1、深井巷道底鼓控制技术研究摘要：通过对郭屯矿中央泵房实际情况的调查与分析，阐述了围岩产生底鼓机理及主要影响因素，并根据实际情况，对底板采取锚注加反底拱的联合支护方式。有效控制了底鼓量，从而保证泵房稳定，取得了良好的技术经济效果。对于类似条件下的巷道底鼓治理具有一定的参考价值。 关键词：巷道底鼓；机理；防治方法 中图分类号：X952 文献标识码： A 我国能源结构中，煤炭占 70%以上，多为立井开拓，随着浅部煤层资源的枯竭，开采深度不断增加，目前，我国煤矿开采深度正以每年以1520m 的速度递增。随着开采深度的增加，巷道围岩变形量大，巷道维护普遍比较困难。现场调查表明，在底板不支护的深部开采中，巷
2、道顶底板移近量的 2/33/4 是底鼓引起的，底鼓造成的巷道维修量占维修总量的 50%。国内外的研究表明，巷道围岩控制是深部煤炭开采中的关键问题，而要攻克深井软岩巷道支护的难关，就必须首先研究底鼓的机理及其防治措施。 1 工程实例 1.1 工程概况 郭屯矿井-808m 水平井底车场硐室埋深在 853858m 左右，中央泵房设计全长全长 57.6m，断面形状为半圆拱形，净宽宽达 5.3m，净高高5.65m，根据已揭露的岩层结构分析，泵房位于 M7 含水层，所处的岩层多为泥岩、粉砂岩、细砂岩或交互层，而且节理、高角度裂隙发育，泥岩较破碎，结构较复杂，钙质胶、结水渗透性强松软破碎，遇水泥化。通过对该
3、地层四种岩石物相分析，岩层中含有多水高岭石分别为24.5%、24.7%、46.3%和 47.5%，这种矿物成分遇水有较大的膨胀性。根据同水平相邻矿井地应力测试结果，水平应力达 36.846.1MPa，垂直应力在 21.424.0 MPa 内，水平应力平均大于垂直应力的 1.8 倍左右。由于该地层水平应力大且含有膨胀性矿物，支护中防止底臌是重点，在选择支护结构形式时，要使侧压力转移，统一考虑顶、帮、底变形及相互影响。 1.2 底鼓机理分析 深井软岩巷道底鼓的机理通常可归结为挤压流动性底鼓，挠曲褶皱性底鼓，剪切错动性底鼓，遇水膨胀性底鼓。郭屯矿井中央泵房位于 M7含水层,所处的岩层多为泥岩、粉砂岩
4、、细砂岩或交互层，而且节理、高角度裂隙发育，且岩层中含有较多的遇水有较大的膨胀性的高岭石。水平应力平均大于垂直应力的 1.8 倍左右。由于该地层水平应力大且含有较多的膨胀性矿物，所以可预测极有可能出现挤压流动性底鼓和遇水膨胀性底鼓的综合作用现象。 1）挤压流动性底鼓机理 这种类型的底鼓常发生于直接底板为软弱破碎岩层(如粘土岩、煤等)，而两帮和顶板的强度远大于底板岩体强度的情况下。在两帮岩柱的压模效应和远场应力的作用下，底板软弱破碎岩体挤压流动到巷道内。当整个巷道都位于松软碎裂的岩体内时，由于围岩应力重新分布和远场应力的作用，而使底板破碎岩体流动变形。 2）遇水膨胀性底鼓机理 一般情况下，岩石浸
5、水后尽管强度弱化，但体积变化较小，而有些粘土岩层中，由于含有蒙脱石、伊利石等，浸水后体积会发生剧烈增大。井下实际生产中，巷道底板经常积水，当底板为膨胀岩时，就会遇水膨胀而引起膨胀性底鼓。 1.3 影响底鼓的主要因素 1）底板岩性 巷道中，底板岩层的强度和结构状态对巷道底鼓起决定性的作用。主要表现为：底板岩层的结构状态决定着巷道底鼓的类型；底板岩层的强度、分层厚度和破碎程度决定着底鼓量的大小。郭屯矿中央泵房底板岩层多为泥岩、粉砂岩、细砂岩或交互层，且节理、高角度裂隙发育，泥岩较破碎，遇水泥化，强度低。如不采取合理的支护方案则硐室出现较大底鼓。 2）围岩应力 郭屯矿中央泵房埋深较大，垂直应力在 2
6、1.424.0 MPa 内，水平应力达 36.846.1MPa。上覆岩层重量大，形成的支承压力较大，硐室围岩将产生压缩变形、剪切破坏等现象，使得顶板与两帮变形，引起两帮围岩向巷道内移近。在加强顶板和两帮支护的情况下，底板强度相对较弱，这样两帮围岩可嵌入底板,因而产生底鼓。在两帮围岩向巷道内移动的同时，形成新的水平应力，称之为“二次水平应力” 。二次水平应力对拉应变区已离层的底板岩层的作用过程相当于位移加载过程，不但使破碎底板岩石产生较大的结构效应，而且使相对完整的底板岩层产生压曲。底板岩层被压曲后，即进入峰后变形阶段。岩石是脆性材料，其峰后变形比峰前成倍增加，破碎块体沿破碎面摩擦滑移，在滑移过
7、程中破裂块体产生显著的剪胀现象。分层的底板岩体再加上垂直节理，破裂面既可沿层面发育，又可沿节理发育，导致底板岩体呈破裂结构，从而产生挤压流动性底鼓。 3）水的影响 随着采深的增加，岩石压力增大，当压应力大于水分子的吸着力时，水就会被压力从接触的矿物颗粒之间挤出，使围岩中含水增多，水分子可改变岩石内部颗粒间的表面能，进而加快和加剧巷道的变形和破坏。同时岩石遇水后普遍有软化现象，其强度降低。对于泥质类软岩，遇水后出现泥化、崩解、膨胀、破碎现象，可造成围岩产生很大的塑性变形。郭屯矿中央泵房位于 M7 含水层，所处的岩层节理、高角度裂隙发育，结水渗透性强，通过裂隙流到巷道中的水首先浸湿巷道底板，水是引
8、发底鼓的主要环境因素。 2 泵房底板支护方案 2.1 底鼓控制常用方法 巷道底鼓,应以预防为主，治理为辅。巷道底鼓的常用防治措施有：锚注结合，全封闭 U 型钢可缩性支架，混凝土反底拱与药壶爆破卸压法等。 1）锚注结合加固底板 底板岩性直接决定底板锚杆控制底鼓的成败。当底板为中硬层状岩层时，在平行于层理方向的压应力作用下产生挠曲褶皱。这时通过打底板锚杆防治底鼓效果良好。当底板主要是松软碎裂岩层而产生挤压流动时，底锚杆可降低掘巷初期的底鼓速率，但不能有效防治底鼓。对松软破碎岩层，通过注浆形成的加固层为锚杆提供了可靠基础，使锚杆对碎裂岩层的锚固作用得以充分发挥。将锚杆和注浆有机地结合起来，可弥补各自
9、原有不足，具有广泛实用性。 2）全封闭 U 型钢可缩性支架 当底板为软弱破碎岩体时，用打底锚杆的方法来控制底鼓效果不理想，此时采用封闭式 U 型钢可缩性支架往往可有效防治巷道底鼓。采用封闭式金属支架时，要根据实际情况，对支架底选型、结构、工艺和参数等进行合理的设计，否则使用时也会出现支架损坏和失效。 3）混凝土反底拱 混凝土反拱具有一定的承载能力和抗渗能力，可有效地阻止底服，同时也可起到封闭底板岩石的作用，防止底板岩石风化和水的渗入。 4）药壶爆破卸压法 药壶爆破是在炮孔底部先少量装药爆破成壶状,再装药爆破不破裂岩体表面。其实质是用爆破法在靠近巷道周边的岩层底板中形成岩石松动带，由于该松动带的
10、存在使得最大支承压力转移到岩体深部，已经松散破碎的围岩体还具有缓冲垫层作用。 2.2 中央泵房底板支护方案 支护方案中防止底臌是重点，在选择支护结构形式时，统一考虑顶、帮、底变形及相互影响。郭屯矿中央泵房支护，在锚网喷支护的基础上，对应力集中程度最大或岩性差的部位应采取补打锚索的办法予以补强；并且在采用初次锚网索喷支护后，根据矿压观测情况采用二次锚注加固技术。 对底板采用抗让结合的支护方案，以提高泵基础下的强度，保证排水泵的稳定性。即要求泵基础底的强度高于泵与泵之间底板强度，但泵基础间强度仍能有效的控制底臌，为此泵房底板加固分为两部分：泵基础下采用锚梁、锚注、混凝土反底拱，每台泵基础下采用五组
11、16 曲梁，每条曲梁用 3 根 221800mm 螺纹钢锚杆固定，曲梁两空挡间各布置 4根 221600mm 注浆锚杆，基础下反底拱为厚 300mm C30 钢筋砼。两泵之间底板只铺厚 300mm 钢筋混凝土，钢筋选用 20 螺纹钢，250mm。地坪铺厚 200mm 的 C30 素混凝土。地坪与反底拱之间充填矸石。泵房加固详图见图 1。 图 1 泵房加固图 Fig. 1 The pump room reinforcement design 1-注浆锚索 2-树脂锚杆 3-墙和顶注浆锚杆 4-喷射混凝土 C20,厚 100mm; 5-混凝土 C40,厚 400mm; 6-反底拱,C40 混凝土,
12、厚 300mm 7-底板注浆锚杆 8-填毛料石或砂岩碎石 3 支护效果 根据现场监测的数据资料，对测量数据作如下处理分析。泵房围岩水平收敛差值及累计收敛值见图 11-6 所示，顶底收敛差值及累计收敛值见图 3 所示。 图 2 泵房水平收敛变形曲线图 Fig. 2 The pump room horizontal convergence distortion 图 3 泵房顶底收敛变形曲线图 Fig. 2 The pump room vertical convergence distortion 从图上可知，经过两个月以上的时间，围岩变形最终收敛，围岩趋于稳定。从图 3 中可看出，泵房顶底收敛变形
13、曲线存在分界点，可分为三个阶段：急剧增长阶段，出现在开挖后的 230 天，该阶段的收敛量达到总收敛量的 70左右，说明初次支护阻止了泵房围岩的初期过大变形；缓慢增长阶段，位移量为总位移量的 25左右，此阶段巷道围岩变形的降低，说明注浆提高了围岩的承载能力和稳定性；趋于稳定阶段，开挖后 6090 天，围岩变形速率明显降低，该阶段位移量占总位移量的5左右，最终围岩趋于稳定，底鼓得以控制。 4 结论 实践表明，锚注结合加混凝土反底拱的方法可以有效治理矿井深部软岩巷道底鼓，特别是巷道或硐室底板主要是松软碎裂岩层而产生挤压流动，单一支护方式不能奏效时，该方法能够有效控制底鼓，从而保证整个巷道或硐室稳定。而且施工方法相对简单，长期经济效益较好，在矿井软岩巷道底鼓治理中具有较大应用价值。 参考文献 1 郭屯煤矿矿压观测报告R.山东泰安:山东科技大学,2008 2 山东科技大学.超千米深井复杂地层硐室与巷道支护技术鉴定报告,2005,12 3 姜耀东.巷道底鼓机理及其控制措施的研究博士学位论文D.北京:中国矿业大学,1993 4 陆士良，姜耀东.巷道底鼓的机理和防治J.中国煤炭,1995,(8):37 5 康红普.软岩巷道底鼓的机理及防治M.北京:煤炭工业出版社,1993 6 姜耀东,赵毅鑫.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,(7)
