淺析深井開采軟巖巷道底鼓機(jī)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(shí)，底板維護(hù)量約占巷道整體維護(hù)量的2/3，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)?，F(xiàn)對底鼓形成機(jī)理、影響因素進(jìn)行分析，針對不同巷道提出幾條治理底鼓措施，為維護(hù)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(hù)

1 前景概述

目前我國部分煤礦進(jìn)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(jì)，深井巷道底板維護(hù)量約占巷道整體維護(hù)量的2/3。巷道底鼓不僅會(huì)導(dǎo)致巷道斷面縮小，妨礙行人、運(yùn)輸、通風(fēng)，還會(huì)導(dǎo)致巷道支護(hù)失穩(wěn)、破壞，嚴(yán)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(jī)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(dòng)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(qiáng)度遠(yuǎn)高于底板，在兩幫巖柱的應(yīng)力作用下，底板松軟巖層會(huì)因擠壓而流動(dòng)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(shí)，，底板巖層在水平層理方向的壓應(yīng)力作用下，往往也會(huì)向底板臨空方向鼓起，產(chǎn)生底鼓。

2.3 剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓

當(dāng)?shù)装鍨楹駥訝顜r體時(shí)，在巷道墻基處往往存在應(yīng)力集中，當(dāng)這個(gè)應(yīng)力集中超過底板巖體強(qiáng)度時(shí)就會(huì)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(cuò)動(dòng)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(qiáng)度會(huì)弱化，特別是巖層中含有蒙脫石、伊利石等，遇水后體積會(huì)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(hù)、時(shí)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?jiān)硬的砂巖時(shí)，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(shí)，由于巖體本身抗壓強(qiáng)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(jìn)或使用過程中，由于巖層本身含水及受生產(chǎn)用水影響，底板巖層會(huì)逐漸膨脹，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)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(gè)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(huì)較小，巖體結(jié)構(gòu)變松軟，巖體強(qiáng)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(qiáng)度。

3.3 支護(hù)作用

在巷道支護(hù)上，多數(shù)巷道采用錨網(wǎng)或剛性支架支護(hù)頂幫，對底板未采取有效支護(hù)，而各種支護(hù)要承受周邊圍巖的壓力，為使其不被破壞，各種壓力會(huì)向未進(jìn)行支護(hù)的底板即弱面進(jìn)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(shí)間效應(yīng)

根據(jù)莫爾—庫侖強(qiáng)度理論，巖體在正應(yīng)力σ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(yùn)動(dòng)在巖體中引起的應(yīng)力。根據(jù)實(shí)測垂直應(yīng)力q統(tǒng)計(jì)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0.5～5.5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(dòng)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(shí)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(shí)在巷道內(nèi)采用廢舊皮帶鋪設(shè)臨時(shí)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(shí)，可采用該方式。在巷道內(nèi)易底鼓地段按800×800mm施工地錨（Φ22×2500mm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(hù)的工作原理主要有兩個(gè)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(gè)巖層連接成一個(gè)組合梁，其極限抗彎強(qiáng)度比各個(gè)單一巖層的抗彎強(qiáng)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)泥巖，3.8m厚的細(xì)砂巖，錨桿生根在砂巖中，采用該方式支護(hù)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(shí)，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(shí)，注漿只能取得部分效果;當(dāng)注漿壓力高于圍巖強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生新的裂隙;注漿壓力過小、鉆孔布置不合理時(shí)，注漿效果也會(huì)不理想。因此要根據(jù)實(shí)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，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(gè)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0.7～1.0配置。考慮到圍巖松散破碎，可能出現(xiàn)注漿時(shí)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(jìn)行復(fù)注。注漿順序?yàn)橛蓛蓚?cè)至中間，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(shí)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(yán)重影響礦井運(yùn)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(qiáng)度較低，巷道頻繁受采動(dòng)影響，底鼓量大，平均每3個(gè)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 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(shí)，首先按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行臥底（以5～8m為一個(gè)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(shí)用鐵楔楔緊。在拱梁間扎接鋼筋，采用強(qiáng)度不低于C30的混凝土澆筑。澆筑時(shí)使用振動(dòng)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)，提高了圍巖強(qiáng)度，增加了圍巖穩(wěn)定性。同時(shí)將整個(gè)巷道支護(hù)形成一個(gè)整體的自然結(jié)構(gòu)，其抗壓能力顯著增強(qiáng)，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(shí)間安全使用創(chuàng)造了良好條件。

4.5 實(shí)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(hù)

巷道底鼓的成因通常是幾種變形力學(xué)的結(jié)合體，有時(shí)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(hù)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(yán)重的情形。

5 結(jié)論

研究表明，底板巖性、水理作用、支護(hù)強(qiáng)度、時(shí)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(shí)際效果進(jìn)行觀測分析，極大減少底鼓對礦井生產(chǎn)的影響。

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