底鼓治理

2024-09-20

底鼓治理（精选7篇）

底鼓治理篇1

回采巷道底鼓现象是工作面回采最常见的问题之一, 巷道底鼓的发生不仅会减少顶底板距离, 缩小巷道断面面积, 影响通风、行人、运料等, 在处理底鼓时还会消耗大量的人力、物力和财力, 严重地影响了工作面的正常回采工作。随着开采深度的增加, 岩石的强度降低, 软岩巷道支护成了深井开采的重点, 河南、山东、安徽等矿区部分矿井开采深度已达900m, 甚至超过千米, 这些矿井工作面围岩偏软, 在工作面掘进及回采期间, 巷道变形破坏严重, 其中又以底鼓为巷道主要破坏形式。基于高效掘进和开采的目的, 有必要对深井软岩巷道底鼓治理进行研究。现以研究深井软岩巷道底鼓机理作为出发点, 探究软岩巷道底鼓类型, 并寻求合理的深井软岩巷道支护方式。

1 深井软岩巷道底鼓机理

一般认为, 巷道埋深越大, 围岩所受应力也就越大, 深井开采的最主要特点是采深大和地应力大。研究发现, 巷道围岩所承受的水平应力和垂直应力在一定条件下均可引起底鼓, 但同样条件下水平应力引起的底鼓又大于垂直应力引起的底鼓。深井开采与浅部开采的在应力方面表现为水平应力可超过垂直应力[1], 因此矿井深部巷道更容易发生底鼓。河南某矿平均埋深930 m的21130工作面曾做地应力测量时发现, 巷道水平地应力为垂直地应力的2倍左右。巷道在开挖之前, 围岩处于三向应力平衡状态, 开挖后, 原有的应力平衡遭到破坏, 巷道围岩向着巷道内移近, 巷道内壁围岩多处于单向应力状态, 其强度大大降低。基于此可认为, 深井巷道围岩一方面在强大地应力作用下趋于软化, 另一方面平衡应力遭到破坏, 出现应力集中, 加剧其软化趋势, 最终大大降低了深井巷道围岩的强度和其承载能力。岩石的水理作用下也是引起深井巷道底鼓的主要原因。理论认为, 软岩遇到水后, 软岩会发生不可逆转的物理化学作用, 其主要表现在岩石遇水膨胀和崩解, 而后发生膨胀变形。如该工作面巷道底板岩层中含有的蒙脱石和伊利石等亲水矿物质, 遇水后能将水吸附在晶格表面, 造成岩石膨胀, 这也是相当一部分矿井工作面巷道底鼓的主要原因。

此外, 引起深井软岩巷道底鼓的因素还很多[2], 如: (1) 温度, 深井工作面温度较高, 且随着季节变化有明显变化, 这样极易给予巷道围岩一种活化作用, 造成工作面围岩强度降低, 引起底鼓; (2) 通风, 风流流经工作面巷道时会对巷道围岩中的空隙产生风化, 造成围岩结构的变化, 降低其强度, 引起底鼓; (3) 机械扰动, 巷道中的设备运转会对巷道围岩产生扰动作用, 给予巷道围岩机械活化作用, 降低其强度; (4) 支承压力, 在工作面回采期间, 工作面超前支承压力通过工作面巷道两帮传递给底板, 底板岩层便会出现垂直拉伸应变作用, 由于通常回采巷道底板为抗拉强度较低的层状岩石, 巷道底板岩层在超前支承压力作用下逐渐发生离层, 在拉伸应力作用下极易发生变性破坏, 破坏形式则以底鼓为主[3]。

2 深井软岩巷道底鼓类型

深井软岩巷道底鼓可根据其机理划分为应力型底鼓、膨胀性底鼓和塑性挤出型底鼓三种类型[4]: (1) 应力型底鼓, 一般认为深井软岩巷道应力型底鼓是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远场地应力挤压作用下, 低强度破碎喊道底板岩层向巷道内变形产生底鼓; (2) 膨胀性底鼓, 研究认为膨胀型底鼓一般是受水理作用引起, 巷道底板岩石在水理作用下发生软化并产生膨胀变形, 膨胀型底鼓对于底板岩石含有蒙脱石、伊利石等易膨胀性矿物质尤为显著; (3) 塑性挤出型底鼓, 塑型挤出型底鼓是指在大埋深高、高应力作用下, 较为软弱的具有一定塑性的层状岩石在其所受应力超过其屈服极限时, 便会沿着最大应力梯度方向向着临空区域挤出, 产生流动性破坏进而引起巷道底鼓发生。

3 深井软岩巷道底鼓治理措施

在进行深井软岩巷道底鼓治理是应掌握所治理巷道的岩层特点, 并根据实际情况有针对性地制订合理的底鼓治理措施, 同时要做到“预防为主, 治理为辅, 防治结合”的巷道底鼓治理原则, (下转第179页) 尽可能地采用全封闭或者卸压法来改善工作面巷道底板应力状态, 同时应考虑到巷道顶板、两帮与底板之间的关系, 做到巷道整体性支护。

通过对巷道底鼓机理和过程的分析可知, 强大的地应力和水理作用是造成工作面巷道底鼓的主要原因, 基于此认识可对采取措施控制深井巷道底臌[5,6]: (1) 设计并选择合理的巷道断面形状和位置, 尽量选择承载能力和抗变形能力较强的圆形和拱形巷道, 尽量把巷道设计在强度较高的岩体内; (2) 工作面回采巷道掘进开挖后立刻喷射混凝土对围岩进行封闭处理, 确保巷道围岩处于最大的自然含水状态, 减少巷道受到外部水理作用、风化作用和外部扰动作用; (3) 注重对巷道底板和顶板边角位置的支护, 在巷道围岩未出现大面积破坏之前主要可采用打角锚杆对巷道进行支护, 充分利用锚杆的主动支护作用来加固巷道围岩, 保证巷道威严处于一个相对完整的状态, 同时锚杆价格低廉, 经济效益较好; (4) 可采用一系列措施进行巷道底板卸压处理, 如利用钻爆发使底板出现人为的裂隙带, 降低岩层应力, 同时辅助以浇灌水泥浆, 使底板岩层形成强度较高的整体结构, 提高巷道底板岩层的强化效果; (5) 对于难支护或者破坏严重的巷道段可采用强度较大的U型钢封闭式支架进行支护, 能够适应巷道变形同时给予巷道一定的主动支承作用; (6) 加强巷道水的治理是防治巷道底臌的重要措施, 矿井水对岩层特别是膨胀性岩层侵蚀作用很大, 因此治理巷道水要做到“无水设防, 有水必治”, 对裂隙水、断层水及时堵截或疏导, 加强施工用水管理, 制定专项巷道水治理措施。

4 结语

在工作面掘进及回采期间, 深井软岩巷道变形破坏严重, 其中又以底鼓为巷道主要破坏形式。分析认为, 引起深井软岩巷道底鼓的主要原因有强大的地应力及水理作用, 通风、温度、采动影响以及机械扰动对深井软岩巷道底鼓也有较大的促进作用。在治理软岩巷道底鼓时应以“预防为主, 治理为辅, 防治结合”的巷道底鼓治理原则为基础, 考虑巷道顶板、两帮与底板之间的联系性, 有针对性地制订合理的底鼓治理措施。

参考文献

[1]张育恒.综采工作面上隅角瓦斯治理的探索与研究[J].煤, 2008, 17 (12) :19-21.

[2]王建军, 等.软岩巷道底臌机理的探讨[J].煤炭工程, 2005, 9:67-68.

[3]王卫军, 等.回采巷道底臌过程研究[J].湘潭矿业学院学报, 2002, 17 (2) :4-8.

[4]桑普天, 康百晓.极软围岩条件下巷道底臌治理加固技术研究[J].混凝土与水泥制品, 2011, 5:62-64.

[5]孟祥瑞, 赵旭.谢一矿深部软岩巷道底臌机理及其预防措施研究[J].东北煤炭技术, 1998, 5:18-20.

[6]陈晨, 王利.软岩巷道底臌的治理[J].山西建筑, 2010, 36 (29) :84-85.

底鼓治理篇2

关键词：煤层顶板巷道,底鼓,高应力,底板窥视,预埋鸟笼锚索,注浆

0 引言

巷道是整个矿井的血管,关系着整个矿井的运行是否正常通畅。安全、有效的巷道支护技术是建设高产高效矿井的必备条件。影响巷道稳定的因素很多,有自然因素,如巷道掘进时有大量的地质构造影响;有生产条件因素,如动压影响的巷道支护问题;还有就是工程人员技术素质,如巷道支护设计不合理导致的巷道破坏。所有这些因素,随着开采深度、强度的不断加大,更加凸显。这就需要采矿工程技术人员,不断研究开创新的技术去解决难题[1,2,3,4,5]。

巷道底鼓问题一直是困扰煤矿科技人员的难题,随着采深的加大,地应力以及采动应力显现更加明显,巷道的帮顶支护技术随着材料、机具、工艺的创新已经得到有效解决,矿山压力的显现只能在支护比较薄弱、或者说没有支护体的底板进行显现。这就造成很多巷道帮顶基本无变形,而底鼓十分严重。目前治理底鼓问题主要手段是在底板施工U型钢反拱,施工速度慢,效果很不好。

针对义煤集团耿村煤矿冲击矿压巷道底鼓治理情况,对高应力环境下巷道底鼓治理技术进行补充,为类似条件巷道底鼓治理提供借鉴[6,7,8]。

1 围岩工程环境

1.1 巷道地质条件

常村煤矿生产地区集中在21区下山盘区,主采2-3煤层,埋深650 m左右,附近地质力学参数测试结果显示最大水平主应力约18 MPa,属于高应力区域。常村煤矿煤层埋深大,地应力高,为冲击地压矿井,井下巷道支护情况复杂。矿井开拓巷道一般布置在煤层顶板中,围岩主要为泥岩,强度低、遇风、水容易风化破碎,巷道维护难度大。井下永久性巷道一般采用锚网索+36U型钢棚复合支护方式。上述支护方式下,支护成本非常高,效果不理想,矿压显现明显,煤岩体变形严重。巷道掘进后2年巷道断面整体收缩严重,以底板变形为主,最大达到2.0 m左右。变形造成36U型钢棚严重失稳破坏,该类巷道一年要起底2~3次,浪费大量的人力和财力,严重影响矿井生产,需要研究巷道底鼓加固技术,尽快改善井下巷道支护现状,并降低工人劳动强度,减小支护密度,节约支护成本,为同类条件下巷道的修护提供参考和理论依据[9,10]。

根据矿方提供的地质资料,2-3煤厚度3.2~11.9 m,平均厚6.0 m,煤层厚度变化较大,煤层倾角为8°~13°,一般为11.5°,煤层上半部以半亮型块状硬质煤为主,煤质较好,下半部以半暗型煤为主,夹矸多,煤质差,煤层中夹矸增多,煤层结构复杂,全煤含矸3~8层,单层厚0.05~0.18 m。2-3煤层直接底为煤矸互叠层或炭质泥岩,遇水易膨胀,基本底泥岩砂岩互层。

1.2 地应力和煤体强度

地应力测试方面,巷道以水平应力场为主,最大水平应力约18 MPa,2-3号煤体强度平均12.63MPa,钻孔浅部强度值明显低于深部强度,钻孔浅部煤体受扰动影响较大,煤体破坏较严重,深部煤体相对较完整。2-3号煤层底板主要为泥岩,测站处煤体和泥岩强度测试结果如图1所示,泥岩强度分布较均匀,集中在30~50 MPa,平均强度40.57 MPa。

1.3 底板窥视情况

巷道两帮和顶板注浆和锚索耦合支护完毕后,底板属于薄弱区域,之前采用下底反拱进行治理,效果不好且施工速度慢,材料成本高,劳动强度大。根据底板情况,打底板钻孔,对底板进行窥视。同时通过预打底板窥视孔进行选择合适的底板打孔钻机。从窥视结果分析来看,主要破坏带集中在0~4.0m,2 m范围内全部破坏,如果打底板锚杆或者下底反拱支护作用难以发挥,由于离层、节理裂隙已发育至围岩深5.0 m深处,根据窥视情况,决定采用底板预埋鸟笼锚索结合锚索孔注浆加固底板[11],底板岩层结构窥视如图2所示。

2 底板加固方案及工艺

2.1 底鼓加固方案

底板整体底鼓明显,考虑底板已经拉底多次,且直接底板为煤,采空区基本稳定。根据底板岩层的结构及强度,以及巷道所处的地应力环境来确定底鼓治理,采用预埋底板鸟笼锚索注浆的加固方案对底板进行加固[12]。

(4)鸟笼锚索预埋7 d后进行注浆,注浆材料主要以水泥浆、水泥水玻璃双液浆。注浆压力控制在1~2 MPa,根据现场情况进行调整。孔内下射浆管,射浆管长度3.5 m,孔口联结6分孔口管与注浆泵高压管相连,全长一次注浆。

(5)锚索配套托板为300 mm×300 mm×16 mm高强度可调心托板及配套锁具,托板要求高度大于60 mm,承载能力大于550 k N。钢筋托梁采用16mm螺纹钢焊接而成,托梁宽210 mm、长5 900 mm。钢筋托梁加工如图3所示。

锚索初次张拉达到250 k N,预应力损失完成后不低于200 k N。底板鸟笼锚索加工制作及安装注浆工艺如图4所示。

2.2 施工工艺

按照设计要求打孔→将鸟笼锚索预埋到孔底→倒入预制混凝土→用6.0 m射箭管将混凝土捣实→插入3.5 m白塑料射浆管→连接射浆管和孔口管,将孔口管用木楔面纱固定于孔口→7 d后连接注浆系统和孔口管注浆→注浆1 d后进行底板开槽加钢筋托梁和锚索托板进行锚索张拉预紧。

3 底板加固效果评价

在底板锚索安装测力计以及设立底板底鼓量的测站,进行底板锚索受力观测和底鼓量的监测。通过60 d的观测,底板锚索在10 d左右的时间基本受力稳定,约255 k N,底板锚索受力如图5所示。底鼓量在7 d左右达到最大值(约110 mm),底鼓量观测曲线如图6所示,加固效果好,较传统的下底反拱加固方式经济有效[13]。

4 结论

(1)底板锚索是治理底鼓最经济有效的方法之一。但受底板打孔钻机的制约,底板锚索的架设这种加固方法一直难以推广。底板锚索的锚固也是亟待解决的问题,如果不采用混凝土锚固和鸟笼锚索,而是向帮顶围岩架设普通小孔径树脂锚索,这将节约大量的施工时间。

(2)底板采用注浆孔预埋鸟笼锚索的加固方案,在等待锚索锚固端凝固的时间段进行底板破碎围岩注浆,使底板岩层恢复完整性,能够为后来锚索的张拉受力以及锚索预应力的传递扩散打好基础。

底鼓治理篇3

1巷道底鼓原因分析

(1) 巷道围岩岩性较差。

东翼轨道大巷综合柱状如图1所示。东翼轨道大巷围岩以泥岩、砂质泥岩为主, 不仅岩块强度较低, 完整性差, 而且岩体结构面极为发育, 围岩整体强度较低。同时, 受落差为15～150 m的F16 (毛屯大断层) 影响, 围岩更加松散破碎, 原有节理、裂隙扩展, 产生新的裂隙, 导致巷道围岩整体强度进一步降低。巷道掘出后, 围岩具有较强的流变特性, 单纯的锚网索支护难以控制巷道围岩的强烈变形。

(2) 巷道围岩应力水平高。

由于巷道断面大、交叉点多、空间布置密集 (图2) , 致使巷道围岩应力相互叠加, 形成较高的支承压力, 加上构造应力的相互作用, 巷道围岩应力水平远高于围岩体自身的强度, 巷道表面围岩破坏严重。

(3) 无控底措施。

在深部高应力软岩巷道中, 支护结构的压力来自四周。由于一次支护只对顶板和两帮进行锚网索支护, 巷道底板没有进行支护处于开放状态, 导致支护结构出现薄弱带。

(4) 底板水的影响。

由于工程水的流经侵蚀, 底板岩层强度显著降低, 产生显著的塑性变形和剪切破坏, 很容易底鼓。

此外, 造成底鼓破坏的因素还很多, 诸如动压影响、巷道围岩暴露时间长短的影响等。总之, 底鼓是各种应力效应、构造效应及时间效应在井巷工程中的综合反映[1]。

2巷道底鼓治理思路

分析巷道围岩岩性特征及变形特点得知, 软岩巷道围岩变形持续时间较长, 巷道扩刷、卧底后, 巷道围岩更加破碎, 围岩松动圈发育范围会进一步扩大。传统的支护方式很难有效、长久控制巷道变形, 需采用全封闭耦合支护技术。

(1) 加强两帮支护强度。

目的是为了提高围岩的残余强度和自承能力, 限制两帮内移, 达到控制底板有效跨度的目的, 有利于巷道底板稳定。

(2) 采用全封闭式金属支架。

有效提高控制巷道两帮内移能力, 减小巷道底板所承受的水平力, 控制巷道底板岩层的离层和断裂。支架底拱对底板的支撑改变了巷道底板岩层受力状态, 使其由两向受力变为三向受力, 形成全封闭的整体承载环机构[2], 从而大大提高围岩强度, 增加了围岩稳定性。

(3) 采用底角注浆锚杆[3]。

①底角锚杆可加固底板岩体, 形成加固圈, 提高底板稳定性;减弱巷道角部应力集中程度, 在两帮及角部形成自承能力较高的承载拱以控制两帮和底角围岩塑性区的发展;减少由于两帮破裂围岩压缩下沉所造成的底鼓、体积膨胀量, 从而减少巷道底鼓。②注浆锚杆还起到注浆管的作用, 可利用其给底板围岩注浆。通过注浆将破碎围岩胶结成整体, 改善围岩的结构及其物理力学性质, 即提高围岩的内聚力和内摩擦角。采用注浆锚杆注浆, 利用浆液封堵围岩裂隙, 防止围岩被水浸湿而降低围岩的自身强度, 提高围岩的整体稳定性。利用注浆锚杆注浆充填围岩裂隙, 配合锚网喷支护, 可以形成一个多层有效组合拱, 即喷网组合拱、锚杆压缩组合拱及浆液扩散加固拱, 扩大支护结构的有效承载范围, 提高支护结构的整体性和承载能力, 从而有效控制深部软岩巷道的大变形。

3巷道底鼓综合控制技术

(1) 高强度高延伸率锚网索支护。

为保证巷道围岩稳定, 减少围岩的二次破坏和扰动, 锚网索支护采取扩刷一排支护一排的方式, 扩刷循环进尺1 200 mm。拆除原有失效锚杆, 补打高强扭矩应力锚杆 (强度500 MPa) , 锚杆规格Ø20 mm×2 400 mm, 间排距均为800 mm, 锚杆预紧力不小于200 N·m, 锚固力不低于150 kN。巷道全断面铺Ø6 mm钢筋网, 挂钢筋梯。网片规格2 000 mm×1 000 mm, 网孔为100 mm×100 mm, 网片搭接宽度100 mm, 每隔一格用14#铁丝双股绑扎。钢筋梯用Ø14 mm圆钢加工。重新张拉拱部锚索, 失效锚索重新补打;帮部增加短锚索补强支护, 锚索规格Ø17.8 mm×5 300 mm, 排距1 600 mm, 每排锚索挂1根长3 600 mm的14#槽钢梁。锚索垫板规格200 mm×100 mm×16 mm, 垫板与槽钢中间夹垫1块200 mm×100 mm×50 mm木垫板, 锚索预紧力不小于100 kN, 锚固力不低于200 kN, 锚索紧跟掘进面安装 (图3) 。

(2) 全封闭U型钢及注浆锚杆二次支护。

一次支护结束后, 滞后20 m进行二次U型钢支护。架好支架后, 设计底板以上部分铺设Ø6 mm钢筋网。网后空帮、空顶部分用矸石充填密实, 而后对底板以上部分喷混凝土封闭U型钢支架, 喷射混凝土强度C20。喷浆结束后, 打设注浆锚杆, 锚杆规格Ø20 mm×2 200 mm, 与高强树脂锚杆交叉布置, 间排距为2 500 mm×2 400 mm (图4) 。

4支护效果监测与分析

对东翼轨道大巷底鼓严重巷道加固处理后, 进行了巷道变形监测。经过近90 d的观测, 两帮移近量为43 mm, 顶底板累计移近量在25 mm左右。巷道的表面位移量在45 d左右围岩变形基本趋于稳定。由此可见, 采用新的支护技术后, 围岩总体变形量显著减小, 巷道围岩变形得到有效控制, 巷道断面能够满足使用要求。大巷修复二次支护断面如图4所示。

5结语

工程实践表明, 东翼轨道大巷采用的“高强度高延伸率锚网索喷+全封闭U型钢支架+注浆锚杆”耦合支护技术, 成功解决了赵固一矿复杂软岩大断面巷道底鼓的治理难题, 确保了矿井的安全生产, 可为类似条件下的巷道底鼓治理提供借鉴。

摘要：随着矿井开采深度的增加, 巷道底鼓现象已成为软岩巷道围岩变形和破坏的主要特征之一。通过分析赵固一矿东翼轨道大巷底鼓原因, 提出了高强度高延伸率锚网索喷+全封闭U型钢支架+注浆锚杆耦合支护技术。工程实践表明, 在深部复杂的软岩巷道支护中, 该技术能有效控制巷道底鼓, 其技术经济效果良好。

关键词：软岩巷道,底鼓,治理技术

参考文献

[1]盘福春.软岩巷道底鼓控制技术研究[J].山东煤炭科技, 2010 (4) :105-106.

[2]黄胜, 刘巍, 于驰.浅谈巷道底鼓的防治措施[J].矿业工程, 2006 (10) :27-29.

底鼓治理篇4

煤矿位于沁水煤田中部, 主采山西组3#煤层, 井田范围内煤层平均厚度为6.5 m, 煤层倾角为4°~6°。煤层老顶为均厚为9.5 m的坚硬砂纸泥岩;直接顶为平均厚度5.4 m, 松软、易冒落、层理发育的厚层状泥岩;直接底为均厚4.2 m的泥岩, 该泥岩较发育, 遇水易泥化;老底为均厚3.4 m的质地较软砂质泥岩。12021综采工作面是该矿井东翼采区首采工作面, 开采方式为后退式长壁采煤法, 在回采过程中其瓦斯排放巷和回风巷底鼓严重, 巷道断面急剧收缩, 顶板下沉明显, 很大程度影响了工作面的正常回采工作。因此, 有必要巷道底鼓进行治理, 以改善工作面开采条件。

1 软岩巷道概况

12021工作面通风方式为两进两回方式, 即由进风巷 (120211巷) 和运输巷 (120213巷) 进风, 回风巷 (120212巷) 和瓦斯排放巷 (120214巷) 回风。瓦斯排放巷即作为12021综采工作面的回风用, 同时又将作为12023综采工作面的材料巷, 由于其同时服务于两个综采工作面, 故其服务时间相对较长, 且该瓦排巷围岩软弱, 底鼓现象较严重, 特别受到工作面采动影响作用, 底鼓显得尤为明显。120214巷在工作面回采800 m~100 m范围时开始出现轻微底鼓, 随着工作面进一步推进, 底鼓量和底鼓变化速度逐渐加剧, 回采到280 m~320 m范围时出现严重底鼓现象, 平均底鼓量达到了450 mm, 局部达到870 mm。轻微巷道底鼓可以通过拉底来解决, 但底鼓过于严重不仅直接影响到材料运输、生产的进行, 同时处理底鼓的工作量和难度也大幅度增加。因此, 本着节约物料、人力, 保障正常生产的目的, 有必要了解和掌握软岩巷道底鼓原因, 并提出针对性的解决措施。

2 软岩巷道底鼓机理分析

软岩巷道底鼓机理较复杂, 既有巷道围岩特性、地层应力等内在因素, 又有工作面采动影响、支护状况、巷道设计等外在因素[1,2]。综合影响软岩巷道底鼓因素, 认为引起巷道底鼓的主要原因有巷道围岩特性、地层应力、采动影响、支护状况、水理作用等[3,4]。

a) 巷道围岩特性是影响巷道底鼓最直接也是最本质的因素, 其决定着底鼓程度和底鼓类型;一般而言, 巷道围岩强度较低, 底鼓发生率较高, 相反, 围岩强度较高, 则底鼓程度和底鼓发生率较小;120214巷底板为泥岩-砂质泥岩, 其强度和硬度较低, 在回采过程在受到内外力作用下引起变形和破坏;

b) 巷道在未开挖前处于三向原岩应力平衡状态, 在开挖后原来的平衡应力状态遭到破坏, 围岩所受应力重新分布, 当巷道底板岩层受到的垂直应力超过底板岩层强度时则会引起底板岩层变形甚至破坏;一般而言, 矿井地应力随着开采深度增加而逐渐增加, 120214巷深度已经超过600 m, 极大的地应力是造成该巷道底鼓的重要因素;

c) 根据矿压理论可知, 随着工作面的逐渐推进, 在工作面前方形成的超前支承压力会传递到巷道两帮煤柱上, 由于煤柱所接触的顶板和煤柱两帮都进行了支护, 只有底板未采取任何支护措施, 故超前支承应力通过煤柱作用在支护处于空白区的巷道底板上。底板受到超前应力作用, 底板承载能力较超前支承应力较低, 底板无法承受巨大应力, 导致底板出现变形和破坏;

d) 一般巷道只是进行顶板和两帮支护, 本着节约材料、提高安全的目的, 底板一般不进行支护, 这样造成底板的承载能力较低, 难以抗拒地应力作用, 最终导致底鼓的发生;

e) 根据资料可知, 矩形巷道往往比拱形巷道更易发生底鼓, 120214巷道正是采用矩形巷道断面, 此断面形式也是造成该巷道底鼓的原因之一;

f) 由于120214巷道天天需要喷雾降尘, 同时部分顶板存在顶板淋水现象, 导致在巷道某些地段存在积水, 积水与底板岩层接触发生水理作用, 同时还经过底板裂隙渗入到底板内部, 大大地降低了底板围岩强度;对比120214巷道积水处和干燥处发现, 积水处底鼓现象明显较干燥处底鼓严重, 说明软岩的水理作用是造成软岩巷道底鼓的重要因素。

3 软岩巷道底鼓治理

分析了引起120214巷道底鼓的主要因素, 可有针对性地进行底鼓治理。由于在120214巷道开巷时只是进行了顶板和两帮支护, 为对巷道角部进行支护, 故应对巷道煤柱角部进行支护, 这样可以有效地降低巷道角部的应力集中程度, 使得巷道在角部能够具有较高的承载能力, 同时可以提高煤柱强度, 减少煤柱两帮变形量, 通过加固煤柱角部可以促使煤柱与顶底板形成统一、完整的整体, 减少煤柱体积膨胀量、顶底板变形量, 从而提高巷道稳定性, 达到控制120214巷底鼓的效果。

由于120214巷道底板为泥岩和砂质泥岩, 其承载力和强度较低, 故难以抗拒地应力作用, 引起可以采用加强支护的方法控制底鼓, 如采用反拱、底梁和底锚杆等方式来加强底板岩层的强度和完整性。根据120214巷道的实际情况, 最好的方式为打底梁, 即沿着巷道底板每隔一定的距离打设一根工字钢底梁, 同时用单体液压支柱顶住底梁, 使其稳固, 这样不仅可以有效地控制底板变形, 同时还可以通过单体液压支柱的卸载来缓解一定的围岩应力。

进一步加强巷道水治理, 通过喷雾形式进行巷道降尘, 严格控制喷雾降尘用的水量, 严禁使用冲洗方式洒水。根据巷道实际情况, 在其低洼处施工建立水仓, 用于防止巷道积水发生。定期检查排水管路, 防止排水管路出现跑、冒、滴、漏现象发生, 若不适合建立水仓, 应派专人定期观测巷道积水情况, 根据需要进行排水处理。

4 巷道底鼓治理效果分析

通过对120214巷道采取巷道角部支护、加设底梁和巷道水治理等手段来控制巷道底鼓, 经过一段时间的现场测量发现底鼓控制效果明显, 底鼓量控制在200 mm以内, 同时巷道顶板和两帮变形也大幅度降低。该底鼓治理方式相对于不断地进行扩帮、拉底不仅大大降低了财力、物力和人力的投入, 同时也节约了巷道维护的工作量和维护时间, 缓解了采面的衔接, 有利于提高矿井的综合效益。此外, 还应加强矿压规律的监测与掌握, 在周期来压时要加强巷道支护。

5 结语

软岩巷道底鼓一直是回采过程中面临的重要问题之一。地应力、水理作用、支护状况、断面形状等是引起巷道底鼓的主要因素, 并结合实际情况分析了巷道角部支护、增设底梁和控制巷道水等措施对于改善底鼓的影响。

参考文献

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[3]舒建, 杜泽生, 吴庆河, 等.软弱围岩巷道底鼓控制技术[J].煤矿安全, 2011, 42 (5) :52-54.

软岩巷道底鼓机理分析篇5

底鼓是巷道由于岩石开挖或开采扰动引起围岩应力的重新分布以及巷道运行过程中围岩性质不断发生变化, 造成巷道顶底板及两帮变形使巷道断面内敛、底板向上隆起的现象。目前, 绝大部分底鼓控制方法均围绕底板进行, 通过加固巷道其他部位 (包括顶板、两帮、顶角、底角) 控制底鼓的技术尚未得到深入研究。实际上, 巷道是由两帮、顶板、底板构成的有机整体, 相互之间存在受力与变形的相互影响, 改变其中一部分的力学特性和应力环境, 势必造成对其他部分的受力和变形, 因此, 底鼓控制技术如只围绕底板进行就难以达到理想的控制效果。本文通过ABAQUS有限元软件分析模拟出底鼓变形量的关系。

1 巷道底鼓影响因素

研究表明, 巷道底鼓的产生是由于多种因素引起的, 在不同的条件下, 各种因素所起的主次作用各不相同, 究其主要原因有如下几类:

1.1 岩层应力

构造应力对巷道的底鼓有一定的作用。岩层应力越大, 底鼓越严重。因此, 深部开采的巷道比浅部开采的巷道底鼓严重得多。通过ABAQUS模拟不同埋深可以很清楚的看到这一点。

1.2 围岩岩性

围岩的矿物成分、结构和软弱程度对巷道底鼓起到重要作用。当底板位于坚硬岩层时, 一般处于稳定状态, 一般不会发生底鼓;而当底板位于软弱的泥岩中时, 岩体强度低时在地应力作用下极易产生底鼓。

1.3 支护方式

为了有效的减小巷道的变形量, 巷道支护中顶板、两帮底板应形成有效的关联体, 这样的底板通常处于封闭支护状态, 才能有效抑制底鼓。在巷道的支护上, 一般均采用锚网喷及各种钢性支架有效地对巷道顶帮进行支承。底板进行锚索注浆支护, 从而平衡各个方向的巷道围岩压力。

1.4 围岩流变效应

软岩巷道服务时间较长时, 岩石的流变作用将会大大增加巷道的破坏, 引起底板岩层强度的降低及底鼓量的增加此时应引入时间参数。引进奠尔一库仑准则应为:

式中C—粘结力;

φ—内摩擦角;

T—计量时间。

依据软岩的时刻力学数值, 可以分析计算该时刻底板的破坏范围和底鼓量。显然, 随着巷道服务时间的增加, 最终导致底鼓量增加。

2 工程实例

2.1 工程概况

朱集矿井的巷道底鼓变形现象相当严重, 几乎达到了无巷道不底鼓的程度。主要巷道, 如井底车场巷道、主要大巷、主要硐室等, 虽然支护强度很高, 底鼓依然很严重, 日均底鼓量达0.2~0.7 mm。回采巷道, 如采煤工作面两巷、瓦斯抽排巷等, 日均底鼓量更大, 甚至达到了1 mm以上, 有的巷道在工作面支承压力到来之前就严重变形破坏, 不得不进入返修程序。

底鼓破坏是所有巷道破坏的“第一步”:巷道底板首先隆起甚至开裂, 继而巷道两帮从下往上依次向内收敛, 由于失去了两帮的支撑, 巷道顶板也难以“独善其身”, 最终垮落, 整体巷道也随之宣告破坏。

由于岩石在高地应力作用下会表现出软化特性, 即表现出软弱围岩的特征, 因此当巷道处于较深的层位时, 发生底鼓的最主要的两个因素就会同时出现, 故当巷道处于高地应力岩层中时, 底鼓往往不可避免的会发生影响。围岩的变形不仅表现出弹性和塑性, 而且也具有流变性质。流变性质就是指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质, 材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。岩石的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。蠕变是当应力不变时, 变形随时间增加而增长的现象;松弛是当应变不变时, 应力随时间增加而减小的现象;弹性后效是加载或卸载时, 弹性应变滞后于应力的现象。

2.2 支护方式

对于巷道的底鼓治理, 我们应该充分考虑巷道的整体关联性。一般情况下, 巷道的底鼓作用常常与两帮的失稳有着密不可分的联系;随着巷道的开挖, 原岩应力发生了显著变化, 巷道周边产生了松动圈效应, 在巷道的整体作用下底鼓不可避免的产生。由此, 我们从中得到启示, 在巷道两帮施加支护, 用以监测底鼓的变化情况。支护设计如下所示, 采用双盘双网支护设计, 对巷道打入锚杆同时配以两层钢筋网, 这样可以有效抑制两帮位移。

3 数值计算及分析

3.1 模型建立

对于围岩, 本模拟在其前后面、左右面及底面施加唯一约束。在Y方向上施加重力。

根据不同埋置深度, 我们先计算出位于顶部的重力荷载大小。

式中, 密度为2 400 kg/m3。

将h=700 m, 800 m;分别代入式上式得加载于岩层顶部的荷载分别为1.68×107Pa, 1.92×107Pa。

3.2 计算结果

结果1给出了埋深700 m巷道开挖加入衬砌, 其岩层顶底板的位移改变量, 利用ABAQUS后处理测的其顶板下沉量为6.4×10-3mm, 底鼓量为9.5×10-3mm。如图1所示。

结果2给出了埋深800 m巷道开挖加入衬砌, 其岩层顶底板的位移改变量, 利用ABAQUS后处理测的其顶板下沉量为8.6×10-4mm, 底鼓量为1.2×10-2mm。如图2所示。

结果3给出了混凝土支护在有锚网索衬砌的作用下以及素混凝土喷层巷道底鼓量的曲线图, 从图中可以看出沿路径下素混凝土支护底鼓量为0.012 m, 如图3对比锚网为0.004 m。

3.3 结果分析

1) 从结果1, 2的对比我们可以看出巷道埋深增加了100 m, 对于巷道的底鼓量增加了1.3倍。说明了巷道的埋深增加, 底鼓效应会产生显著的增加。从材料力学的角度看, 底鼓及为底板的位移变化。底板的变形量可以根据有限单元法分析, 取单元构件, 其应变为:

式中, σ为单元所受应力, E为弹性模量。

而对于σ的计算, 根据P=ρgh, 在不同的深度下所受里的大小与深度成正相关, 符合ABAQUS的分析结果。

2) 从结果3可以看出, 加入锚网索支护的巷道, 在巷道整体联动作用下, 其底鼓量为0.004 m;而在素混凝土喷层作用下, 巷道在相同条件下的底鼓量达到了0.012 m多, 为其3倍之多。

巷道的整体联动性反映的是在一条巷道断面内, 其顶板、两帮及底板组成了一个整体的结构体。任何一项的位移变动都可能影响到周边的稳定性。因此, 在两帮加入了网壳结构喷层, 使巷道的受力由平面应力状态变为了三向应力状态。在此条件下由强度理论公式可得:

当围岩处于三向压应力状态后, 巷道的强度会大幅增加。因此, 底板的位移会得到有效的抑制。

4 结语

1) 由数值计算分析得, 针对不同的巷道埋深, 我们应根据具体深度对底鼓进行防治。对于埋深较大的千米深井, 在巷道的支护过程中, 应强调深度的增加对于巷道底鼓的巨大影响。

2) 巷道在两帮加入。支护的不同对于底鼓的影响是巨大的。根据联动性的影响, 对巷道的底鼓治理应考虑到两帮的影响因素。这为巷道的底鼓治理提供了方法, 即将巷道作为一个整体进行支护治理。

松软破碎岩层巷道底鼓控制技术篇6

巷道底鼓是软岩巷道围岩变形和破坏的一种主要方式。大量的实测资料表明, 在底板不支护的软岩巷道中, 巷道底鼓量可占到巷道顶、底板移近量的70%以上, 巷道维护工作量中有50%是用于防治底鼓。因此, 长期以来防治巷道底鼓一直是矿井巷道维护的重大难题之一[1,2]。同时, 底板的稳定性显著影响两帮及顶板的变形和破坏。可见, 控制底鼓是软岩巷道支护中的一项关键技术。

1 概述

某矿8206为八盘区带式输送机巷, 服务年限很长。巷道布置在煤层中, 沿煤层底板掘进, 巷道平均埋深约650 m。煤层顶底板岩层情况如表1所示。由于煤层松软, 底板破碎, 地应力较大, 8206带式输送机巷底板变形严重, 底鼓量高达600 mm, 致使带式输送机无法安装, 严重影响了矿井的正常生产。

2 巷道维护特点

根据地质资料分析, 巷道维护基本特征有:

巷道埋深较大, 接近-650 m, 属于深井巷道支护问题。地压大, 且巷道断面大, 支护难度大。

巷道主体工程位于煤层当中, 且部分地段受断层群影响, 属于典型的松软破碎岩层;巷道围岩应力变化剧烈, 局部应力集中, 水平应力大, 造成帮部变形大;巷道顶底部为强拉应力区, 易造成底鼓。

掘进工作面围岩稳定性差, 施工难度大。

依据资料, 裂隙水不发育。

巷道为准备巷道, 服务年限长, 对变形控制要求高。

为此, 特针对8206带式输送机巷的问题提出有效的控制方案, 为了掌握巷道底板加固对巷道围岩应力的影响, 应用数值模拟软件FLAC对巷道围岩应力进行数值分析[3,4]。

3 数值模拟

3.1 数值模拟模型

数值计算模型如图1所示。

根据已有的地质资料, 运用FLAC2D建立相应的分析模型。采用如图1所示的平面应变计算模型来模拟巷道围岩的变形过程, 将围岩视为分层各向同性弹性介质。

计算模型尺寸长×宽=50 m×40 m, 直墙半圆拱, 巷道宽×中高=5.0 m×4.0 m。模型的左、右及下边界均为位移边界, 上边界为应力边界, 按上覆岩层厚度施加均布载荷。

3.2 数值模拟方案

根据现场地质条件, 运用数值模拟软件FLAC建立分析模型。为了对比巷道底板加固的效果, 建立了锚网喷底板未加固和锚网喷底板加固两种支护模型。

方案一:对帮与顶进行锚网喷联合支护, 底板无加固处理

锚杆采用φ20 mm, 长度2 m左旋无纵筋螺纹钢, 树脂加长锚固, 每排14～15根, 间排距800 mm, 三花布置;

锚索采用φ15.24 mm, 长度5.3 m, 树脂加长锚固, 用钢筋托梁组合;铺金属网, C20喷射混凝土, 厚度150 mm, 如图2所示。

方案二:在方案一的基础上, 对巷道底板也进行加固

6根φ20 mm, 长度2.4 mm左旋无纵筋螺纹钢, 靠近巷道底角的两根锚杆安装角度20°, 中间的4根锚杆均垂直于底板布置, 采用两支锚固剂, 一支规格为K2335, 另一支为Z2360, 锚固长度1.3 m, 如图3所示。

3.3 计算结果分析

3.3.1 底板未加固数值模拟分析

巷道底板未加固条件下的底板移近变形结果如图4所示, 由图可见巷道开挖后巷道底鼓十分强烈, 最大底鼓为500 mm。根本原因为:巷道底板自由开放, 处于无约束状态, 产生的拉应力超过底板岩石抗拉强度, 出现拉应力破坏区。该区域破坏后, 松动变形严重, 表现为底鼓严重, 围岩的塑性区迅速向巷道底板深部扩展, 同时也影响了巷道顶部和帮部的塑性区, 使其塑性区的范围均有不同程度的增大。

3.3.2 底板加固数值模拟分析

巷道底板采用加固措施后, 底板的变形情况如图5所示, 底板的变形较小, 最大为45.73 mm, 底板的拉应力破坏区完全消失。与此同时, 围岩的塑性区明显减小, 向巷道周边收缩, 抑制塑性区向巷道深部发展, 围岩的四周变形均比较小。

底板加固前后围岩变形情况如表2所示, 通过对比分析, 采用底板加固方案不但能减少巷道底板的变形, 消除拉应力破坏区, 同时还能减小巷道两帮和顶板的变形, 在巷道四周形成一个封闭的承载结构, 巷道整体稳定性得到极大的提高。

4 支护设计与矿压观测

4.1 支护设计

通过以上的数值模拟和分析比较, 综合考虑施工工艺的因素, 巷道支护设计采用以下形式:

一次支护:顶帮锚网喷, 参数同数值模拟;

二次支护:滞后巷道迎头150 m, 首先拉底300 mm, 然后采用树脂与注浆联合锚固锚杆组合支护系统加固底板, 参数同数值模拟。

4.2 支护效果

8206带式输送机巷底板采取上述加固措施后, 对巷道围岩变形情况进行了检测。底鼓量不超过50 mm, 底板变形得到了有效控制。底板铺设的混凝土保持完整, 基本没有出现开裂现象, 同时, 巷道顶板和帮部的变形也有所减小, 巷道整体的稳定性得到很大幅度的提高, 保证了巷道正常使用。

5 结论

(1) 在深部松软破碎岩层的巷道维护中, 单纯的强调顶板和两帮支护强度很难保证巷道的长期稳定, 必须对巷道底板进行治理, 在巷道四周形成一个封闭的承载的结构, 才能从根本上提高巷道整体的稳定性。

(2) 工业性试验表明, 采用顶帮锚网喷+树脂与注浆联合锚固锚杆组合方式支护, 能有效控制巷道底鼓, 提高了巷道的整体性, 使巷道在服务期间内不需要维修, 保持了巷道的长期稳定, 满足了矿井正常使用, 由此带来了显著的经济效益, 为类似条件下巷道的维护提供了一定的参考价值。

摘要：针对某矿松软破碎巷道底鼓日益突出的问题, 分析了巷道自身围岩特性, 通过FLAC2D数值计算软件对底板加固前后顶底板移近量、围岩塑性区、拉应力区发展状况进行了数值模拟和分析, 制定了科学合理的底鼓治理方案。现场工业性试验表明, 该技术方案科学合理, 取得了良好的支护效果和较大经济效益, 对类似条件下巷道维护有一定的参考作用。对于深部软岩支护问题, 必须对巷道开放的底板进行治理, 在巷道四周形成一个封闭的承载结构, 才能从根本上提高巷道整体的稳定性。

关键词：松软破碎岩层,巷道底鼓,控制技术

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[3]谢文兵, 陈晓祥, 郑百生.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2005

巷道底鼓机理及防治措施探讨篇7

随着我国地下煤炭的开采, 近些年来煤炭开采逐渐走向深部, 进而地应力相应增大, 巷道底鼓问题日趋严重, 从而暴露出很多影响煤矿安全生产的问题。

底鼓导致巷道断面缩小, 阻碍运输和行人, 妨碍矿井通风, 甚至造成整条巷道报废, 严重影响矿山的生产与安全。因此, 研究巷道底鼓的机理、预测方法及防治措施等问题, 对于我国深部资源开采, 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。

1 对巷道底鼓机理的认识

为控制软岩巷道底鼓, 国内外近年来对软岩的物理、水理力学性质、产生巷道变形与底鼓的力学机制及控制底鼓的技术措施开展了大量的研究工作, 取得了一大批理论和技术应用成果。

前苏联的M.JI.兹包尔什奇克等认为[1]:巷道底板岩层突然鼓起是由于底板中塑性层对下部移动的阻力, 以及底板岩层暴露的面积与周长的比例急剧变化时岩层储存的弹性能释放的结果造成;德国的M.奥顿哥特运用相似材料模拟实验研究了巷道底鼓的全过程, 他认为[2]巷道岩层的破坏顺序为:首先是两帮岩层由于垂直应力作用被压裂, 之后是巷道顶板由于水平压力的作用向巷道间鼓出, 其中较先破坏的是直接底板岩层;美国的K.Hara把底板岩层看作两端固支的岩梁进行分析[3], 讨论了底板岩层的应力状态及稳定性;Afrouz A.指出[4]引起巷道底鼓的因素有21个, 但主要有3个原因:底板为松软岩层;巷道围岩中存在较高的岩层应力;水理作用。

我国康红普经过分析计算得出结论[5], 底鼓是由于失稳的底板岩层向巷道内压曲, 偏应力作用下的扩容, 岩层自身的遇水膨胀;贺永年、何正昌通过实测和研究认为[6], 巷道底鼓由两帮岩柱传递顶板压力开始, 两帮围岩在挤压底板的同时一起下沉, 底板在严重挤压变形的情况下发生断裂, 然后底板隆起。姜耀东和陆士良根据巷道所处的地质条件、底板围岩性质及应力状态的差异、底板岩层鼓入巷道的方式将底鼓分为4类[7]:挤压流动性底鼓;挠曲褶皱性底鼓;遇水膨胀性底鼓;剪切错动性底鼓。

2 底鼓的主要影响因素

2.1 高压

巷道围岩中存在高压是巷道底鼓的重要因素。随着开采深度的加大, 地应力相应增大, 加之由于受采动影响造成底板应力集中, 巷道底板岩石松软, 侧压大时压力由两帮传递到底板, 由于底板松软无法承受较大压力而产生变形, 严重影响煤矿的正常生产。

2.2 底板岩性

底板岩层的结构状态, 软弱程度及软弱岩层的厚度直接决定着巷道底板发生底鼓的大小及形态。

当底板位于坚硬的砂岩或灰岩中时, 一般处于稳定状态, 通常不会发生底鼓;而当底板位于软弱的泥岩, 页岩或断层破碎带中时, 由于岩体强度低, 吸水率高, 裂隙发育, 其自身稳定性和承载能力较差, 在地应力作用下极易产生底鼓, 造成底板失稳破坏, 底板软岩受挤压产生流动变形示意图如图1所示。

2.3 构造应力

构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。实测资料表明, 原岩应力场内钳制应力基本上等于上覆岩层重量, 而由于构造应力的存在, 水平应力普遍超过金尼克假设由式 (1) 计算的数值, 水平构造应力一般为铅直应力的0.5~5.5倍, 在地质条件复杂地区可以达到更高。

式中μ—泊松比;

γ—体积力;

H—煤层埋藏深度。

在软岩和厚煤层中, 底板岩层在水平应力作用下, 与形成褶曲构造相类似, 向巷道空间鼓起。如果底板岩层呈粘一塑性变形, 底板岩层进入蠕变状态, 如图2所示。因此高水平应力是造成底板岩层破坏强烈的主要原因。

2.4 水理作用

很多巷道底鼓是因为底板岩层受水的影响膨胀而引起的底板鼓出。底板含水会减小岩层节理以及节理与裂隙间的摩擦力, 形成岩层滑移面, 致使致密岩层分成薄层, 岩体结构变松散, 岩体强度减弱, 在地层应力作用下, 底板易发生底鼓。可由式 (2) 计算水对膨胀岩的作用。

式中Ks—自由膨胀率;

B—巷道宽度;

Pa—完全阻止膨胀性底鼓所需要的支护阻力;

Pb—实际支护阻力;

α—系数。

岩体一般都具有一定的吸水率, 长期接触水后会加速岩石的软化, 降低岩层强度。巷道底板为含有蒙脱石、高岭石、伊利石等膨胀性黏土矿物时, 由于浸水而会发生岩层泥化, 崩解, 破裂现象, 降低岩体强度, 最终导致底板岩层的膨胀性破坏。

2.5 岩体强度降低

随着矿井开采深度的加大, 岩体强度明显降低。由于采深增加, 巷道周边的集中应力超过了围岩的自身强度, 致使围岩移近率相对增加, 巷道周边塑性区范围扩大。在塑性区范围内, 岩石内聚力与内摩擦角迅速下降, 致使岩体状态恶化。围岩强度降低, 围岩孔隙率增大, 加上地质构造发育的影响, 导致巷道变形呈软岩特性。在围岩应力作用下表现出显著的塑性和流变性。巷道底板岩体软弱、强度低、承载力不足是造成底鼓的直接原因。

2.6 地温影响

地温增高是矿井开采深度增加时出现的突出问题之一。从一般地热增温看, 每增加100 m深度, 温度增高3℃~5℃, 在采深大的情况下, 地温达30℃~50℃。在这样的环境中, 可出现两种不利情况:高温会促使岩石从脆性向塑性转化, 使围岩产生塑性变形;巷道内水气增多, 使围岩软化。在深部高应力条件下, 若只加强顶、帮的支护, 就易于产生底鼓。

3 底鼓的主要形式

3.1 挤压流动性底鼓

常发生在直接底板为软弱破碎岩层 (如泥岩、煤等) , 而两帮和顶板结构完整, 强度大大高于底板时。在两帮的冲击压力和采动影响下, 底板软弱破碎岩层挤压流动到巷道内。当整个巷道都位于松软破碎的岩体内时, 在远场应力作用下, 也能致使底板发生破碎与流动变形。其力学模型如图3a所示。

3.2 挠曲褶皱性底鼓

当巷道底板岩层为层状岩体时, 即使是中硬岩体, 当应力状态满足一定的条件时也可以发生底鼓, 其机理在于底板岩层在平行层理方向的压力作用下向底板临空方向发生挠曲而失稳, 其力学模型如图3b所示。姜耀东等研究表明[8], 底板岩层的分层越薄, 巷道的宽度越大, 底鼓量也越大。

3.3 剪切错动性底鼓

当巷道直接底板为完整岩层且厚度大于1/3巷道宽度时, 在较高应力作用下, 常使底板出现剪切破坏, 由此形成的楔块岩体在水平应力作用下产生错动而使底板鼓出, 其力学模型如图3c所示。

3.4 遇水膨胀性底鼓

井下实际生产中, 巷道底板经常积水, 当底板为膨胀岩时, 就会遇水膨胀而引起膨胀性底鼓。

4 防治措施

4.1 底板锚杆

底板锚杆的施工要求:为了保证巷道底板在安设锚杆前不破坏, 必须在距掘进工作面一定距离内安设底板锚杆, 这个距离的大小与底板岩石的性质有关, 一般应不大于10 m;为保证巷道掘进速度不受影响, 锚杆安装的速度要快。

锚杆的主要参数:锚杆的长度应能穿过全部底鼓的岩层, 锚杆进入坚硬岩层的距离为0.5~0.8 m。锚杆的间排距:当岩层为砂页岩时, 锚杆密度不小于1根/m2;当岩石破碎时, 应适当加大锚杆密度, 排距一般为0.8~1.2 m;当底板岩层间的联结强度较低时, 锚杆的排距应在1 m以下。底板锚杆的适用条件:底板岩层为中硬层状岩体时, 可以把几层岩层连接起来形成组合梁, 其效果较好。

4.2 底板注浆

底板注浆一般用于加固已破碎的岩石, 提高岩层抗底鼓的能力。当底板岩石承受的压力超过岩体本身的强度, 产生裂隙和裂缝时, 应采用注浆的办法使底板岩层的强度提高, 达到防治底板底鼓的目的。由于所选择的注浆形式、注浆材料、注浆压力和注浆时间长短不同, 岩层中的裂隙可能全部或部分被粘合, 当注浆压力高于围岩强度时, 就产生新的裂隙并有浆液渗入。注浆的作用可分为三种情况:

(1) 注浆只起到部分效果, 即注浆后重新结合的强度只比岩石产生离层、裂隙后的残余强度稍高。产生这种情况的主要原因是注浆压力太低, 注浆液浓度太大, 或注浆钻孔的布置不合理。底板注浆后对减少底鼓有一定的效果.但不显著。

(2) 注浆后破碎的岩石全部被加固, 在岩层中极为微小的裂隙也被粘和起来。注浆后岩层的结合强度与原始强度相等。在这种情况下, 底板注浆起到了显著的效果, 巷道底鼓量明显减少。

(3) 注进的浆液包围破碎的岩块并将其粘和成一体, 岩层的整体强度得到提高, 注浆后岩层的结合强度高于原始的强度, 是底板注浆最理想的情况。注浆后岩层达到的结合强度主要取决于选择的注浆材料, 采用聚氨酯材料, 岩层间的结合强度较高, 加固的效果较好, 但底板潮湿时粘和强度较低, 成本也较高。注水泥浆虽然成本低, 但结合强度较低, 所以在选择材料时要根据实际情况合理选择。

还应指出, 软岩进行底板注浆不能保证取得成效。如果将注浆和锚固结合使用, 就可以使原来只适用两者的范围得到扩展。其工艺系统如图4所示。

4.3 全封闭式巷道支架

全封闭式巷道支架的类型有:U型钢支架、方环形支架、马蹄形支架, 封闭式料石碹支架、混凝土支架、工字钢环形支架、钢筋混凝土预制弧形板支架等。

全封闭式巷道支架的特点:均带有底拱, 支架抵抗巷道两帮内移的能力大大加强, 减少巷道底板所承受的水平力, 有效控制巷道底板的离层和断裂;改变了底板围岩的应力状态, 即由二向受力变为三向受力, 提高了围岩的强度, 有利于围岩承载圈的形成。

全封闭式巷道支架是一种传统防治底鼓的有效措施, 具有简单易行、适用范围广、效果显著的优点。其结构如图5所示。

4.4 底板卸压

在容易发生底鼓的巷道中, 沿巷道轴线在巷道底板中部开卸压槽, 可使巷道底板围岩边沿处的水平应力和可能发生皱褶的范围向岩体内部转移, 从而使巷道底板的水平应力得以解除, 达到防治底鼓的目的。卸压槽的主要参数:根据试验, 一般卸压槽的深度大于巷道宽度的一半, 卸压槽的宽度为0.5~0.6 m。

4.5 水的控制

前面说过, 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。

5 结论

(1) 巷道的底鼓问题一直困扰着矿井的安全高效开采。由于巷道底鼓的原因各异, 防治巷道底鼓的方法也要根据其成因及矿山的技术经济条件, 选择相应的防治办法。

(2) 由于巷道所处条件的复杂性, 对底鼓机理的分析不可能通过理论分析和数值分析等手段完全解决, 而要通过对巷道围岩移动情况的监测, 加深与验证巷道底鼓机理的分析。因此在采用底鼓控制技术后, 一定要配合量测监控, 以便及时调整支护参数。