淺析深井開采軟巖巷道底鼓機理及防治措施

1、    淺析深井開采軟巖巷道底鼓機理及防治措施    楊萬龍摘 要：近年來，隨著煤礦巷道不斷延伸，巷道圍巖壓力不斷增大，底鼓現(xiàn)象日益增多，特別是在松軟圍巖中挖掘巷道時，底板維護量約占巷道整體維護量的2/3，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)?，F(xiàn)對底鼓形成機理、影響因素進行分析，針對不同巷道提出幾條治理底鼓措施，為維護巷道的正常使用提供了一定的依據(jù)。關(guān)鍵詞：深井軟巖巷道;底鼓;底板注漿;反底拱;聯(lián)巷支護1 前景概述目前我國部分煤礦進入深部開采范圍，深井軟巖巷道底鼓問題成為困擾煤礦生產(chǎn)的一大難題，據(jù)統(tǒng)計，深井巷道底板維護量約占巷道整體維護量的2/3。巷道底鼓不僅會導(dǎo)致巷道

2、斷面縮小，妨礙行人、運輸、通風(fēng)，還會導(dǎo)致巷道支護失穩(wěn)、破壞，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)，巷道底鼓防治問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。2 巷道底鼓類型及機理根據(jù)巷道所處的地質(zhì)條件、底板圍巖性質(zhì)及應(yīng)力狀態(tài)的差異，巷道底鼓類型大致分為四類：2.1 擠壓流動性底鼓有些巷道直接底板為松軟巖層，兩幫及頂板巖性較穩(wěn)定，強度遠高于底板，在兩幫巖柱的應(yīng)力作用下，底板松軟巖層會因擠壓而流動到巷道內(nèi)。2.2 撓曲褶皺性底鼓當(dāng)?shù)装鍨橹械群穸鹊膶訝顜r體時，底板巖層在水平層理方向的壓應(yīng)力作用下，往往也會向底板臨空方向鼓起，產(chǎn)生底鼓。2.3 剪切錯動性底鼓當(dāng)?shù)装鍨楹駥訝顜r體時，在巷道墻基處往往存在應(yīng)力集中，當(dāng)這個應(yīng)力集中超過底板

3、巖體強度時就會發(fā)生剪切變形，由此生成的楔塊巖體在水平應(yīng)力擠壓下產(chǎn)生錯動而導(dǎo)致底鼓。2.4 遇水膨脹性底鼓一般情況下巖石遇水強度會弱化，特別是巖層中含有蒙脫石、伊利石等，遇水后體積會迅速增大，從而引起膨脹性底鼓。3 巷道底鼓影響因素研究表明，引起巷道底鼓的因素很多，比如底板巖性、水理作用、圍巖支護、時間效應(yīng)、構(gòu)造應(yīng)力等。3.1 圍巖特性圍巖的特性（成分、結(jié)構(gòu)類型和穩(wěn)定程度等）對巷道底鼓起決定性作用。當(dāng)?shù)装鍨閳杂驳纳皫r時，一般處于穩(wěn)定狀態(tài)，底鼓量通常不明顯;當(dāng)?shù)装鍨樗绍浀膸r層或處于斷層破碎帶區(qū)域時，由于巖體本身抗壓強度降低、裂隙發(fā)育，極易發(fā)生底鼓。3.2 水理作業(yè)在巷道掘進或使用過程中，由于巖層本

4、身含水及受生產(chǎn)用水影響，底板巖層會逐漸膨脹，導(dǎo)致圍巖強度降低，塑性增大，最終導(dǎo)致底板向上隆起。巷道浸水后圍巖變化表現(xiàn)為3個方面：（1）底板巖層中含有易膨脹性礦物，浸水后體積極易膨脹。（2）巖層節(jié)理以及節(jié)理與裂隙間的摩擦力會較小，巖體結(jié)構(gòu)變松軟，巖體強度減弱。（3）泥質(zhì)膠結(jié)的巖層在浸水后容易破碎、泥化、崩解，甚至完全喪失強度。3.3 支護作用在巷道支護上，多數(shù)巷道采用錨網(wǎng)或剛性支架支護頂幫，對底板未采取有效支護，而各種支護要承受周邊圍巖的壓力，為使其不被破壞，各種壓力會向未進行支護的底板即弱面進行傳遞，破壞底板原有的應(yīng)力平衡，以致底板向有空間的巷道內(nèi)隆起，造成巷道底鼓。3.4 時間效應(yīng)根據(jù)莫爾庫

5、侖強度理論，巖體在正應(yīng)力下的極限剪應(yīng)力為：3.5 構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力是由于地殼構(gòu)造運動在巖體中引起的應(yīng)力。根據(jù)實測垂直應(yīng)力q統(tǒng)計資料分析，其幾乎等于上覆巖層重量;最大水平主應(yīng)力q一般為垂直應(yīng)力q的0.55.5倍（一般情況下為2倍）。根據(jù)海姆靜水壓力假說，上覆巖層垂直應(yīng)力為：4 底鼓治理措施近年來根據(jù)巷道的用途、服務(wù)年限、圍巖賦存條件等，采用多種方式治理巷道底鼓，取得了較好的成效。4.1 臥底+防水該方式通常用于工作面兩巷，由于此類巷道服務(wù)年限普遍較短，受采動影響頻繁，底鼓速度通常較快，一般我們對底鼓地段采用臥底方式，可在較短時間內(nèi)解決底鼓帶來的影響，且不影響巷道的正常使用;同時在巷道內(nèi)采用廢舊皮

6、帶鋪設(shè)臨時水溝，將頂?shù)装辶芩?、生產(chǎn)廢水等引到巷道以外的水溝中，較少水理作用對底板的影響。4.2 施工底板錨桿當(dāng)?shù)装鍦\部巖層為層狀分布且較完整時，可采用該方式。在巷道內(nèi)易底鼓地段按800×800mm施工地錨（22×2500mm的左旋金屬錨桿），每根地錨使用2卷z2850型錨固劑，抗拔力不低于7t，然后鋪上一層厚約100mm的砂漿。這樣支護的工作原理主要有兩個方面：一是將軟弱底板巖層與其下部穩(wěn)定巖層連接起來，阻止軟弱巖層向上鼓起;二是把幾個巖層連接成一個組合梁，其極限抗彎強度比各個單一巖層的抗彎強度的總和大。比如東三采區(qū)變電所，直接底為厚約0.5m的砂質(zhì)泥巖，0.4m厚的炭質(zhì)泥

7、巖，3.8m厚的細砂巖，錨桿生根在砂巖中，采用該方式支護底板，經(jīng)觀測，3年內(nèi)底鼓量約為40mm，而同一標(biāo)高、相同巖性的東三采區(qū)下部車場則每年需臥底一次。4.3 底板注漿+地坪當(dāng)巷道布置在破碎（煤）巖體中且服務(wù)年限較長時，可采用底板注漿的方式粘合破碎的（煤）巖體，提高巖層整體抗底鼓的能力。由于底板巖層巖性及破碎程度不同，注漿參數(shù)（包括注漿孔深、孔布置、注漿壓力等）也不同，當(dāng)巖層與注漿材料粘結(jié)程度較低時，注漿只能取得部分效果;當(dāng)注漿壓力高于圍巖強度時，則會產(chǎn)生新的裂隙;注漿壓力過小、鉆孔布置不合理時，注漿效果也會不理想。因此要根據(jù)實際情況合理選擇注漿參數(shù)。劉莊煤礦中央軌道石門8煤下部車場至聯(lián)巷段，

8、底板穿過8煤、7-2煤、7-1煤等煤層群中，巖性松軟，現(xiàn)場采用底板注漿加地坪方式，有效的控制住巷道底鼓。根據(jù)巖層特性及砂漿滲透半徑，首先在巷道底板按1600×1600mm布置4路注漿錨桿，注漿錨桿長2000mm，然后在巷道兩側(cè)底腳處按與底板75°各布置1路，這樣將巷道底板與巷道輪廓線外巖層連成一個整體，有利于提高底板抗底鼓能力。選用p.c32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，按照水灰比為0.71.0配置?？紤]到圍巖松散破碎，可能出現(xiàn)注漿時串漿堵孔問題，在注漿地段先施工約100mm厚地坪，然后采用縱向間隔注漿方法，即初次注漿間隔為3.2m（每隔2排注漿），然后進行復(fù)注。注漿順序為由兩側(cè)至中

9、間，先注底角，再注巷中，隔排注漿。此種方式雖未完全防止底鼓發(fā)生，但大大降低了底鼓量，且操作簡便，是比較常用的一種措施。4.4 施工反底拱對于主要開拓巷道，由于受礦井整體布局影響，常常需穿層施工，巖性變化大，同時巷道服務(wù)年限長，臥底、底板注漿等方式往往不能有效的控制底板變形，且頻繁修復(fù)嚴重影響礦井運輸、通風(fēng)、行人，不利于礦井安全生產(chǎn)。劉莊煤礦一號軌道石門、二號軌道石門均布置在16煤底板泥巖、砂質(zhì)泥巖中，該巖層裂隙發(fā)育，本身抗壓、抗剪強度較低，巷道頻繁受采動影響，底鼓量大，平均每3個月需臥底一次。為消除底鼓對礦井生產(chǎn)帶來的影響，經(jīng)研究對2號軌道石門采用澆筑反底拱的方式，取得了良好的效果。4.4.1

10、 反底拱施工反底拱梁采用兩節(jié)36u型鋼制作，兩節(jié)底梁搭接不小于500mm，站腿與原36u型棚腿搭接不少于500mm，各采用3副36u型棚卡固定，間距450mm。施工反底拱時，首先按設(shè)計要求進行臥底（以58m為一個施工段），然后搭接底梁中部，再固定棚腿兩側(cè)，最后將螺絲擰緊上牢，搭接出現(xiàn)間隙時用鐵楔楔緊。在拱梁間扎接鋼筋，采用強度不低于c30的混凝土澆筑。澆筑時使用振動棒分層均勻振搗。保證混凝土填滿棚后搭接處不留死角。4.4.2 反底拱原理采用“反底拱”施工后，其支架大大減少了巷道兩幫的內(nèi)移量，有效抵抗了底板所承受的水平力，并對巷道底板巖層的離層和斷裂起到一定的控制作用，從而改善了圍巖結(jié)構(gòu)，提高了

11、圍巖強度，增加了圍巖穩(wěn)定性。同時將整個巷道支護形成一個整體的自然結(jié)構(gòu)，其抗壓能力顯著增強，有效防止巷道因地壓造成的底鼓現(xiàn)象發(fā)生，為確保巷道長時間安全使用創(chuàng)造了良好條件。4.5 實際效果通過觀測，一號軌道石門在50天內(nèi)的底板位移量約為260mm，位移速度為5.2mm/d，二號軌道石門采用反底拱澆筑后，50天內(nèi)底板位移量約為4mm，幾乎無明顯位移。4.6 聯(lián)合支護巷道底鼓的成因通常是幾種變形力學(xué)的結(jié)合體，有時采用一種防治措施不能完全的防治底鼓，需采用聯(lián)合支護的方式，即將加固法與應(yīng)力控制相結(jié)合，一方面提高圍巖抵抗周邊應(yīng)力的能力，另一方面可將底板應(yīng)力向周圍轉(zhuǎn)移。此法通常用于應(yīng)力集中程度大、底鼓變形嚴重的情形。5 結(jié)論研究表明，底板巖性、水理作用、支護強度、時間效應(yīng)、構(gòu)造應(yīng)力等是底鼓形成的主要因素，需針對巷道的用途，采用不同的防治措施，并對實際效果進行觀測分析，極大減少底鼓對礦井生產(chǎn)的影響。參考文獻：1沈明榮，陳健峰.巖體力學(xué).同濟大學(xué)出版社，2006.2東兆星，吳士良.井巷工程.中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.3陳見行，黃繼達