煤礦軟巖巷道底鼓控制技術研究

陳昭征

(貴州魯中礦業有限責任公司,貴州畢節 551700)

煤礦軟巖巷道底鼓控制技術研究

陳昭征

(貴州魯中礦業有限責任公司,貴州畢節 551700)

針對貴州某礦軟巖巷道底鼓問題,首先分析巷道工程地質條件,總結底鼓發生原因,設計了能夠有效控制軟巖巷道底鼓的支護方案,并對支護方案進行了數值模擬分析,最后,通過工程實踐證明,此支護方案是有效并且可行的。

軟巖巷道 底鼓 控制技術

近年來，隨著開采深度增加和地質條件的惡化，底鼓問題日益嚴重。國內外眾多學者[1-4]對軟巖巷道的底鼓控制技術進行了研究，并取得了大量的成果。本文針對貴州某礦副風井圍巖破壞嚴重、難支護的情況，首先對巷道圍巖進行地質力學分析，并根據其分析結果進行巷道底鼓控制方案設計，經工程實踐證明支護方案是可行的。

1 巷道工程地質條件

副風井圍巖主要以泥巖、炭質泥巖、花斑泥巖、粉砂巖及砂質泥巖為主，極為破碎、團狀結構，遇水易膨脹、富滑面、易冒落，圍巖巖性較差，屬極軟巖巷道，采用錨注支護方式，該支護方式有效的控制了巷道頂幫圍巖的變形量，但錨注巷道底鼓依然很嚴重，這也是困擾副風井巷道變形的主要因素。

2 底鼓發生原因分析

2.1 地下水

軟巖遇水后，其物理化學性能將發生變化，產生強烈的吸水膨脹和崩解。如蒙脫石、高嶺土和伊利石，能將水分子吸附在晶體表面，形成水化層。水化層的楔入引起巖石的膨脹變形和膨脹應力。巖石取樣化驗分析，巷道底板巖層泥巖中伊/蒙混層含量高達25%～33%。由于巷道底板經常積水，而軟弱巖體內節理裂隙發育，所以水很容易進入巖體內部，引起軟化、崩解及膨脹。

圖1 網格劃分及模型初始狀態

圖2

2.2 周期壓力作用

巖層在應力作用下發生擴容后，導致體積增加，必然引起軟巖孔隙率、含水量等參數的變化，使得水更容易進入巖體內部，引起更大程度的膨脹和軟化。

2.3 地應力作用

副風井位于松軟破碎巖體中，巷道周邊的圍巖破碎圈很大，兩幫的應力增高區位于巖體深部。在應力作用下擠壓周邊破壞巖體向巷道內流動形成底鼓。由于巷道采用錨注支護，使底鼓速度遠遠大于頂幫收斂速度，從而造成強烈底鼓。

此外，產生底鼓破壞的因素很多，諸如地質構造影響、動壓影響及巷道斷面大小、圍巖暴露時間長短等因素有密切關系。總之，底鼓是各種應力效應、構造效應及時間效應在井巷工程中的綜合反映。

3 底鼓控制技術及機理

3.1 底鼓處理方案

(1)巷道起底。采用起底的方法對已底鼓的巷道進行處理，臥底深度達到500mm以上并到實底，然后，鋪設鋼筋網片，鋼筋網片采用φ14舊錨桿加工，網孔直徑100mm。

(2)鋪設槽鋼底拱。安裝12＃槽鋼底拱，底拱長度L＝4300mm，排距1000mm，槽鋼底拱必須伸進巷道兩幫角。

打螺紋鋼錨桿固定槽鋼底拱，螺紋鋼錨桿尺寸φ20×1800mm，間排距為1000×1000mm；在兩槽鋼之間打注漿錨桿，注漿錨桿尺寸Φ21.3×1500mm，間排距為1000×1000mm。

(3)底板澆灌。注漿錨桿露出混凝土澆灌平面100mm，然后采用200＃混凝土進行底板澆灌，澆灌厚度500mm，在進行底板澆灌時，采用塑料布對注漿錨桿尾絲進行保護，便于注漿時管路連接。

在巷道底板同時澆灌尺寸為300×300mm的導水溝。

表1 無支護巷道變形情況

表2 支護巷道變形情況

(4)注漿。最后，對注漿錨桿進行注漿，漿液采用525＃硅酸鹽水泥，摻入0.05%的三乙醇胺和0.5%的氯化鈉，水灰比0.75：1。

3.2 支護機理分析

該支護方案是適應軟巖巷道變形特征的先柔后鋼的底板處理方式，先通過底板錨網、加設底拱梁、澆灌的聯合加固原理，達到一定變形及卸壓作用，再通過注漿錨桿注漿充填圍巖裂隙，配合錨網、澆灌，可形成一個多層有效組合拱，從而擴大承載范圍，提高巷道底板的整體性和承載能力，達到巷道底板圍巖的穩定。

與巷道頂幫錨注支護形成一個支護整體，從而達到控制巷道整體圍巖變形的作用。從防治水角度分析，進行巷道底板混凝土澆灌、注漿，并澆灌導水溝，使巷道淋水、積水通過導水溝集中排出，控制水滲入底板圍巖從而消除了底板圍巖遇水膨脹的特點。

4 數值模擬研究

4.1 數值模型建立

根據巷道實際斷面形狀，計算選定巷道形狀為直墻半圓拱，寬4m，高4m，其中墻高2m，拱高2m，斷面積10.28m2。計算模型的水平和垂直寬度取為硐室跨度的10倍，確定模型尺寸為40m×40m×40m(x×y×z)，建模巖體結構為塊裂結構[5]。

模型的邊界條件為：Z方向頂面為自由面，加垂直方向的應力為16MPa，底面Z方向位移約束；X方向左右側面加水平方向的應力為14MPa。劃分網格及初始平衡狀態見圖1，模型由10800個單元、12111個節點組成。

4.2 模擬結果分析

圖2(a)(b)為未支護巷道和支護巷道的垂向位移場，表1、2分別無支護巷道和支護巷道的變形量統計。

通過計算結果分析，支護巷道相比無支護圍巖變形量明顯減小，底鼓量下降幅度為79.2%。

5 支護效果分析

自副風井采用安裝底拱、澆灌配合錨注技術防治底鼓以來，共施工182m，根據觀測，施工過的巷道頂底板均無變化，巷道底板均未出現底鼓、裂縫，頂幫未出現噴層脫落等其它變化，巷道支護完整、斷面均能達到設計要求。巷道淋水及滲水均通過導水溝集中排出，大大控制了巷道淋水及滴水滲入圍巖而導致巷道底鼓的不利因素。

6 結語

(1)總結得出了引起巷道底鼓的原因：地應力、地下水、周期來壓。(2)提出注漿充填圍巖裂隙，配合錨網、底拱、澆灌的多層支護方式。(3)數值模擬計算結果表明，此支護方式能夠減少底鼓量79.2%。(4)實踐證明，該技術能有效控制煤礦軟巖巷道底鼓，同時為解決類似條件下巷道底鼓問題提供了依據。

[1]賈明魁,趙興東,賈安立.極軟巖巷道底鼓錨注支護控制技術[J].遼寧工程技術大學學報,2005,Vol.24 No.3.

[2]何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程力學[M].北京:科學出版社,2002.

[3]J.C.Stankus and S.S.Peng. Floor bolting for control of mine floor heave[J].Mining Engineering,1994,(9):1099-1102.

[4]麥曉文,王保群.軟巖巷道關鍵部位二次組合支護技術[J].遼寧工程技術大學學報,1999,18(6):590-592.

陳昭征,山東泰安人,本科,工程師,現供職于貴州魯中礦業有限責任公司。