軟特性和地應(yīng)力情況，頂板錨桿選用直徑22mm、長度2.5m的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm。幫部錨桿同樣選用直徑22mm的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長度為2.2m，間排距為900mm×900mm。錨桿托盤采用規(guī)格為150mm×150mm×10mm的高強度鐵托盤，以增強錨桿與圍巖的接觸面積，提高錨固效果。預(yù)緊力要求達到300N?m，確保錨桿能夠及時有效地約束圍巖變形。錨索支護參數(shù)：頂板錨索選用直徑17.8mm、長度6m的鋼絞線錨索，間排距為1600mm×1600mm。錨索布置在錨桿間，與錨桿協(xié)同作用，共同承擔(dān)頂板壓力。錨索采用高強度鎖具，預(yù)緊力達到200kN，通過施加較大的預(yù)緊力，將深部穩(wěn)定巖層與淺部圍巖連接為一個整體，提高頂板的穩(wěn)定性。底板錨桿參數(shù)：為有效控制底板底臌，底板錨桿選用直徑20mm、長度2.2m的高強度螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×1000mm。在巷道兩幫與底板的交界處，由于應(yīng)力集中明顯，適當(dāng)加密底板錨桿布置，間排距調(diào)整為800mm×800mm。底板錨桿同樣采用高強度鐵托盤，預(yù)緊力達到250N?m，以增強底板巖層的穩(wěn)定性，抑制底臌的發(fā)展。金屬網(wǎng)參數(shù)：頂板和幫部均鋪設(shè)規(guī)格為1000mm×2000mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為100mm×100mm。鋼筋網(wǎng)采用直徑6mm的鋼筋焊接而成，通過與錨桿、錨索連接，形成一個整體的支護結(jié)構(gòu)，防止圍巖表面破碎和剝落，提高圍巖的整體性。6.2.2施工工藝設(shè)計巷道掘進：采用綜掘機掘進，控制掘進速度，避免因掘進速度過快導(dǎo)致圍巖松動和應(yīng)力集中加劇。在掘進過程中，及時進行臨時支護，采用前探梁等支護方式，確保頂板安全。嚴(yán)格控制巷道的掘進斷面尺寸，保證巷道的平整度和規(guī)格，為后續(xù)的支護工作創(chuàng)造良好條件。錨桿錨索安裝：在巷道掘進完成后，首先進行頂板錨桿的安裝。按照設(shè)計的間排距進行鉆孔，鉆孔深度應(yīng)略大于錨桿長度，確保錨桿能夠完全錨固。安裝錨桿時，先將錨固劑放入鉆孔，然后插入錨桿，使用錨桿鉆機攪拌錨固劑，使錨固劑與錨桿和圍巖充分粘結(jié)。安裝完成后，及時施加預(yù)緊力。錨索安裝與錨桿安裝類似，但在鉆孔時，要保證鉆孔的垂直度和深度，確保錨索能夠準(zhǔn)確地錨固到深部穩(wěn)定巖層中。錨索安裝完成后，使用張拉設(shè)備施加預(yù)緊力，達到設(shè)計要求。底板錨桿施工：在進行底板錨桿施工時，先清理底板浮矸和雜物，然后按照設(shè)計的間排距進行鉆孔。鉆孔時，要注意控制鉆孔角度，確保錨桿能夠有效地錨固底板巖層。安裝底板錨桿時，同樣先放入錨固劑，然后插入錨桿，攪拌錨固劑并施加預(yù)緊力。在巷道兩幫與底板交界處加密的錨桿，要重點保證施工質(zhì)量，確保其能夠有效抵抗應(yīng)力集中。金屬網(wǎng)鋪設(shè)：在錨桿和錨索安裝完成后，鋪設(shè)金屬網(wǎng)。將金屬網(wǎng)平鋪在巷道頂板和幫部，與錨桿、錨索的外露部分連接牢固，使用鐵絲綁扎，確保金屬網(wǎng)與支護結(jié)構(gòu)形成一個整體。在鋪設(shè)過程中，要注意金屬網(wǎng)的平整度和搭接長度，搭接長度不小于100mm。注漿加固：根據(jù)巷道圍巖的破碎情況和底臌控制要求，進行注漿加固。在巷道頂板和幫部布置注漿孔，注漿孔間距為2m，深度為3m。采用水泥漿作為注漿材料，水灰比為0.6：1-0.7：1，注漿壓力控制在2-3MPa。通過注漿，填充圍巖裂隙，提高圍巖的整體性和強度，增強支護結(jié)構(gòu)的承載能力。在底板注漿時，同樣根據(jù)底板巖層的情況布置注漿孔，注漿孔間距和深度可根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整，注漿壓力和材料與頂板注漿相同。6.3應(yīng)用效果分析在羊場灣煤礦120204回采巷道實施安全控制技術(shù)方案后，通過現(xiàn)場監(jiān)測對其應(yīng)用效果進行了全面分析。監(jiān)測內(nèi)容包括巷道底臌變形量、圍巖穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)，以評估技術(shù)方案的有效性。在巷道底臌變形量方面，采用全站儀、水準(zhǔn)儀等監(jiān)測儀器，在巷道內(nèi)不同位置設(shè)置多個監(jiān)測點，定期對底臌變形量進行測量記錄。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在實施控制技術(shù)前，巷道底臌變形發(fā)展迅速，在巷道掘進完成后的1個月內(nèi)，底臌量最大達到了400mm左右。而在實施控制技術(shù)后，底臌變形得到了有效抑制。在回采過程中，隨著工作面的推進，底臌變形量雖有增加，但增長速度明顯放緩。在工作面推進到距離巷道100m時，底臌量最大為550mm，相比未采取控制技術(shù)時，底臌量增長幅度降低了約30%。這表明通過卸壓法、錨桿加固底板、底板注漿以及聯(lián)合支護技術(shù)的綜合應(yīng)用，有效地降低了巷道底臌應(yīng)力，增強了底板巖層的穩(wěn)定性，從而減少了底臌變形量。在圍巖穩(wěn)定性方面，通過監(jiān)測巷道頂板下沉量、兩幫移近量以及圍巖內(nèi)部應(yīng)力變化來評估。采用頂板離層儀監(jiān)測頂板下沉量，在巷道頂板布置多個離層儀，定期讀取數(shù)據(jù)。監(jiān)測結(jié)果表明，在實施控制技術(shù)后，頂板下沉量得到了有效控制