深井巷道的底鼓與錨固技術(shù)研究

翟封

摘要：深井軟巖巷道由于其地應(yīng)力大，其巖體長(zhǎng)期在高應(yīng)力、高溫高壓及強(qiáng)滲透作用下，其巖土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了根本性的變化，因此極易產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。本文通過對(duì)巷道底鼓進(jìn)行機(jī)理分析，然后從地質(zhì)構(gòu)造和圍巖性質(zhì)、地壓以及地下水的作用提出相應(yīng)的防治措施，同時(shí)探討了底鼓的錨固控制技術(shù)，這對(duì)于底鼓的控制與防治具有一定的實(shí)際價(jià)值。

關(guān)鍵詞：深井巷道；底鼓；錨固技術(shù)；地下水

最近10來年，我國(guó)的資源消耗巨大，國(guó)內(nèi)的一些煤礦也進(jìn)入了深層開采階段，在新汶徐州、平頂山等地已相繼出現(xiàn)1km以上的礦井[1]。進(jìn)入超千米的深度后，由于地下環(huán)境的不斷惡化，其巷道巖體的物理力學(xué)性質(zhì)都發(fā)生了變化。如果僅通過對(duì)以前的巷道的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和維護(hù)，這是不合理的，容易造成巷道發(fā)生各種破壞，使得巷道很難滿足使用要求。因此，研究深井高應(yīng)力作用下巷道底板的控制問題對(duì)解決我國(guó)超千米深井高應(yīng)力巷道支護(hù)具有重要意義。

1 煤礦底鼓產(chǎn)因分析

底鼓是巷道在高應(yīng)力下產(chǎn)生變形和破壞導(dǎo)致巷道斷面變小的的現(xiàn)象，阻礙礦井的通風(fēng)運(yùn)輸和機(jī)器的運(yùn)作，因而使得煤礦的開采不能得以繼續(xù)進(jìn)行，造成煤礦出現(xiàn)生產(chǎn)安全問題。對(duì)于底鼓的產(chǎn)生機(jī)理國(guó)內(nèi)外存在著許多觀點(diǎn)，曼.奧頓哥特通過進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M研究，得到結(jié)論為：巷道圍巖的變形與破壞首先在垂直應(yīng)力作用下兩幫巖層被壓裂，其次是水平應(yīng)力的作用巷道頂?shù)装逑蛳锏纼?nèi)移近，其中直接底板圍巖先破壞。另外有一些學(xué)者采用數(shù)值分析的手段，通過建立圍巖的監(jiān)測(cè)模型，然后通過邊界條件和巖體性質(zhì)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，對(duì)巷道發(fā)生底鼓機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)果表明底鼓的產(chǎn)生主要是由于工作面超前支承壓力的作用，使巷道產(chǎn)生擠壓流動(dòng)型和撓曲褶皺型底鼓。雖學(xué)者們都做了很多研究，且取得了一系列的成果，但研究都比較理論化，很難在實(shí)際工作中進(jìn)行開展；因此在進(jìn)行底鼓防治時(shí)，為了抓住主要原因，只考慮影響底鼓的主要因素：工程地質(zhì)、圍巖性質(zhì)、地下壓力狀況、巷道的大小和形狀，同時(shí)還有地下水和人為作用等。

2 底鼓治理技術(shù)

總的來說，治療底鼓存在著兩種思路，及事前控制和事后治理。一是事前防治法，采取措施預(yù)防底鼓發(fā)生，二是事后清除法，即將巷道已發(fā)生底鼓的部分進(jìn)行清除，恢復(fù)原有巷道斷面積。下面將介紹幾種主要的治理方法。

2.1 巖層加固法

巖層加固技術(shù)就是通過對(duì)巷道底板或邊緣部采用相應(yīng)的技術(shù)手段進(jìn)行加固，達(dá)到提高巖層強(qiáng)度，減少底鼓發(fā)生機(jī)率。常用的有封閉式支架加固法、底板注漿加固法、底板錨桿加固法等。其中，封閉式控制底鼓又分為兩類：剛性支承，如鋼筋混凝土環(huán)支架和圓形金屬支架；可伸縮性支撐，有金屬圓形，馬蹄形狀等。

2.2 綜合法

在實(shí)際工程中，常將加固法與卸壓法（部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移法）同時(shí)使用，這就是所謂的綜合法。這種方法能夠降低應(yīng)力集中，還能提高圍巖的整體強(qiáng)度，適用于應(yīng)力集中程度大，底鼓較為嚴(yán)重的情形。

2.3 控制地下水

巖石遇水后造成巖體軟化，其強(qiáng)度會(huì)有所降低。因此在巷道掘進(jìn)過程中，一定要做好防水與排水工作，可以有效的防止底鼓的發(fā)生。

3 錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

近年來，錨桿支護(hù)已經(jīng)成為了一種有效的控制巷道圍巖方式，在煤礦開采過程中得到了廣泛的應(yīng)用。在一定條件下可以減少圍巖應(yīng)力，防止巷道破壞?，F(xiàn)主要從原理和控制機(jī)理加以分析。

3.1 深井內(nèi)錨桿錨索控制的原理分析

（1）錨桿支護(hù)要根據(jù)錨桿受力的基本原理進(jìn)行受力布置，盡量使其處于受壓狀態(tài)。最大限度的抑制圍巖彎曲變形，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力以及剪應(yīng)力，同時(shí)在錨固時(shí)保護(hù)錨固區(qū)的圍巖完整性，提高圍巖的整體穩(wěn)定性。

（2）在巷道錨固區(qū)形成了具有較大剛度的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，可以阻擋錨固區(qū)外層的巖體產(chǎn)生離層現(xiàn)象，同時(shí)通過錨索的傳遞作用，可以改善巖石深部的應(yīng)力分布規(guī)律[2]；與此同時(shí)，錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度對(duì)錨固支護(hù)具有重要作用，其選擇不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失去錨固效果。

（3）在進(jìn)行錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，一定要控制好預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，因?yàn)榫蛦胃鶙U件而言，其應(yīng)力傳遞作用是有限的，必須通過過天平、鋼帶和金屬網(wǎng)狀物等其他附加結(jié)構(gòu)才能將預(yù)應(yīng)力傳遞到更遠(yuǎn)的圍巖深部。尤其在巷道表面，通常只要施加極其微小的支護(hù)力，就會(huì)使得圍巖達(dá)到變形，甚至發(fā)生破壞。

（4）錨索結(jié)構(gòu)相比于錨桿，具有錨固深，可施加大的錨固預(yù)應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)。其原因主要有二，其一是錨索能把錨桿形成的預(yù)應(yīng)力區(qū)域與深部圍巖鏈接，在提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時(shí)，也加強(qiáng)了應(yīng)力往巖層深入的傳遞；另一個(gè)原因?yàn)樵阱^固初期施加的預(yù)應(yīng)力，可以使得原有巖層中的裂縫、節(jié)層理之間的結(jié)構(gòu)面變得更為緊密，從而可以提高巖層間的抗剪力，并且使得圍巖的整體強(qiáng)度得到提高。

3.2 錨固控制基本要求

（1）一次性支護(hù)。巷道開挖后就進(jìn)行立即支護(hù)，其目的是為了控制巷道內(nèi)的圍巖發(fā)生離層、造成裂隙生長(zhǎng)。并且，在進(jìn)行錨固支護(hù)時(shí)要做到一次性支護(hù)到位，避免因?yàn)槎沃ёo(hù)造成巷道進(jìn)一步破壞。

（2）堅(jiān)硬巖層錨固原則。錨桿的端部必須插入到堅(jiān)強(qiáng)的巖層或巖土塑性區(qū)內(nèi)，如果錨固層中沒有出現(xiàn)堅(jiān)硬巖體和可以依靠的塑性巖土，則必須采用全長(zhǎng)型的剛性錨固桿加以錨固。

（3）錨網(wǎng)索支護(hù)與圍巖注漿加固相結(jié)合的原則。深井由于應(yīng)力水平高、巖層傾角大、易發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)、圍巖破碎、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、礦井災(zāi)害嚴(yán)重等多重困難條件，使得圍巖內(nèi)部存在較大的裂隙與離層。因此，在巷道開挖后，采用錨固與圍巖注漿加固相結(jié)合的方式進(jìn)行巷道支護(hù)，及時(shí)控制圍巖變形破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

深井底鼓的改造措施和相關(guān)的技術(shù)方法都有很多，但一定要根據(jù)工程實(shí)際情況來進(jìn)行選擇。要想能得到最合適的治理方法，得必須進(jìn)行從多方面進(jìn)行比較研究，把現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論計(jì)算和數(shù)值模擬等多種方法進(jìn)行相合。特別是在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算與模擬方面，如何真實(shí)的模擬出深井巷道的工程狀況，得到較為滿意的效果，還有待各巷道參與者們的進(jìn)一步研究與探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]張輝.超千米深井高應(yīng)力巷道底鼓機(jī)理及錨固技術(shù)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）博士學(xué)位論文，2013.

[2]康紅普.深部巷道錨桿支護(hù)理論與技術(shù)[C].中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)第六次全國(guó)會(huì)員代表大會(huì)暨學(xué)術(shù)論壇論文集，2007.