深井巷道的底鼓與錨固技術研究

翟封

摘要：深井軟巖巷道由于其地應力大，其巖體長期在高應力、高溫高壓及強滲透作用下，其巖土的力學性質發生了根本性的變化，因此極易產生底鼓現象。本文通過對巷道底鼓進行機理分析，然后從地質構造和圍巖性質、地壓以及地下水的作用提出相應的防治措施，同時探討了底鼓的錨固控制技術，這對于底鼓的控制與防治具有一定的實際價值。

關鍵詞：深井巷道；底鼓；錨固技術；地下水

最近10來年，我國的資源消耗巨大，國內的一些煤礦也進入了深層開采階段，在新汶徐州、平頂山等地已相繼出現1km以上的礦井[1]。進入超千米的深度后，由于地下環境的不斷惡化，其巷道巖體的物理力學性質都發生了變化。如果僅通過對以前的巷道的經驗進行設計和維護，這是不合理的，容易造成巷道發生各種破壞，使得巷道很難滿足使用要求。因此，研究深井高應力作用下巷道底板的控制問題對解決我國超千米深井高應力巷道支護具有重要意義。

1 煤礦底鼓產因分析

底鼓是巷道在高應力下產生變形和破壞導致巷道斷面變小的的現象，阻礙礦井的通風運輸和機器的運作，因而使得煤礦的開采不能得以繼續進行，造成煤礦出現生產安全問題。對于底鼓的產生機理國內外存在著許多觀點，曼.奧頓哥特通過進行試驗模擬研究，得到結論為：巷道圍巖的變形與破壞首先在垂直應力作用下兩幫巖層被壓裂，其次是水平應力的作用巷道頂底板向巷道內移近，其中直接底板圍巖先破壞。另外有一些學者采用數值分析的手段，通過建立圍巖的監測模型，然后通過邊界條件和巖體性質參數對其進行計算，對巷道發生底鼓機理進行分析，結果表明底鼓的產生主要是由于工作面超前支承壓力的作用，使巷道產生擠壓流動型和撓曲褶皺型底鼓。雖學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，很難在實際工作中進行開展；因此在進行底鼓防治時，為了抓住主要原因，只考慮影響底鼓的主要因素：工程地質、圍巖性質、地下壓力狀況、巷道的大小和形狀，同時還有地下水和人為作用等。

2 底鼓治理技術

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，采取措施預防底鼓發生，二是事后清除法，即將巷道已發生底鼓的部分進行清除，恢復原有巷道斷面積。下面將介紹幾種主要的治理方法。

2.1 巖層加固法

巖層加固技術就是通過對巷道底板或邊緣部采用相應的技術手段進行加固，達到提高巖層強度，減少底鼓發生機率。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

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

2.3 控制地下水

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

3 錨桿支護技術的應用

近年來，錨桿支護已經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用。在一定條件下可以減少圍巖應力，防止巷道破壞。現主要從原理和控制機理加以分析。

3.1 深井內錨桿錨索控制的原理分析

（1）錨桿支護要根據錨桿受力的基本原理進行受力布置，盡量使其處于受壓狀態。最大限度的抑制圍巖彎曲變形，從而產生拉應力以及剪應力，同時在錨固時保護錨固區的圍巖完整性，提高圍巖的整體穩定性。

（2）在巷道錨固區形成了具有較大剛度的預應力結構，可以阻擋錨固區外層的巖體產生離層現象，同時通過錨索的傳遞作用，可以改善巖石深部的應力分布規律[2]；與此同時，錨桿支護系統的剛度對錨固支護具有重要作用，其選擇不當將會導致支護結構失去錨固效果。

（3）在進行錨桿設計時，一定要控制好預應力的擴散，因為就單根桿件而言，其應力傳遞作用是有限的，必須通過過天平、鋼帶和金屬網狀物等其他附加結構才能將預應力傳遞到更遠的圍巖深部。尤其在巷道表面，通常只要施加極其微小的支護力，就會使得圍巖達到變形，甚至發生破壞。

（4）錨索結構相比于錨桿，具有錨固深，可施加大的錨固預應力等優點。其原因主要有二，其一是錨索能把錨桿形成的預應力區域與深部圍巖鏈接，在提高結構的穩定性時，也加強了應力往巖層深入的傳遞；另一個原因為在錨固初期施加的預應力，可以使得原有巖層中的裂縫、節層理之間的結構面變得更為緊密，從而可以提高巖層間的抗剪力，并且使得圍巖的整體強度得到提高。

3.2 錨固控制基本要求

（1）一次性支護。巷道開挖后就進行立即支護，其目的是為了控制巷道內的圍巖發生離層、造成裂隙生長。并且，在進行錨固支護時要做到一次性支護到位，避免因為二次支護造成巷道進一步破壞。

（2）堅硬巖層錨固原則。錨桿的端部必須插入到堅強的巖層或巖土塑性區內，如果錨固層中沒有出現堅硬巖體和可以依靠的塑性巖土，則必須采用全長型的剛性錨固桿加以錨固。

（3）錨網索支護與圍巖注漿加固相結合的原則。深井由于應力水平高、巖層傾角大、易發生層間錯動、圍巖破碎、地質構造復雜、礦井災害嚴重等多重困難條件，使得圍巖內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合的方式進行巷道支護，及時控制圍巖變形破壞。

4 結語

深井底鼓的改造措施和相關的技術方法都有很多，但一定要根據工程實際情況來進行選擇。要想能得到最合適的治理方法，得必須進行從多方面進行比較研究，把現場監測、實驗室試驗、理論計算和數值模擬等多種方法進行相合。特別是在實驗室試驗和數值計算與模擬方面，如何真實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一步研究與探討。

參考文獻：

[1]張輝.超千米深井高應力巷道底鼓機理及錨固技術研究[D].中國礦業大學（北京）博士學位論文，2013.

[2]康紅普.深部巷道錨桿支護理論與技術[C].中國煤炭學會第六次全國會員代表大會暨學術論壇論文集，2007.