北陽莊礦中央水泵房底板加固技術(shù)研究

張志偉

(開灤集團(tuán)蔚州礦業(yè)公司 北陽莊礦，河北 張家口 075799)

1 基本概況

1.1 地理概況

北陽莊井田位于河北省蔚縣礦區(qū)東南部，行政區(qū)劃隸屬于張家口市蔚縣涌泉莊鄉(xiāng)和楊莊窠鄉(xiāng)管轄，其地理坐標(biāo)為北緯39°51'37″～39°57'30″，東經(jīng)114°31'10″～114°39'12″。井田北與德勝莊井田及沙澗堡井田以4424000 緯線為界，西以F20斷層，縱21 勘探線(597 號孔～520 號孔段)及19 勘探線(520號孔以南段)為界與單候井田毗鄰，東及東南界分別是5 和1煤層剝蝕邊界線，南北長約10km，東西寬5～8km，面積約52km2。最大勘探深度為727m。

井田中部的北陽莊村，南至蔚縣城直距6km，蔚縣西至山西廣靈、大同，北至張家口、宣化均有瀝青公路相通。京包鐵路宣化站距蔚縣90km，京原線靈丘站距蔚縣50km，大秦運(yùn)煤專用鐵路化稍營站距蔚縣50km，正在興建中的沙城-南留莊地方鐵路將橫貫礦區(qū)，煤炭外運(yùn)的交通條件較好，惟有井田內(nèi)北西向沖溝較發(fā)育，僅有土路繞行于各村之間，雨季道路泥濘，通行困難。

1.2 泵房概況

泵房位于巖層中;埋深約為400m～450m;底板位于遇水易軟化膨脹的中砂巖。支護(hù)方式為錨噴支護(hù);幫頂噴漿500mm，底板為100mm 混凝土;錨桿為Φ18 ×2000 強(qiáng)力樹脂錨桿;錨桿間排距為800 ×800mm;網(wǎng)片為Φ6mm 鋼筋焊接，網(wǎng)眼規(guī)格為100 ×100mm，噴射混凝土標(biāo)號為C20。

泵房為上部半圓(直徑Φ5200mm)，下部矩形(5200 ×3550mm)形狀;內(nèi)尺寸為5200 ×6150mm，外尺寸為6200 ×6750mm。如圖1.1 所示。

圖1.1 巷道尺寸簡圖

2 巷道底鼓發(fā)生原因與防治措施概述

2.1 巷道底鼓特征

基本巷道的底鼓通常具有流變性，底板巖體隨著時(shí)間持續(xù)地向巷道內(nèi)鼓出。

在以下3 種情況下底鼓往往成為影響巷道穩(wěn)定性的主要間題，需要采取專門的防治措施:(1)當(dāng)巷道為軟弱巖層或巷道位于斷裂帶、風(fēng)化帶附近時(shí)底鼓往往十分強(qiáng)烈;(2)受采動影響的巷道比不受采動影響的巷道底鼓破壞劇烈;(3)有水的巷道底鼓嚴(yán)重。

大量的現(xiàn)場觀測和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究表明，由于巷道所處的地質(zhì)條件、底板圍巖性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的差異，底板巖體鼓入巷道的方式及其機(jī)理也不同，一般可分為4 類:擠壓流動性底鼓、擾曲褶皺性底鼓、遇水膨脹性底鼓和剪切錯(cuò)動性底鼓。

2.1.1 擠壓流動性底鼓。在下列情況下會發(fā)生擠壓流動性底鼓:(1)直接底板為軟弱巖層(如粘土巖、煤等)，兩幫和頂板的強(qiáng)度大大高于底板的強(qiáng)度(如兩幫和頂板為砂巖并進(jìn)行有效支護(hù))。在兩幫巖柱的壓模效應(yīng)和遠(yuǎn)場地應(yīng)力的作用下，底板軟弱巖層擠壓流動到巷道內(nèi)。(2)整個(gè)巷道都位于松軟破碎的巖中，這時(shí)巷道周邊的圍巖松動圈很大，兩幫的應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移到巖體深部，受遠(yuǎn)場地應(yīng)力場擠壓作用周邊破壞巖體向巷道內(nèi)流動，不封底時(shí)底鼓速度通常比頂幫收斂速度大得多。

2.1.2 撓曲摺皺性底鼓。當(dāng)?shù)装鍘r層為層狀巖體時(shí)，即使是中硬巖體，如果底板與應(yīng)力狀態(tài)滿足一定的關(guān)系時(shí)也可能發(fā)生底鼓。這種底鼓的機(jī)理是由于底板巖層在平行于層理方向的壓力作用下向底板臨空方向撓曲摺皺而失穩(wěn)。

2.1.3 遇水膨脹性底鼓。膨脹巖是指那些與水的物理化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的隨時(shí)間而發(fā)生體積增大的巖石，其礦物成分中含有物理化學(xué)性質(zhì)活潑的蒙脫石。由于煤礦巷道底板經(jīng)常積水，膨脹巖浸水后膨脹受到約束時(shí)，則產(chǎn)生膨脹壓力。

2.1.4 剪切錯(cuò)動性底鼓。當(dāng)巷道直接底為完整巖層且厚度大于1/3 巷道寬度時(shí)，在較高巖層應(yīng)力作用下，底板一般為剪切破壞，形成楔塊巖體后在水平應(yīng)力擠壓下產(chǎn)生錯(cuò)動而使底板鼓出。底板剪切楔塊產(chǎn)生是由底板巖體中的應(yīng)力狀態(tài)所決定。由于底角處存在較高應(yīng)力集中，因而首先形成剪切破壞帶，隨著破壞的發(fā)展剪切帶貫通而形成楔形破壞。當(dāng)頂板和兩幫的巖性與底板相當(dāng)時(shí)，在頂板和兩幫也同樣會產(chǎn)生楔形破壞。

2.2 影響底鼓主要因素

引起底鼓的因素很多，其中影響最大的是底板圍巖性態(tài)和巖層應(yīng)力，其次是水理作用、支護(hù)強(qiáng)度和巷道斷面形狀。

2.2.1 圍巖性態(tài)。圍巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)對巷道底鼓起著決定性作用，底板巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)(破碎結(jié)構(gòu)、薄層結(jié)構(gòu)、厚層結(jié)構(gòu))決定著巷道底鼓的類型;底板巖層的軟弱程度決定著底鼓量的大小。

2.2.2 巖層應(yīng)力。巖層性態(tài)是巷道底鼓的充分條件，巖層應(yīng)力則為必要條件。只有巖層應(yīng)力滿足一定條件時(shí)才會底鼓，巖層應(yīng)力越大，底鼓越嚴(yán)重。

2.2.3 水理作用。煤礦生產(chǎn)的特點(diǎn)之一是巷道底板往往積水，水的存在使得底鼓更加嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面:(1)底板巖層浸水后其強(qiáng)度降低，更容易破壞;(2)當(dāng)?shù)装鍨楦邘X石、伊利石等為主的粘土巖時(shí)，浸水后往往會泥化、崩解、破裂，直至強(qiáng)度完全喪失，形成擠壓流動性底鼓;(3)當(dāng)?shù)装鍨楹擅撌鸵撩苫鞂拥扰蛎泿r層時(shí)會產(chǎn)生膨脹性底鼓。底板積水時(shí)，水不僅與暴露的底板巖體發(fā)生接觸，還要通過裂隙滲入到底板內(nèi)部，加速底板圍巖的強(qiáng)度喪失和體積膨脹，這又導(dǎo)致裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)大，形成惡性循環(huán)。

2.2.4 支護(hù)強(qiáng)度。巷道的底板通常處于敞開不支護(hù)狀態(tài)是由于以下原因:(1)生產(chǎn)上出于安全考慮，總是加固或支護(hù)巷道的頂板和兩幫以防止冒頂和片幫，而認(rèn)為底板即使破壞也無關(guān)緊要;(2)挖底出碴工作量大，澆筑底拱費(fèi)事;(3)錨固底板施工比較困難;(4)一旦支護(hù)控制不住底鼓，臥底時(shí)還需要清理損壞的支護(hù)，工作量更大等。這是巷道底鼓量一般都大于頂板沉降量的重要原因。

2.2.5 巷道斷面形狀。為了有效利用斷面，煤礦巷道斷面通常采用梯形或直墻拱頂?shù)刃螤?，由于底板不能形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)使得底鼓量加大。

2.3 巷道底鼓綜合治理

底鼓引起巷道圍巖變形，收縮破壞乃至冒落給維護(hù)帶來困難，不利安全生產(chǎn)，增加維護(hù)費(fèi)用;因此，如何經(jīng)濟(jì)有效地治理底鼓道工程中迫切需要解決的問題。

巷道發(fā)生底鼓的原因極其復(fù)雜，有的是巖石遇水膨脹，有的是高地應(yīng)力的影響，維護(hù)極其困難。目前控制巷道底鼓的有效技術(shù)措施主要有:

(1)增加底板圍巖的變形阻力。主要措施有澆筑反底拱，架設(shè)可縮性封閉形可縮性支架、底板桁架等。

(2)提高底板圍巖的強(qiáng)度。主要措施有打底板錨桿、反底拱、底板注漿加固等。

(3)聯(lián)合支護(hù)。既提高底板圍巖的強(qiáng)度又增加圍巖的變形阻力，這是目前最常見的方法。如全封閉噴錨注聯(lián)合支護(hù)。

(4)治水防底鼓措施。眾多巷道的底鼓，多因巖石吸水膨脹引起的，因此，治水防底鼓是非常有效的?？刂瞥鏊c(diǎn)，施行疏排結(jié)合的方法，保持各類巷道無存水、積水。施工巷道要有防水措施，做到預(yù)防為主。編制作業(yè)規(guī)程時(shí)，必須考慮治水方法，防水系統(tǒng)、防水設(shè)備和防水設(shè)施要齊全，做到有備無患。

3 底鼓治理措施

經(jīng)過現(xiàn)場觀測和分析，可知北陽庒煤礦泵房底鼓主要原因?yàn)榈装鍘r層遇水膨脹性底鼓，并且一定的地應(yīng)力和截面面積較大也是可能發(fā)生底鼓的因素，因此采用“錨網(wǎng)+混凝土反底拱”的加固方式進(jìn)行巷道底板底鼓治理。

3.1 錨網(wǎng)+混凝土反底拱加固技術(shù)

3.1.1 臥底處理。進(jìn)行巷道臥底工作，根據(jù)實(shí)際情況確定臥底量，借鑒水倉底鼓治理，最少臥底量可為400mm，以出現(xiàn)原巖為準(zhǔn);臥底形狀為反底拱形，拱邊臥底最少400mm，拱底臥底900mm(可根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié))。如圖3.1 所示。

3.1.2 安設(shè)錨網(wǎng)和錨桿。建議錨桿采用Φ22 ×2200mm錨桿，間距800mm，排距800mm;底板兩角錨桿與垂直方向約成45°夾角，向內(nèi)依次約為30°、15°、0°;錨桿外露不大于300mm。如圖3.1 所示。

3.1.3 混凝土澆筑反底拱。澆筑混凝土反底拱，拱邊最薄400mm，拱底最薄為900mm 混凝土拱底板面保持水平。如圖3.1 所示。

圖3.1 底板錨網(wǎng)與反底拱加固斷面示意圖

3.2 技術(shù)問題

(1)整體加固。使頂、幫、底形成一個(gè)完整的支護(hù)體，提高圍巖的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性;保證各錨桿具有相同的預(yù)緊力。

(2)施工質(zhì)量。施工應(yīng)嚴(yán)格按作業(yè)規(guī)程要求執(zhí)行。被水浸泡的底板巖層必須全部清除干凈，反底拱施工過程中，嚴(yán)禁底板浸水，保證底板的干燥;處理好底板混凝土和兩幫底角已澆筑混凝土段的結(jié)合。

(3)反底拱施工。反底拱要達(dá)到設(shè)計(jì)的反底拱弧度(兩邊400mm，拱底900mm)，兩角錨桿一律為45°。

總之，要嚴(yán)格按研究設(shè)計(jì)方案和作業(yè)規(guī)程施工，并加強(qiáng)監(jiān)督、檢查和工程驗(yàn)收制度。