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第 7卷第 2期 华北科技学院学报 2 0 1 0年4月 底鼓对深部软岩变形的影响及控制对策① 谷 平 军② 山西焦煤集 团公司 马兰矿 ， 山西 太原 0 3 0 2 0 6 摘要 深部巷道支护成为 目前制约煤矿深部开采的重要因素之一， 进行众多复杂的措施来多次维护深部 巷道流变围岩虽已取得一定效果， 但有效控制深部破碎、 软弱、 流变围岩大变形仍非常困难。通过分析导致 变形、 破坏、 失稳的各种原因， 提出对于破碎难维护围岩， 在加强帮顶控制的同时， 应对底板采取加固处理。 研究结果表 明将 顶、 底 、 帮围岩作 为整体进行 治理 ， 完全能够实现控制 围岩大变形的 目的。 关键词 深部开采 ； 巷道支护 ； 破碎 围岩 ； 底鼓机理 中图分类号 T D 3 2 7 ． 3 文献标识码 i A 文章编号 1 6 7 2 7 1 6 9 2 0 1 0 0 2 0 0 2 30 3 深埋巷道底鼓是 目前煤矿进入深部开采所面 临的主要难题之一 ， 由于矿井深度增加 、 地应力加 大 、 地应力构成及作用机理更加复杂 ， 巷道围岩呈 现明 显 的 持 续 变 形 特 性 ，而 且 当 开 采 深 度 ≥1 0 0 0 m时 ， 底鼓对巷道变形贡献 比例加大 ， 为了 实现超深部巷道稳定 ， 必须对底板进行必要的处 理， 文献[ 1 ] 研究结果对底板控制措施及其对巷 道稳定的影响作了较好的试验和分析。 1 开采深度对底鼓 的影响及机理 1 ． 1 开采深度对底鼓的影响 国内外深部开采的实践表明， 开采深度为8 0 0～ 1 0 0 0 m时， 巷道变形量可达 1 0 0 0 1 5 0 0 m l n 。 底鼓量大是深井巷道矿压显现的一个显著特 点， 根据国内外的报道， 深部开采的巷道底鼓现象 具有普遍性 。而且 ， 随开采深度增大 ， 易于产生底 鼓的巷道 比重越来越大 ， 开采深度为 6 0 0～ 8 0 0 m 的条件下 ， 产生底鼓的巷道为 2 5 ％左右 ， 开采深 度在 9 0 0 m的条件下 ， 底鼓巷 道约 占 4 0 ％ ， 开采 深度≥1 0 0 0 m的条件下 ， 底鼓巷道约 占 8 0 ％ ； 底 鼓量及其在顶底板相对位移量 中所 占的比重随开 采深度的增大而增大 见图 1 。 原西德通过对 2 0 0多条巷道的实测 ， 获得了顶 底板相对移近量 底鼓量 ， 均为占巷道原始高度 的百分数 及底鼓所占比重 ／ 的平均值 见表 1 。 观测资料还表明， 开采深度每增加 1 0 0 m， 巷道顶底 板相对移近量占巷道原始高度的百分数增加 6 ． 6 ％， 而底鼓占巷道原始高度的百分数增加 3 ． 9 ％ ，即开 采深度每增加 1 0 0 m的巷道底板移近量增量中， 底 鼓占6 0 ％， 顶板下沉占4 0 ％。 面 删 霞 蠼 匿 、 衽 世 图 1 底鼓量所 占比重与开采深度的关系 表 1 巷道顶底板相对移近量及 底鼓所 占比重 巷道类别 开采深度 u ％ 嘶 ％ u ／- ％ 开拓与准 l 0 HD O 2 2 l 8 8 2 备巷道 回采巷道 9 2 2 4 0 3 2 8 0 1 ． 2底鼓类型 从底鼓发生的机理及 表现 ， 可将底鼓分为四 种类型。当底板为破碎岩体时， 属 于挤压流动性 底鼓 ； 底板为层状岩体时， 属于挠曲褶皱性底鼓 ； 底板为完整岩体时 ， 属于剪切错动性底鼓 ； 底板为 膨胀岩体时， 属于遇水膨胀性底鼓 J 。 1 ． 3 深部巷道底鼓机理 1 高应力作用机理 。随着采深增加 ， 形成的 支承压力较大 ， 于是巷道围岩产生压缩变形、 剪切 破坏等现象 ， 引起两帮围岩 向巷道 内移近。在加 强顶板和两帮支护的情况下， 底板强度相对较弱 ， 这样两帮煤体可嵌人底板 ， 因而产生底鼓。 2 构造应力显现加剧。对于深部巷道， 构造水 平应力一般均大于 自 重应力 ， 在高水平应力作用下， ①收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 2 。 ②作 者简介 谷平军 1 9 7 3一 ， 男 ， 河北邯郸人 ， 大学毕业 ， 山西焦煤集团马兰矿从事采矿生产技术工作。 23 第 7卷第 2期 华北科技学院学报 2 0 1 0年 4月 巷道首先从支护弱面即直接底板破坏， 导致底鼓。 3 岩体强度降低。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， 巷道周边塑性 区 范围扩大。在塑性区范围内， 围岩强度降低， 围岩孔 隙率增大， 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。 4 地温增高。地温增高是矿井开采深度增 加时出现的突出问题之一 。在采深大的情况下 ， 地温达 3 0 5 O ℃ 。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。 5 水的影响。随着采深的增加 ， 岩石压力增 大 ， 当压应力大于水分子的吸着力时， 水就会被压 力从接触的矿物颗粒之间挤 出， 使得围岩 中含水 增多， 水分子可改变岩石内部颗粒问的表面能 ， 进 而加快、 加剧巷道 的变形和破坏。同时岩石遇水 后普遍有软化现象 ， 其 强度降低。对于泥质类软 岩 ， 遇水后会 出现泥化 、 崩解、 膨胀 、 破碎等现象 ， 从 而可造成围岩产生很大的塑性变形 。由于通过 裂隙流到巷道中的水 首先浸湿巷道底板 ， 水是引 发底鼓的主要环境因素。 2 支护对策分析及方案设计 2 ． 1 支 护对 策 目前支护方案设计中， 多数重视顶板和两帮的 支护 ， 底板只是采取被动修复， 没有根据巷道的实际 来采取针对性底板加固措施 。而且深部底鼓巷道岩 层多数为泥岩 、 页岩及粉砂岩， 含有较高的粘土矿 物， 除本身强度低、 易膨胀外， 在深部复杂高应力作 用下 ， 变形及对巷道整体稳定性的影响将更加明显。 因此， 巷道底板成为巷道加固体系的薄弱环节， 其表 面位移速度比顶板和两帮收敛速度大得多。 从前面分析底鼓机理的 5个因素可知 ， 在巷 道支护中， 可采用 的措施是提高 围岩强度 ， 防治 水 、 高温对其的影响 ， 实现巷道整体系统平衡控制 式支护。采用卧底 、 爆破卸压、 底板反拱 、 底板注 浆、 底板锚杆等单项措施， 只能单方面发挥作用， 而不能从根本上实现耦合效应。 因此 ， 本文采用“ 锚梁 网喷 锚索 锚 注补 强” 联合控制措 施。底角锚杆可加 固底板 围岩， 形成加固圈 ， 切断滑移线 ， 提高底板稳定性 ， 防止 底鼓。注浆锚杆还起 到注浆管的作用 ， 同时防止 围岩风化， 防止围岩被水浸湿而降低围岩的自身 强度 ， 提高围岩 的稳定性 。利用锚索调动深部围 岩强度 ， 转移 围岩变形 ， 减小围岩对底板 的作用 ， 加 固两帮增加 了巷道结构对底板 的作用面积 ， 减 小底板 比压 ， 也控制 了两帮内移 。 2 ． 2 方 案设计 1 锚杆规格及其布置 使用 4, 20 左旋螺纹钢高强度 粗尾 锚杆。锚 杆直径 2 0 I ／ l l q l ， 间排距为 7 0 0 x 7 0 0 I T I I I I ， 长度为 2 4 0 0 m r T l ， 巷道两底角锚杆与水平面夹角为 1 5 。 ， 其余 锚杆均垂直巷道表面布置。如图5 1 所示。 2 锚固方式 锚杆采用加长锚固， 采用 K ／ Z 2 3 7 0速凝树脂 药卷， 每个钻孔需 1根药卷。 3 附属构件 钢 筋 网 ． 5 l ／ i n l钢 筋 焊 制， 网 幅 9 0 0 3 0 0 0 m i l l ， 网格 1 0 01 0 0 m l n 。 顶板使用 W 钢带 B HW一2 2 03 ． 0 。 帮部采用 4 , 1 2钢筋焊接成宽度为 8 0 m m 的 梯子型梁。 4 锚索 采用预应力锚索。锚索长度结合施工实际确 定具体长度 。初步确定锚索问距布置如图 2所 示 ， 排距 2 ． 1 m， 按 “ 33 ” 布置。锚索托 梁采用 U 2 9型钢加工而成 ， 长度为 5 0 0～ 6 0 0 mm， 上面焊 接 1 5 0 mm 5 o o～ 6 0 0 m m的平钢板， 在中间位 置打一个 4, 2 0 1 1 1 1 11 的孔 ， 锁具 1个 ， 利用 3支 K ／ Z 2 3 7 0的树脂药卷加长锚固。 5 施工流程 巷道成形一初喷混凝土 5 0 m m一挂梁铺 网 临时支护一打顶部锚杆眼 安装顶部锚杆 打帮 部锚杆眼一挂梁铺 网一 安装帮锚杆一滞后迎 头 2 03 0 m打锚索眼 安装锚索一滞后迎头 5 O～ 8 0 n l 打顶帮部注浆钻孔一复喷 C 2 0厚度 9 0 m m 一打底角注浆锚杆眼一安装底角注浆锚杆一底角 锚杆注浆一帮部注浆一顶部注浆 。 表2 锚杆参数理论计算结果表 单位．“ l n l n 锚 杆 I 锚 索 长 度 顶 l 长 度 帮 直 径 l 间 排 距 I 长 度 l 锚 固 长 度 排 距 2 4 0 0 2 4 0 0 2 O f 7 0 07 0 0 l 1 o o 0 ≥2 0 x 】 2 1 0 0 ， 3 3布置 第 2期 谷平军 底鼓对深部软岩变形的影响及控制对策 图2 南部轨道下山锚杆 索 支护方案 图 3 注浆技术方案 3 现场实测结果及结论 3 ． 1 实测 结果 由于篇幅所限， 实测结果 曲线图略。与原来 巷道相比， 将巷道作为整体 ， 在支护顶 、 帮的同时 ， 加强底鼓治理后 ， 巷道底鼓量减少 1 ／ 5～1 ／ 1 1 ， 两 帮收敛量减少到 1 ／ 1 0 ， 帮顶下沉量减少 到 1 ／ 8～ 1 ／ 1 1 。通过底鼓治理， 巷道变形稳定以后 ， 底鼓速 度在 0 ． 2 m m ／ d以下。 3 ． 2 研 究结 论 1 施工时 ， 应采 用光 面爆破减少超欠挖 ， 防 止巷道周边应力集中。 2 在断面设计上 ， 要确保巷道有足够的掘进 断面， 允许巷道 围岩有一定 的变形量。 3 在支护方法上， 应采取有效措施最大限度 地提高巷道 围岩的整体性和 自稳能力 ， 这是保证 深部巷道稳定性的主要方法 。 4 指 出了围岩性态 、 岩层应力和水理作用是 引起巷道底鼓的三个主要 因素 ， 支护 中应注意封 闭围岩， 调整应力分布 ， 减小底板 比压。 参 考文献 [ 1 ] 张世斌， 张新培， 江学来 ．千米深井巷道变形 原因分析[ J ] ．建井技术， 2 0 0 0 ， 2 1 1 [ 2 ] 兰永伟， 张永吉， 等 ．深部开采条件下巷道底 鼓机理的研究[ J ] ．矿业研究与开发， 2 0 0 5 ， 2 5 1 [ 3 ] 邢福康， 等 ．煤矿支护手册[ M] ．煤炭工业出 版 社 ． 1 9 9 3 [ 4 ] 姜耀东．巷道底膨机理及其控制方法的研究 [ M] ．徐州 中国矿业大学， 1 9 9 3 [ 5 ] Wa n g We ij u n ．S t u d y o n Me c h a n i c a l P ri n c i p l e o f Re i n f o r c i ng S i de wa l l s an d Co me r s o f Ro a d wa y t o C o n t r o l F l o o r H e a v e b y A n c h o r s[ J ] ．J o u rna l o f C o a l S c i e n c e E n g i n e e ri n g C h i n a ， 2 0 0 3 ， 1 Th e I n flue n c e o f Fl o o r He a v i n g t o De e p So f t Ro c k De f o r ma t i o n a nd Co n t r o l M e a s ur e s G U P i n g j u n Ma L a n C o a l Mi n e o f S h a n X i C o k e G r o u p C o r p ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 2 0 6 Ab s t r a c t t h e d e e p r o a d w a y s u p p o r t i n g h a s b e e n o n e of t h e d e e p mi n i n g p r o b l e ms ，a n d t o o k ma n y ma i n t e n a n c e me a s u r e s t o c o n t rol t h e fl o w s u r r o u n d i n g r o c k，b u t i t a l w a y s wa s t h e d i ffic u l t t o g a i n t h e s u c c e s s f u l e f f e c t of c o n t rol l i n g d e e p b r e a k i n g ，s o f t a n d fl o w d e f o r ma t i o n r o c k ．I n t h i s p a p e r ，t h a t t h e r e i nfo r c i n g fl o o r me a n wh i l e s u p p o rt i n g r i b a n d roo f wa s p u t f o r e w o r d b y a n a l y z i n g t h e a ll k i n d s r e a s o n s of l e a d i n g t o d e f o rm a t i o n，d a ma g i n g a n d l o s i n g s t a b i l i t y ．T h e r e s ult s h o we d t h a t t h e c o n t r o l l i n g o f l a r g e d e f o rm a t i o n s u r r o u n d i n g r o c k wa s e ff e c t i v e b y t a k e r o o f ，fl o o r a n d rib a s a wh o l e t o c o n t rol ，e s p e c i all y r e i nfo r c i n g the fl o o r b y b o l t i n g a n d i n j e c t i n g ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g； r o a d w a y s u p p o r t i n g； b r e a k i n g s u rr o u n d i n g r o c k； fl o o r h e a v e me c h a n i s m