深井软岩巷道治理底鼓机理与技术研究葛亮

深井软岩巷道治理底鼓机理与技术研究葛亮

葛亮

宁夏煤炭基本建设有限公司建井公司宁夏回族自治区银川市750000

摘要：在我国不断发展的过程中，深井软岩巷道由于其地应力大，容易受水、风，超前支承压力、机械扰动等作用极易发生底鼓。底鼓是矿井巷道中常发生的一种动力现象。在巷道顶、底板移近量中，人们已经能够将顶板下沉和两帮移近控制在某种程度内，目前多数还是由于底鼓引起的。这类问题给深采矿井，特别是软岩矿井的建设和生产带来极大困难。因此底鼓治理问题对于我国建设高产高效矿井，提高人员安全保证有着重大的理论意义和实际应用价值。

关键词：深部矿井；软岩巷道；底鼓机理；技术研究

引言

巷道是煤矿地下开采过程中运输、通风、行人等系统的重要通道，一旦巷道出现严重变形破坏必须采取方法进行治理，否则将影响矿井正常生产。而底鼓是煤矿巷道常见的动力现象之一，因其发生机理复杂、影响因素较多，有效地预防、控制、治理巷道底鼓难度较大。目前，随着煤炭需求的增多，我国煤矿以10-25m/a的速度向深部延伸，矿井开采强度和开采速度逐年增大，井下岩体环境表现为“三高一扰动”的特性，据统计深部永久巷道返修率高达90%，大部分为底鼓治理工程。因此，巷道底鼓的预防、控制和治理已经成为深部巷道稳定控制的重点。底鼓的影响因素较多，主要包括底板岩层结构与物理性质、围岩应力状态、开采扰动、水理作用和支护结构等。在底鼓的形成机理方面，众多学者开展了大量研究，一方面根据岩石本身力学特性，分析岩层压曲、扩容和膨胀各个过程中应力与变形相互作用，预测巷道底鼓程度；另一方面应用弹塑性薄板理论、梁理论和流变理论建立巷道底板力学模型，系统分析底板岩层极限承载力、变形以及制约底鼓发生的条件。巷道底鼓预防与治理方法主要有加固控制、卸压控制、加固与卸压耦合控制3类。但煤矿强烈底鼓仍常常发生。

1深井软岩巷道底鼓主要成因

1.1地质构造和围岩性质

地质构造和围岩性质对巷道底鼓起着决定性作用，底板岩石的坚硬程度和厚度决定着底鼓量的大小。

1.2地压

围岩中存在高地压是造成巷道底鼓的另一决定性因素，深部巷道遇到底鼓的情况比浅部巷道多，这正是地压增高所致。

1.3岩石水处理

水对岩石强度的影响也是形成深巷道底鼓的一个重要因素。巷道在施工过程中，由于水的渗入，增强了岩体的塑性流变和膨胀流变，致使岩体的承载能力明显降低，在高支承压力作用下迫使巷道围岩沿四周向巷道内挤压，在岩体薄弱环节形成鼓胀和应力集中释放区，造成底鼓。巷道的大小和形状特别宽大的巷道比窄巷道易发生底鼓，然而巷道宽度是由采矿作业决定的。在某些情况下，特别是辅助巷道，宽度能保持在一定限度以内，而通过增加巷道高度使横截面保持不变。

1.4人为因素

巷道布置在地质构造带时，构造应力集中。在断层带附近，上覆岩层在能量传递过程中阻断了能量传递的连续性，在围岩体薄弱环节尤其是未支护的巷道底板岩层中，产生强烈底鼓；在褶曲地带，尤其是向背斜轴部也是高应力集中区，如果弹性变形能得不到有效释放，可能在围岩体两帮产生挤压变形，之后能量进一步向底板转移，促使底板抬高、鼓出。巷道开挖后，围岩暴露于空气中，两帮煤岩体在高支承压力作用下形成一定范围内的破碎区和塑性流动区，如果巷道未采取有效支护或支护强度不足以抵抗外界的变形，围岩体就向巷道内挤压，形成“二次水平应力”，随着时间的推移，巷道两帮支承压力不断向围岩体内部移动，而两帮和底板岩层的塑性流动区也不断扩大，并且伴随着顶板和两帮的下沉，导致底角岩体不断涌向巷道内，形成底鼓。

2深井软岩巷道底鼓治理措施

巷道是由顶板、底板、两帮组成的复合结构体，结构的各部分在矿山压力作用下受力状态不同，其围岩性质也存在较大差异，因而巷道顶、底、帮的稳定状态存在明显的结构特征。有效控制底鼓可归纳为两方面：一是防止底鼓，即采取措施将底鼓量减少到允许范围，如加固法、卸压法、联合法和加固巷道帮、角；二是清除底鼓，将巷道已发生底鼓的部分岩石清除，恢复巷道断面积。清楚底鼓措施常常需要反复进行，不仅增加了出矸量，浪费了大量的人力物力，使巷道的维修成本增高，而且还不能完全制止底鼓，严重影响矿井的正常生产与安全。在此，主要介绍底鼓治理的方法。

2.1卸压法

卸压法通过将巷道周边（特别是底板）的集中应力向巷道围岩深部转移来达到控制底鼓的目的，是一种使用比较普遍的底鼓控制方法。

2.2联合法

联合法即将加固法与卸压法的技术联合起来，一方面利用卸压法将巷道周边（特别是底板）的应力向围岩深部转移，降低围岩的应力集中系数，另一方面采用支护加固法对巷道围岩进行支护和加固，提高围岩的整体强度和自支承能力，并给予一定的支护力。此法适合应力集中程度大、底鼓严重的情形。

2.3加固法

加固法通过提高底板围岩强度或提高对底板围岩的支护力来达到控制底鼓的目的，是一种最常用的底鼓控制方法。对巷道底板或两帮围岩加固，提高围岩的强度在一定范围内，减少底鼓。常用强化封闭框架、地面注浆加固方法，底板加固法等。其中，封闭控制底鼓可分为两大类：刚性支承，如圆形金属支架、钢筋混凝土环支架；可缩性的支持，如金属圆形，马蹄形状和圆形支架等。

2.4加强水的控制

岩石遇到水后使其强度软化，因此在巷道掘进过程中要做好排水工作，及时将巷道内的水排出去，这样就可以从某种意义上控制底鼓的发生。

3深井软岩巷道底鼓分类

3.1膨胀性底鼓

由于岩质变态膨胀产生的底鼓。多发生在矿物成分含蒙脱石的粘土岩层，膨胀岩是与水发生物理化学反应，引起岩石含水量随时间而增高，且体积发生膨胀的一类岩石属于易风化和软化的软弱岩石。挤压性底鼓。

3.2塑性挤出型底鼓

岩壁或刚性衬砌在上部压力下插入底板或挤压底板造成跨中隆起的底鼓。通常发生在直接底板为软弱岩层（粘土岩、煤等），两帮和顶板比较完整的情况下。在两帮岩柱的大规模效应和应力的作用下，整个巷道都位于松软破碎的底板岩层向巷道内挤压流动。

3.3应力型底鼓

由巷道围岩压力促使巷道底板变形破坏而引起的，当巷道底板岩层完整度较差、硬度较低时，在掘进过程中巷道周围形成的松动圈会相应增大，促使巷道两帮的应力向着岩体深部转移，这时的巷道底板在强大的远场地应力挤压作用下，低强度破碎巷道底板岩层向巷道内变形产生底鼓。

结语

1）深部巷道强烈底鼓是由高地应力、岩石内黏土矿物遇水膨胀、支护结构不合理等综合因素影响造成的，对巷道底板实施主动支护和底板岩层改性注浆是治理底鼓的有效方法，由此提出了巷道底板锚索束+底板浅部、深部注浆的综合底鼓控制技术。2）浅部注浆固化底板破碎围岩形成浅部似连续体，深部注浆填充底板深部裂隙岩体孔隙形成深部强化体，锚索束将浅部注浆体和深部注浆体锚固在一起形成组合结构，共同限制底板围岩变形。3）试验结果表明，巷道掘进后10d（掘进头后方30～40m）实施底板加固，巷道底鼓得到了有效控制。该底鼓治理技术可应用于深部大断面、永久巷道（硐室）底板加固工程。

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