淮北礦區深井巖石巷道底臌原因分析及防治措施探討

郭建彪

摘 要：就淮北礦區而言，隨著礦井開采深度的逐漸增加，巷道底臌問題也越來越嚴重，底臌也成為深部巷道破壞的主要因素，本文通過深入分析煤礦深部巷道底臌原因，提出了“底板錨桿+底板注漿+封閉式支架”底板聯合加固措施，以改善深井巖石巷道底臌防治的現狀，確保礦井的安全高效生產。

關鍵詞：深井巖石巷道 底臌原因分析 聯合加固措施

中圖分類號：TD263 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0153-01

目前，淮北礦區大多數礦井的開拓深度延伸到了地下800 m左右，有的礦井礦開拓深度甚至延伸到了1000 m以下，隨著開采深度的加大，礦壓明顯增大，且礦區地質條件復雜，水平地應力較大，巖石遇水膨脹較嚴重，巖性較軟，巷道底臌日益嚴重，支護難度日益增大，嚴重影響著煤礦的安全正常生產。采用封閉式支架、底板注漿、底板錨桿、底板卸壓等單一的防治措施已不能有效控制巷道底臌，本文從分析深井巖石巷道底臌發生原因入手，探討巷道底臌綜合防治措施，以提高底臌的治理效果。

1 深井巖石巷道底臌原因分析

深井巖石巷道的底臌主要受底板圍巖性質、底板所受應力狀態、底板巖石的水理性質、地溫、支護強度、巷道斷面形狀等主要因素的影響。

1.1 深部高地應力作用

深部高應力對巷道底臌的影響包含兩個方面：一是垂直高應力，巖體內開挖巷道會破壞原巖應力平衡狀態從而引起應力重新分布，在巷道兩幫圍巖內形成集中應力，隨著采深增加，巷道兩幫內的集中應力隨之增大。垂直集中應力由兩幫圍巖傳遞至底板巖層，在垂直應力的作用下產生水平應力，擠壓底板巖石，使之發生塑性流動，進而出現底臌；二是水平構造應力，對于深部巖體，構造應力普遍超過垂直應力，實測表明，構造水平應力一般比垂直應力大0.5～5.5倍。軟弱底板巖石在較大水平構造應力的擠壓作用下容易產生底臌。由以上分析可知，較高的垂直應力和水平構造應力均可以導致底臌發生，因此，深部高應力是底臌發生的一個重要因素。

1.2 深部高地溫作用

高地溫也是深井巷道底臌的一個主要原因。經測量研究，淮北礦區地溫梯度范圍介于1.50～3.80 ℃/100 m，平均地溫梯度約為2.65 ℃/100 m，淮北礦區的恒溫帶深度和溫度分別約為30 m和17 ℃。根據地溫與深度的線性關系式：t=0.0265H+17可知淮北礦區600～1000 m深度的巖層溫度約為33 ℃～45 ℃。在高溫環境下，巖石會從脆性向塑性轉化，圍巖產生塑性變形，溫度升高還會使巖石的礦物顆粒和膠結物發生膨脹，礦物脫水增大巖石空隙，導致巖石強度降低，在加上深部高應力的作用容易使底板產生底臌。

1.3 水理作用

水對底板巖石的影響主要有：一是水對巖石有軟化作用，巖石浸水后強度會顯著降低，浸水時間越長，其強度降低越大，使巷道底板更容易破壞；二是水會使巖體產生膨脹甚至崩解，如含有大量粘土礦物（如水云母、高嶺土、蒙脫石、泥質巖等）的軟巖遇水后容易發生膨脹和崩解，出現巖體擴容現象，產生膨脹應力，使巷道底板巖石變形加劇，導致底臌。由以上分析可以看出水是引發巷道底鼓的主要環境因素。

1.4 巷道底板巖性狀態

巷道底板巖層的結構狀態、礦物成分及軟弱程度對巷道底臌起決定性作用。結構狀態對巷道底臌類別起著決定作用，比如膨脹性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、剪切錯動性底鼓和擠壓流動性底鼓等；組成巖石礦物的成分決定著巖石強度的大小，而底板巖層軟弱程度又決定著巷道底臌量的多少。

1.5 時間效應

由于巖石具有流變性，服務年限較長的軟巖巷道，流變將會引起巷道底板巖層強度的降低和底臌量的增加，因此，要考慮時間對巷道底臌的影響。由于軟巖抗剪強度τ、內聚力C和內摩擦角φ都是時間的函數，則莫爾—庫倫準則：

，

依據上式可以計算出某一時刻巷道底板的破壞范圍和底臌量。由以上分析可知，隨著巷道使用時間的延長，巷道底臌的范圍和底臌量都會隨時間增加。

2 巷道底鼓的防治措施探討

根據以上底臌原因分析可知，淮北礦區深部巷道受到高構造應力、非均質圍巖、泥質巖性和受水的影響顯著等復雜地質條件和多因素綜合作用，實踐證明采用單一的底臌防治措施已不能有效控制巷道底臌。為了更有效地控制巷道底臌，可以通過“底板錨桿+底板注漿+封閉式支架”聯合加固支護措施進行巷道底臌治理。

2.1 底板錨桿作用分析

底板錨桿可以把底板淺部不穩定巖層與深部堅硬穩定巖層錨固在一起，使巷道底板巖層形成組合巖梁，增加了底板巖層的抗彎強度和抗剪強度；底板錨桿還可以對底板巖層施加預應力和摩擦力，提高底板巖層的自承能力，減少底板破碎程度。實踐表明，底板錨桿可以在很大程度上加固軟弱底板，增強底板巖層的抗彎能力和抗剪能力，能夠阻止底板向巷道內移動，有效限制底板巖層鼓起。

2.2 底板注漿作用分析

當底板巖層較為破碎時，向底板注入配制好的漿液，可以起到以下幾個方面的作用：一是可以提高巖體強度。漿液充填到巖體裂隙中，提高了裂隙和弱面的內摩擦角φ和內聚力C，提高了底板巖層的整體穩定性；二是底板注漿可以使破裂松散巖塊重新膠結成整體，增強了底板巖層的自穩能力，形成承載結構；三是底板注漿可以改善底板巖層的賦存環境，漿液充填固結封閉巖層空隙，有效阻止了水和氣體的侵蝕，使圍巖力學性質保持穩定。

2.3 封閉式支架作用分析

目前，常用的封閉式可縮性支架有馬蹄形、方形、圓形和環形。封閉式支架底梁對底板巖層施加支護反力，改變了底板附近巖層的受力狀態，使底板巖層由雙向受壓狀態變為三向受壓狀態，增加了底板巖層的強度，抑制了底板彎曲變形的產生，有效控制了底板巖層向巷道空間移動。

2.4 “底板錨桿+底板注漿+封閉式支架”聯合加固作用分析

“底板錨桿+底板注漿+封閉式支架”聯合加固措施，綜合了以上三個單一的加固措施的作用和優點，比單一的加固措施可以在很大程度上提高底板巖層的強度，能夠更加有效地控制底板巖層的變形、破壞以及底臌的發生。

3 結論

（1）深入分析了淮北礦區深井巖石巷道底臌的原因，主要是受到高應力、高地溫、水、圍巖性質和時間的影響。

（2）通過分析巷道底臌原因，提出了“底板錨桿+底板注漿+封閉式支架”聯合加固防治巷道底臌的措施，對淮北礦區底臌防治有一定的理借鑒意義。

參考文獻

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