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摘要：随着矿井开采深度的增加及地应力的增加,巷道变形成为影响生产的重要因素。文章分析了巷道变形失稳的原因,提出了防治巷道围岩失稳主要措施。最后结合3273S上山掘进过程中的围岩失稳现象进行分析。
关键词:巷道底鼓；底板注浆；全断面支护；底板卸压
Abstract: with the increase of mining depth and ground stress, deformation and become an important factor affecting the production. This paper analyzes the causes of instability of roadway deformation, puts forward the control stability of the roadway surrounding the main measures. Finally, combined with the 3273S mountain rock tunneling process instability analysis.
Key Words: floor heave of roadway; floor grouting; whole section supporting plate pressure relief
中图分类号：TD324.2文献标识码：A
巷道由于掘进或回采以及在维护过程中引起其围岩应力失衡、性质发生变化,使巷道顶底板和两帮岩体移近量增加，从而影响巷道的正常使用和后期维护，严重者可能造成航道的报废。一般而言,轻微的巷道变形对巷道的稳定性以及运输和通风功能的影响不大，不需要采取专门的防治措施。但当变量较大时就会影响巷道的有效断面,造成巷道围岩塑变量加剧，从而影响巷道的支护稳定。因此,急需对深部高应力诱发巷道变形的机理和控制方法进行深入研究。
我国是一个煤炭资源丰富的国家。据煤炭资源开发和资源保护研究预测,我国总煤炭储量73.2%埋深在1000m以下。具有关资料统计，目前煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加。预计在未来20年,很多煤矿的开采将进入1000～1500m的深度。随着我国地下煤炭的开采,近些年来煤炭开采逐渐走向深部,进而地应力相应增大,巷道底鼓问题日趋突出严重,从而暴露出很多影响煤矿安全生产的问题。过分底鼓而使巷道条件变坏的一个严重后果就是事故大大增加。因此,研究巷道底鼓的机理、预测方法及防治措施等问题,对于我国深部资源开采,建设高产高效矿井,提高人员安全保证有着重大的理论意义和实际应用价值。
一、 深部巷道围岩变形分类及机理分析
随着矿井开采深度的增加，巷道围岩所承受的原始应力越大，巷道掘进或回采扰动，巷道围岩所承受的原岩应力失衡，巷道围岩会向内部应力较弱方向发生形变，具体体现为巷道底鼓，顶板来压，巷道支护体变形等，上述现象与巷道围岩应力力的传递方向、围岩性质、抗拉强度以及遇水的膨胀性质等多方面因素有关。
（一） 高压
巷道围岩中存在高压是巷道发生形变的重要因素。随着开采深度的加大,地应力相应增大,加之由于受采动影响造成围岩应力集中,巷道顶、底板岩石松软,侧压大时压力由两帮传递到底板,加之煤层底板松软无法承受较大压力而产生塑性变形,导致巷道围岩形变加剧，严重影响巷道的正常使用功能。
（二） 底板岩性软弱
随着矿井开采深度的加大,岩体强度明显降低。由于采深增加,巷道围岩的集中应力超过了围岩的自身强度,致使围岩移近率相对增加,巷道周边塑性区范围扩大。在塑性区范围内,岩石内聚力与内摩擦角迅速下降,致使岩体稳定状态恶化。围岩强度降低,围岩孔隙率增大,加上地质构造发育的影响,导致巷道变形呈软岩特性。在围岩应力作用下表现出显著的塑性和流变性。另外，由于采深增加,地温增高，高温环境会促使岩石从脆性向塑性转化，使围岩产生塑性变形。巷道内水气增多，使围岩软化。巷道底板岩体软弱、强度低、承载力不足是造成底鼓的直接原因。
在深部开采中,由于岩石受到以上地质因素的影响,很多煤层底板是比较软弱的。在巷道中受两帮的压模效应和应力作用下,或者整个巷道都位于松软碎裂的岩体内,由于围岩应力重新分布及远场地应力的作用,底板软岩石就会因受到挤压而产生流动变形（如图1）。
图1 底板软岩受挤压产生流动变形示意图
（三） 巷道的大小和形状
巷道底鼓与巷道本身的规格和形状有关,特别宽大的巷道比窄巷道易发生底鼓,而巷道的宽度是由采矿作业的相关要求而决定的。在某些情况下,特别是辅助巷道,宽度能保持在一定限度以内,而通过增加巷道高度使横截面保持不变，以满足通风等的要求，这样可以减轻巷道底鼓。
（四） 水平构造应力对巷道稳定性的影响
构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。实测资料表明,原岩应力场内铅直应力基本上等于上覆岩层重量,而由于构造应力的存在,水平应力普遍超过金尼克假设由式(1)计算的数值,水平构造应力一般为铅直应力的0.5～5.5倍,在地质条件复杂地区可以达到更高。
δx=δy =μδz/1-μ=μγH/1-μ 式(1)
式中μ———泊松比;
γ———体积力;
H ———煤层埋藏深度。
在软岩和厚煤层中,底板岩层在水平应力作用下,与形成褶曲构造相类似,向巷道空间鼓起。如果底板岩层呈粘—塑性变形,底板岩层进入蠕变状态(如图2)。因此高水平应力是造成底板岩层破坏强烈的主要原因。
（五） 水理作用
浸水后的巷道底板往往产生严重的底鼓,一般表现为3个方面: ①底板岩层浸水后,其强度降低,更容易破坏; ②泥质胶结的岩层,浸水后易破碎、泥化、崩解,甚至强度完全丧失; ③当底板岩层中含有蒙脱石、伊利石等膨胀性岩层时,浸水后会产生膨胀性底鼓。因此,巷道积水的治理是控制巷道底鼓的重要环节。
二、 巷道形变的防治措施
（一） 锚索调动深部围岩强度
巷道形变多是因为顶板上覆岩层自重，重力传递到两帮煤体以及底板而引起的。利用锚索支护技术,将上覆不稳定岩层压力转移到深部稳定岩层,缩小两帮煤体的塑性变形区，从而避免或减轻顶、底板及两帮移近量的发生。
（二） 底板锚杆
应用底板锚杆,要求底板岩层具有较好的完整性,如果底板岩层已经破碎,锚杆将失去其锚固作用,因此在使用底板锚杆前首先要对巷道进行评价。巷道底板锚杆的形式,应根据巷道服务年限、用途和生产条件选定。底板锚杆的长度应能穿过全部底鼓的岩层。
（三） 底板注浆
底板注浆一般用于加固已破碎的底板岩层,从而提高岩层抗底鼓的能力。当底板岩石承受的压力超过岩体本身的强度而产生裂隙和裂缝时,应采用注浆的办法使底板岩层的强度提高,达到防治底鼓的目的。可通过选择注浆形式、材料、压力和时间长短不同,达到不同的底板注浆加固效果。如果將注浆和锚固结合使用,即锚注支护方式（用中空锚杆兼做注浆管），就可以使原来只适用两者的范围得到扩展。
关键词:巷道底鼓；底板注浆；全断面支护；底板卸压
Abstract: with the increase of mining depth and ground stress, deformation and become an important factor affecting the production. This paper analyzes the causes of instability of roadway deformation, puts forward the control stability of the roadway surrounding the main measures. Finally, combined with the 3273S mountain rock tunneling process instability analysis.
Key Words: floor heave of roadway; floor grouting; whole section supporting plate pressure relief
中图分类号：TD324.2文献标识码：A
巷道由于掘进或回采以及在维护过程中引起其围岩应力失衡、性质发生变化,使巷道顶底板和两帮岩体移近量增加，从而影响巷道的正常使用和后期维护，严重者可能造成航道的报废。一般而言,轻微的巷道变形对巷道的稳定性以及运输和通风功能的影响不大，不需要采取专门的防治措施。但当变量较大时就会影响巷道的有效断面,造成巷道围岩塑变量加剧，从而影响巷道的支护稳定。因此,急需对深部高应力诱发巷道变形的机理和控制方法进行深入研究。
我国是一个煤炭资源丰富的国家。据煤炭资源开发和资源保护研究预测,我国总煤炭储量73.2%埋深在1000m以下。具有关资料统计，目前煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加。预计在未来20年,很多煤矿的开采将进入1000～1500m的深度。随着我国地下煤炭的开采,近些年来煤炭开采逐渐走向深部,进而地应力相应增大,巷道底鼓问题日趋突出严重,从而暴露出很多影响煤矿安全生产的问题。过分底鼓而使巷道条件变坏的一个严重后果就是事故大大增加。因此,研究巷道底鼓的机理、预测方法及防治措施等问题,对于我国深部资源开采,建设高产高效矿井,提高人员安全保证有着重大的理论意义和实际应用价值。
一、 深部巷道围岩变形分类及机理分析
随着矿井开采深度的增加，巷道围岩所承受的原始应力越大，巷道掘进或回采扰动，巷道围岩所承受的原岩应力失衡，巷道围岩会向内部应力较弱方向发生形变，具体体现为巷道底鼓，顶板来压，巷道支护体变形等，上述现象与巷道围岩应力力的传递方向、围岩性质、抗拉强度以及遇水的膨胀性质等多方面因素有关。
（一） 高压
巷道围岩中存在高压是巷道发生形变的重要因素。随着开采深度的加大,地应力相应增大,加之由于受采动影响造成围岩应力集中,巷道顶、底板岩石松软,侧压大时压力由两帮传递到底板,加之煤层底板松软无法承受较大压力而产生塑性变形,导致巷道围岩形变加剧，严重影响巷道的正常使用功能。
（二） 底板岩性软弱
随着矿井开采深度的加大,岩体强度明显降低。由于采深增加,巷道围岩的集中应力超过了围岩的自身强度,致使围岩移近率相对增加,巷道周边塑性区范围扩大。在塑性区范围内,岩石内聚力与内摩擦角迅速下降,致使岩体稳定状态恶化。围岩强度降低,围岩孔隙率增大,加上地质构造发育的影响,导致巷道变形呈软岩特性。在围岩应力作用下表现出显著的塑性和流变性。另外，由于采深增加,地温增高，高温环境会促使岩石从脆性向塑性转化，使围岩产生塑性变形。巷道内水气增多，使围岩软化。巷道底板岩体软弱、强度低、承载力不足是造成底鼓的直接原因。
在深部开采中,由于岩石受到以上地质因素的影响,很多煤层底板是比较软弱的。在巷道中受两帮的压模效应和应力作用下,或者整个巷道都位于松软碎裂的岩体内,由于围岩应力重新分布及远场地应力的作用,底板软岩石就会因受到挤压而产生流动变形（如图1）。
图1 底板软岩受挤压产生流动变形示意图
（三） 巷道的大小和形状
巷道底鼓与巷道本身的规格和形状有关,特别宽大的巷道比窄巷道易发生底鼓,而巷道的宽度是由采矿作业的相关要求而决定的。在某些情况下,特别是辅助巷道,宽度能保持在一定限度以内,而通过增加巷道高度使横截面保持不变，以满足通风等的要求，这样可以减轻巷道底鼓。
（四） 水平构造应力对巷道稳定性的影响
构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。实测资料表明,原岩应力场内铅直应力基本上等于上覆岩层重量,而由于构造应力的存在,水平应力普遍超过金尼克假设由式(1)计算的数值,水平构造应力一般为铅直应力的0.5～5.5倍,在地质条件复杂地区可以达到更高。
δx=δy =μδz/1-μ=μγH/1-μ 式(1)
式中μ———泊松比;
γ———体积力;
H ———煤层埋藏深度。
在软岩和厚煤层中,底板岩层在水平应力作用下,与形成褶曲构造相类似,向巷道空间鼓起。如果底板岩层呈粘—塑性变形,底板岩层进入蠕变状态(如图2)。因此高水平应力是造成底板岩层破坏强烈的主要原因。
（五） 水理作用
浸水后的巷道底板往往产生严重的底鼓,一般表现为3个方面: ①底板岩层浸水后,其强度降低,更容易破坏; ②泥质胶结的岩层,浸水后易破碎、泥化、崩解,甚至强度完全丧失; ③当底板岩层中含有蒙脱石、伊利石等膨胀性岩层时,浸水后会产生膨胀性底鼓。因此,巷道积水的治理是控制巷道底鼓的重要环节。
二、 巷道形变的防治措施
（一） 锚索调动深部围岩强度
巷道形变多是因为顶板上覆岩层自重，重力传递到两帮煤体以及底板而引起的。利用锚索支护技术,将上覆不稳定岩层压力转移到深部稳定岩层,缩小两帮煤体的塑性变形区，从而避免或减轻顶、底板及两帮移近量的发生。
（二） 底板锚杆
应用底板锚杆,要求底板岩层具有较好的完整性,如果底板岩层已经破碎,锚杆将失去其锚固作用,因此在使用底板锚杆前首先要对巷道进行评价。巷道底板锚杆的形式,应根据巷道服务年限、用途和生产条件选定。底板锚杆的长度应能穿过全部底鼓的岩层。
（三） 底板注浆
底板注浆一般用于加固已破碎的底板岩层,从而提高岩层抗底鼓的能力。当底板岩石承受的压力超过岩体本身的强度而产生裂隙和裂缝时,应采用注浆的办法使底板岩层的强度提高,达到防治底鼓的目的。可通过选择注浆形式、材料、压力和时间长短不同,达到不同的底板注浆加固效果。如果將注浆和锚固结合使用,即锚注支护方式（用中空锚杆兼做注浆管），就可以使原来只适用两者的范围得到扩展。