软岩回采巷道底鼓的机理和防治.pdf

煤 矿 安 全 2 0 0 6 0 6 2 7 软岩回采巷道底鼓的机理和防治 李冲。 李德忠 安徽理 工大学 资管 系， 安徽 淮 南 2 3 2 0 0 1 摘 要 从分析巷道底鼓的机理和 类型， 影响巷道底鼓的主要因素入 手， 采用滑移线场的理论。 提 出回采巷道底鼓的防治措施， 得 出了一些有益的结论。 关键词 软岩 ； 巷道底鼓； 机理 中图分类号 T D 3 2 7 ． 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 4 9 6 X 2 0 0 6 0 60 0 2 7 0 3 1 巷道底鼓的类型和机理 根据国内有关资料 的综合分析 ， 由于巷道所处 的地质条件 、 底鼓围岩性质和应力状态的差异 ， 底板 岩层鼓入巷道的方式及机理也不相 。 1 ． 1 挤 压流动 性底 鼓 挤压流动性底鼓通常发生在直接底板为软弱岩 层 如粘 土岩、 煤等 ， 两帮和顶板 比较完整 的情 况 下。在两帮岩柱的压 模效应和应力 的作用下 ， 或者 整个巷道都位于松软破碎的底板岩层向巷道内挤压 流动 。其力学模型如图 1 a 和图 1 b 所示。 ． ． ≮ 0 ≥ 蚓 0 苗 譬 ‘ 、 ， 、 爱乡复爱 ／。 1 ． 2饶 曲 褶 皱 性 底 鼓 饶曲褶皱性底鼓通常发生在巷道底板为层状岩 石 ， 其底鼓机理是底板岩层在平行层理方 向的压力 作用下 。 向底板临空方向饶曲而失稳 ， 其力学模型如 图 I C 所示。底 板岩层的分层越 薄 。 巷道 宽度越 大 。 所需的挤压力越小， 越易发生饶曲性底鼓。 1 ． 3剪切错动性 底鼓 剪切错动性底鼓主要发生在直接底板。即使是 整体性结构岩层 ， 但在高应力作用下 ， 巷道底板也易 遭到剪切破坏， 或者在巷道底角产生很高 的剪切应 力而引起楔形破坏 ， 其力学模型如图 1 d 所示。 b 图 l 巷道底鼓的类型和力学模型 d 1 ． 4 遏水膨胀性底鼓 法也应有所不同。 粘 土 篓 2 影 响 巷 道 臌胜飘素 粘 土 岩 层 ，它 与 前 述 的 各 类 底 鼓 的 主 要 区 别 为 底 鼓 ” ⋯ 一 ～。 。 。 是由底板吸水膨胀引起的， 底鼓的机理不同， 治理方 2 ． 1 底板岩层弹塑性变彤 维普资讯 - 2 8 煤 矿 安 全 T o t I 3 7 9 巷道开挖使得底板岩层 局部和部分卸载 ， 随即 将产生弹性恢复。当应力超过岩层 的屈服强度时 ， 就会产生塑性变形。 2 ． 2底 板岩层 扩 容 软岩在应力偏量达到一定数值后会产生扩容现 象， 造成岩石体积增加 。巷道开挖后 ， 导致底板岩层 局部区域垂直应力降低 、 水平应力增加， 必然引起应 力偏量的增加 ， 因而扩容变形是引起巷道底鼓 的一 个重要原因。 2 ． 3 水理作 用 浸水后的巷道底板往往产生严重 的底鼓 ， 一般 表现为 3个方面 1 底板岩层浸水后 ， 其强度降低 ， 从而更容易 破 坏 。 2 泥质胶结 的岩层 ， 浸水后易破碎、 泥化、 崩 解 ， 甚至强度完全丧失。 3 当底板岩层 中含有蒙脱石 、 伊利石等膨胀性 岩层时， 浸水后会产生膨胀性底鼓。 因此 ， 巷道积水问题 的治理是控制巷道底鼓 的 重 要 环节 。 2 ． 4支护 强度 巷道底板通常处于敞开不支护状态是巷道底鼓 量大于顶板下沉量的主要因素。尤其是遇水崩解或 膨胀的粘土岩和泥质 岩层 ， 底板及时支护和封 闭是 控制底鼓的根本措施。图 2为权台煤矿回风巷中的 现场测试结果 ， 可见 ， 底板支护阻力对底鼓量的控制 起着关键作用 。 0 加8 O 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 支护阻力／ k P a 图 2 底鼓量 一支护阻力线性 回归 曲线 3回采巷道分析模型 现将回采巷道在正常生产过程中所受力学作用 机理采用 滑移线场理论 进行 分析。为 简化 分析模 型， 做如下假设。 1 发生底鼓 的底板岩层多为软岩， 重度较小 ， 根据滑移线场理论 ， 与巷道所处岩层的规模和深度 相 比， 影响巷道底鼓的岩石体积较小 ， 可忽略不计次 部分岩石的重度 ， 即 70 。 2 发生底鼓的巷道底板多处在软岩中， 以产生 不可恢复的塑性变形为主 ， 为简化模型， 假设岩体是 理想刚塑性 体。回采巷道受 力可视 为平 面应变问 题 ， 巷道底板任一单元体均满足力的平衡方程， 假定 岩石服从 Mo h r - - c o u l o mb屈 服准则 ， 则有解 不 计 体积力 l n w 一2 良t a n 2 l ln 2 0 c ta n 2 ／ } 1 式中 Cc o t P 平均应力 ， 口 口 ／ 2 ； 0最大主应力与 X轴的夹角 ； 最大主应力与滑移线的夹角 ； C d 、 、 卢特征线确定的常数。 根据松动圈理论 ， 在矿山压力作用下巷道围岩 产生松动圈破碎带和塑性带 ， 松动圈的破碎带属 于 松散结构 ， 可考虑为载荷和 自由面 G A 作用段的组 合 ， 如图 3所示 。 回采巷道 ⋯ J l c A 煤 。 ’ ＼ ＼／ C 图 3 回采巷道底板 的力学模 型 由边界条件 ∞ 边 忙咖 ～ a 3 0 G O E t ； E G 边 在 G OC被动区、 G D E主动区为均匀压力状态 。 其中滑移线 场的 值、 0值 以及各应力 分量都 相 等 ， G D线 上 0 ／ 2， G D 线上 C c o t ／ 1一 s i n o ， 0丌。 GD C区为直接线族与 同对数螺线族 组成 的扇 形滑移线场， 沿对数螺线的应力满足式 1 ， 则得极 限载荷为 C c ta n o [ 一 ] 4 巷道底鼓的防治方法 研究软岩物理力学性质及底鼓机理的 目的在于 选择合理的防治措施 。对巷道底鼓的防治， 国内外 学者提出了好多种方法和途径。总体上可概括为加 固法和卸压法 2大类。加 固法 主要有底板锚杆、 底 ∞ ∞ ∞ ∞ 的 O 咖 咖 咖 o 2 2 l l 吕 u v 唧 搭 世 维普资讯 煤 矿 安 全 2 0 0 6 0 6 2 9 板注浆、 封闭式金属支架、 混凝土反拱等 ； 卸压法主 要有底板切缝、 底板钻孔、 底板松动爆破、 两帮切槽、 顶部卸压槽等。根据对 回采巷道底板的滑移线场分 析 ， 采用锚杆支护加强巷道底鼓及两帮的岩石强度 ， 不失是为解决底鼓的一种更为有效、 经济的好方法。 锚杆防治巷道底鼓是支护加 固防治巷道底鼓的方法 之一。锚杆支护作为一种行之有效的支护方式已广 泛应用于煤矿开采等地下工程的维护领域。在适当 的条件下 ， 它对巷道 围岩有 良好 的控制效果 。底板 锚杆能否有效地控制软岩巷道底鼓 ， 主要取决于底 板岩层性质和底鼓 的类型。如 图 4所示， 几种常用 支护形式的支护反作用曲线表明， 随着围岩、 锚杆的 变形 ， 其强度发挥较及时， 又可允许发生一定的底鼓 变形量。应用锚杆支护解决软岩 回采巷道底鼓 问题 应是切实可行的。 屯 茁 似 嬗 架 径向位移 图 4 各种支 护的非线性支 护反作用观测 曲线 工程实例 白集 煤矿 3 l 1 9工作 面材料道 ， 该工 作面平均走 向长 2 3 0 m， 宽平均 8 8 m。 开采上下限为 ⋯ 2 7 0 3 4 0 m， 地面标高 3 O ． 4 m。该工作面东 邻 3 1 1 7工作 面采 空 区， 南邻 F 】 0 大断层 ， 西 面 为 3 1 2 1工作面。煤层顶板为页岩， 厚 1 ． 0 ～5 ． 5 7 m， 平 均厚 4 iT I ， 含砂质 ， 浅～深灰色， 上部含砂均一， 夹不 规则粉砂岩层 ， 结构致密。老顶为厚约 1 4 m 的细砂 岩， 底板为页岩 ， 厚 1 ． 0 m， 深灰色， 致密性脆。工作 面底板为 3层煤下分层 ， 厚 2 I T l 。 采用锚杆加固方案的参数 木锚杆长 2 ． 2 m。 直 径 3 5 mm， 木楔长 2 0 0 mm， 宽 3 5 mm， 厚 2 0 mm。 托板长 3 5 0 mm， 宽 2 5 0 mm， 厚 5 0 mm。锚杆布置 方式为在底板沿巷道断面方 向布置 4根锚杆 ， 在巷 道两边角处， 锚杆以 4 5 。 角打入 ， 在 巷道 中间垂直打 入， 眼深 2 ． 4 m， 托板没入底 板下 2 0 c m处 ， 以不影 响行人和运料为准。孔眼全部用水泥砂浆灌注 ， 以 增加摩擦力并加固眼周围破碎的底板。锚固端头 5 m处锚杆轴向间距为 0 ． 5 m， 其余为 0 ． 7 m， 平均锚 杆密度为 2 ． 1根／ m 0 。如图 5所示。 实验效果 经过一年多的实验 ， 采用木锚杆锚固 巷道底板的防治底鼓 ， 底鼓得到了控制 ， 取得了良好 图 5 锚杆布置示 意图 的效果。3 l 1 9工作 面推过之后的材料道巷道高度 由原来的 2 m减至 1 ． 5 m左右 ， 从开始回采到结束 未卧过 一次底 。未锚 固段 巷道顶底移 近量为 8 4 9 mm。 底鼓量为 3 7 4 mm， 为未锚固段的 6 1 ％。 并且为 回采工作面的正常生产创造 了有利条件， 从而使工 作面月产量提高了 3 2 ％， 平均工效提高了 5 1 ％。而 未进行底板锚固的 3 1 1 7工作面材料道， 在整个服务 期间共 3次卧底 ， 每次卧底量为 8 0 0 mm左右， 并且 卧底发生的费用比底板锚固高出 2 5 ％。 5 结 语 软岩回采巷道底鼓是松软底板受采动影响时， 在支承压力的作用下， 底板岩石发生塑性滑移破坏 的直接结果。根据滑移线场理论分析 ， 采用锚杆支 护可以较好地解决软岩回采巷道的底鼓问题。而且 锚杆防治软岩回采巷道底鼓工艺简单， 投入费用少。 参考文献 [ 1 ] 康红普． 软岩巷道底鼓机理及防治【 M] ． 北京 煤炭工 业出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 2 ] 陆士良， 汤雷， 杨新安． 锚杆锚固力与锚固技术[ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ． 1 9 9 8 ． [ 3 ] B ． H． G．布雷迪， E． T．布朗． 地下采矿岩石力学 M] ． 冯树仁译． 北京 煤 炭工业 出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 4 ] 庚 晓南． 土翔性力学[ M] ． 杭 州 浙江大学 出版社， 1 9 9 0 ． [ 5 ] 姜耀东． 软岩巷道底鼓机理及其控制措施的研究[ D] ． 北京 中国矿业 大学 ． 1 9 9 3 ． 作者简介 李 冲 1 9 8 0一 ， 男， 安徽宿 州人 ， 现在安徽 理工 大学攻读采矿工程硕士研 究生 。 主要研究方向是 岩层控 制及 开采技术， 发表论 文 2篇。 收稿 日期 2 0 0 5 1 20 5 ； 责任 编辑 粱绍权 维普资讯