煤矿软岩巷道底鼓控制技术研究

陈昭征

(贵州鲁中矿业有限责任公司,贵州毕节 551700)

煤矿软岩巷道底鼓控制技术研究

陈昭征

(贵州鲁中矿业有限责任公司,贵州毕节 551700)

针对贵州某矿软岩巷道底鼓问题,首先分析巷道工程地质条件,总结底鼓发生原因,设计了能够有效控制软岩巷道底鼓的支护方案,并对支护方案进行了数值模拟分析,最后,通过工程实践证明,此支护方案是有效并且可行的。

软岩巷道 底鼓 控制技术

近年来，随着开采深度增加和地质条件的恶化，底鼓问题日益严重。国内外众多学者[1-4]对软岩巷道的底鼓控制技术进行了研究，并取得了大量的成果。本文针对贵州某矿副风井围岩破坏严重、难支护的情况，首先对巷道围岩进行地质力学分析，并根据其分析结果进行巷道底鼓控制方案设计，经工程实践证明支护方案是可行的。

1 巷道工程地质条件

副风井围岩主要以泥岩、炭质泥岩、花斑泥岩、粉砂岩及砂质泥岩为主，极为破碎、团状结构，遇水易膨胀、富滑面、易冒落，围岩岩性较差，属极软岩巷道，采用锚注支护方式，该支护方式有效的控制了巷道顶帮围岩的变形量，但锚注巷道底鼓依然很严重，这也是困扰副风井巷道变形的主要因素。

2 底鼓发生原因分析

2.1 地下水

软岩遇水后，其物理化学性能将发生变化，产生强烈的吸水膨胀和崩解。如蒙脱石、高岭土和伊利石，能将水分子吸附在晶体表面，形成水化层。水化层的楔入引起岩石的膨胀变形和膨胀应力。岩石取样化验分析，巷道底板岩层泥岩中伊/蒙混层含量高达25%～33%。由于巷道底板经常积水，而软弱岩体内节理裂隙发育，所以水很容易进入岩体内部，引起软化、崩解及膨胀。

图1 网格划分及模型初始状态

图2

2.2 周期压力作用

岩层在应力作用下发生扩容后，导致体积增加，必然引起软岩孔隙率、含水量等参数的变化，使得水更容易进入岩体内部，引起更大程度的膨胀和软化。

2.3 地应力作用

副风井位于松软破碎岩体中，巷道周边的围岩破碎圈很大，两帮的应力增高区位于岩体深部。在应力作用下挤压周边破坏岩体向巷道内流动形成底鼓。由于巷道采用锚注支护，使底鼓速度远远大于顶帮收敛速度，从而造成强烈底鼓。

此外，产生底鼓破坏的因素很多，诸如地质构造影响、动压影响及巷道断面大小、围岩暴露时间长短等因素有密切关系。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。

3 底鼓控制技术及机理

3.1 底鼓处理方案

(1)巷道起底。采用起底的方法对已底鼓的巷道进行处理，卧底深度达到500mm以上并到实底，然后，铺设钢筋网片，钢筋网片采用φ14旧锚杆加工，网孔直径100mm。

(2)铺设槽钢底拱。安装12＃槽钢底拱，底拱长度L＝4300mm，排距1000mm，槽钢底拱必须伸进巷道两帮角。

打螺纹钢锚杆固定槽钢底拱，螺纹钢锚杆尺寸φ20×1800mm，间排距为1000×1000mm；在两槽钢之间打注浆锚杆，注浆锚杆尺寸Φ21.3×1500mm，间排距为1000×1000mm。

(3)底板浇灌。注浆锚杆露出混凝土浇灌平面100mm，然后采用200＃混凝土进行底板浇灌，浇灌厚度500mm，在进行底板浇灌时，采用塑料布对注浆锚杆尾丝进行保护，便于注浆时管路连接。

在巷道底板同时浇灌尺寸为300×300mm的导水沟。

表1 无支护巷道变形情况

表2 支护巷道变形情况

(4)注浆。最后，对注浆锚杆进行注浆，浆液采用525＃硅酸盐水泥，掺入0.05%的三乙醇胺和0.5%的氯化钠，水灰比0.75：1。

3.2 支护机理分析

该支护方案是适应软岩巷道变形特征的先柔后钢的底板处理方式，先通过底板锚网、加设底拱梁、浇灌的联合加固原理，达到一定变形及卸压作用，再通过注浆锚杆注浆充填围岩裂隙，配合锚网、浇灌，可形成一个多层有效组合拱，从而扩大承载范围，提高巷道底板的整体性和承载能力，达到巷道底板围岩的稳定。

与巷道顶帮锚注支护形成一个支护整体，从而达到控制巷道整体围岩变形的作用。从防治水角度分析，进行巷道底板混凝土浇灌、注浆，并浇灌导水沟，使巷道淋水、积水通过导水沟集中排出，控制水渗入底板围岩从而消除了底板围岩遇水膨胀的特点。

4 数值模拟研究

4.1 数值模型建立

根据巷道实际断面形状，计算选定巷道形状为直墙半圆拱，宽4m，高4m，其中墙高2m，拱高2m，断面积10.28m2。计算模型的水平和垂直宽度取为硐室跨度的10倍，确定模型尺寸为40m×40m×40m(x×y×z)，建模岩体结构为块裂结构[5]。

模型的边界条件为：Z方向顶面为自由面，加垂直方向的应力为16MPa，底面Z方向位移约束；X方向左右侧面加水平方向的应力为14MPa。划分网格及初始平衡状态见图1，模型由10800个单元、12111个节点组成。

4.2 模拟结果分析

图2(a)(b)为未支护巷道和支护巷道的垂向位移场，表1、2分别无支护巷道和支护巷道的变形量统计。

通过计算结果分析，支护巷道相比无支护围岩变形量明显减小，底鼓量下降幅度为79.2%。

5 支护效果分析

自副风井采用安装底拱、浇灌配合锚注技术防治底鼓以来，共施工182m，根据观测，施工过的巷道顶底板均无变化，巷道底板均未出现底鼓、裂缝，顶帮未出现喷层脱落等其它变化，巷道支护完整、断面均能达到设计要求。巷道淋水及渗水均通过导水沟集中排出，大大控制了巷道淋水及滴水渗入围岩而导致巷道底鼓的不利因素。

6 结语

(1)总结得出了引起巷道底鼓的原因：地应力、地下水、周期来压。(2)提出注浆充填围岩裂隙，配合锚网、底拱、浇灌的多层支护方式。(3)数值模拟计算结果表明，此支护方式能够减少底鼓量79.2%。(4)实践证明，该技术能有效控制煤矿软岩巷道底鼓，同时为解决类似条件下巷道底鼓问题提供了依据。

[1]贾明魁,赵兴东,贾安立.极软岩巷道底鼓锚注支护控制技术[J].辽宁工程技术大学学报,2005,Vol.24 No.3.

[2]何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程力学[M].北京:科学出版社,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]麦晓文,王保群.软岩巷道关键部位二次组合支护技术[J].辽宁工程技术大学学报,1999,18(6):590-592.

陈昭征,山东泰安人,本科,工程师,现供职于贵州鲁中矿业有限责任公司。