浅析深部软岩巷道底鼓机理及控制技术.pdf

l 2 6 科技 论坛 浅析深部软岩巷道底鼓机理及控制技术 左 超 安徽理 工大学 煤矿安全 高效开采省部 共建教 育部重点 实验室 ， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘要 进入深部开采阶段 ， 面对日益严重的软岩巷道底鼓问题 ， 本文从巷道底鼓产生机理和底鼓的破坏程度两个方面对巷道底鼓 进行了分类， 分析了巷道底鼓的影响因素， 并在此基础上总结了深部软岩巷道底鼓控制的防治措施。工程实践表明 采用联合支护加固的 方法， 能有效控制巷道底鼓。 关键词 深部开采 ； 巷道底鼓 ； 底鼓机理 ； 防治措施 目前， 我国煤矿开采深度逐渐增加， 预计未来很多煤矿将转为 千米深井。煤矿在深部开采时， 地质环境复杂， 在多场、 多相耦合作 用下， 深部巷道支护特别是深部软岩巷道支护更加困难 ， 巷道底鼓 现象尤为突出 。巷道底板稳定性更加难以控制， 强烈的底鼓不仅 带来大量的维修工作， 增加维护费用 ， 而且底板大量变形经常导致 巷道两帮及顶板变形， 从而使整个巷道失稳 ， 给安全生产带来严重 威胁嘲 。 因此， 在深部软岩巷道的底鼓防治研究对深部矿井的安全生 产有着重要的影响和意义。 本文在对深部软岩巷道底鼓的产生机理及底鼓类型进行总结 的基础上， 对巷道底鼓防治方法进行研究 ， 并通过工程实例对综合 性加固法的底鼓控制方法进行实验。 1巷道底鼓的类型 1 ． 1 按巷道底鼓产生机理分类。 由于巷道地质条件、 围岩性质和 应力状态的不同， 巷道底鼓产生的机理也不同， 底鼓主要分为挤压 流动性底鼓、 挠曲褶皱性底鼓 、 剪切错动性底鼓和遇水膨胀性底鼓 4类。不同类型的巷道底鼓， 都有各自不同的特征。 1 ． 1 ． 1 挤压流动性底鼓。此类底鼓常发生于软弱破碎底板 如 煤、 粘土岩等 ， 两帮及顶板强度远大于底板岩体强度， 底板受到严 重挤压形成挤压流动性底鼓 ， 如图 1 a 。 1 ． 1 ． 2 挠曲褶皱性底鼓。 此类 底鼓是在平行于层理方向的压力作用下， 底板岩层向巷道内部挠曲 褶皱使底板岩体失稳产生的， 如图 1 b 。底板岩层分层越薄， 巷道越 宽， 底鼓量也越大。1 ． 1 ． 3剪切错动性底鼓。巷道直接底板为厚层岩 体， 在高应力作用下， 底板受剪切作用发生破坏 ， 底板岩层由于剪切 破坏出现楔块体， 相互错动的楔块体造成巷道底鼓， 如图 1 f c 1 。1 ． 1 ． 4 遇水膨胀性底鼓。通常， 含有蒙脱石、 伊利石等的粘土岩层浸水后 ， 岩石强度弱化 ， 同时便随体积的急剧增大。 在井下生产中， 膨胀岩底 板遇水会迅速膨胀 。 形成膨胀性底鼓。 1 ． 2按巷道底鼓破坏程度分类。 根据巷道底鼓的破坏程度， 巷道 底鼓可分为以下 4 类 1 ． 2 ． I 轻微底鼓， 底鼓量为 1 0 0 2 0 0 m m， 巷道两帮基本没有移 动变形， 底板出现微小裂痕， 顶板局部开裂， 底板轨道有轻微鼓偏 ， 断面收缩量小， 巷道底鼓不严重， 不影响正常使用， 如图 2 a 】 。1 ． 2 ． 2 明显底鼓 ， 底鼓量为 2 0 0～3 0 0 m m， 巷道底鼓现象明显， 底鼓速度增 加， 3 4天底鼓量可达 2 0～5 0 m m。 巷道两帮发生内移变形， 顶板下 沉 ， 巷道底板起鼓， 轨道偏斜， 水沟被挤， 喷层开裂， 需要及时进行巷 道维护， 如图 2 0 。1 ． 2 ． 3 严重底鼓， 底鼓量为 3 0 05 0 0 mm， 底鼓速 度迅速增大， 一昼夜的底鼓量可达 5 0～l O O m m， 底鼓持续时间长， 巷 道两帮移近量增大， 顶板下沉、 开裂， 枕木鼓歪、 鼓断， 轨面鼓偏， 水 沟挤坏， 巷道喷层裂缝较大， 严重影响煤矿的安全生产， 必须及时进 行翻修 、 扩修处理 ， 如图 2 c 。1 ． 2 ． 4破坏性底鼓 ， 底鼓量达 5 0 0～ 8 0 0 tu r n ， 底鼓发展迅速 ， 对巷道两帮、 顶板及底板结构的稳定性破坏 极大 ， 一昼夜的底鼓量可达 2 0 0 ～ 3 0 0 m m 。此类底鼓现象极其严重 ， 巷道两帮岩石开裂 、 片帮、 内移 ， 顶板破裂 、 下沉 ， 底鼓持续时间较 长， 严重时可使巷道垮落并处于半封闭状态， 无法正常行人和通风 ， 必须进行彻底翻修和加强支护， 如图2 a 。 2巷道底鼓的影响因素 巷道底鼓的影响因素众多， 其中底板岩性 、 应力状态及地质条 件 水理作用 是造成底鼓的主要因素 ， 支护强度和巷道断面形状对 c 严重底鼓 d 破坏性底鼓 图 2巷道破坏分类及 其示意 图 巷道底鼓的形成与发展有一定的影响。 2 ． 1 底板岩性。巷道底板岩性对巷道底鼓的形成起决定性的作 用。 2 ． 1 ． 1 巷道底板岩层的薄厚以及破碎程度等不同的地质条件 ， 形 成了如 1 ． 1 所述的巷道底鼓的类型。2 ． 1 ． 2巷道为软弱底板岩层时， 其强度远远小于底板深部完整岩层及两帮围岩的强度， 在力的作用 下， 底板软弱岩层的变形随着时间的增长而不断增大， 故巷道底板 岩层的软弱程度在一定意义上决定了巷道底鼓的严重程度。2 ． 1 ． 3 作者简介 左超 1 9 9 0 一 ， 男， 河北石家庄人， 安徽理工大学采矿工程专业在读硕士研究生。 科 技论 坛 1 2 7 在一定的厚度范围内， 巷道底板软弱岩层的厚度越大， 巷道底鼓量 和底鼓速度越大 ， 底鼓也越严重， 故巷道底板软弱岩层的厚度也是 引起底鼓的重要因素。 2 ． 2 应力状态。 开采深度不断增加， 巷道围岩垂直应力及水平应 力也随之增加， 但在巷道底板处会出现垂直应力降低区和水平应力 集中区， 水平应力会加速巷道底板围岩的塑性破坏， 底板围岩在浅 部首先出现塑性破坏区， 然后不断向底板深部围岩扩展变化， 随着 水平应力的增加 ， 巷道底板塑性破坏区面积将持续增大 ， 加之软岩 本身的蠕变性能， 在水平应力作用下巷道底板已经破坏的围岩将向 巷道内部移动， 导致底鼓。 随着巷道埋深的不断增大， 巷道发生底鼓 的可能性越大， 底鼓的严重性相应加重。 2 ． 3水理作用。 煤矿开采过程中， 巷道底板不可避免的会存有积 水 ， 底板岩石遇水后强度会出现不同程度的减弱， 水的存在会加重 底鼓的变形， 具体如表 1 所示。 3巷道底鼓的控制 巷道底鼓的控制技术， 主要分为预防和治理两类。为保证巷道 围岩稳定， 保护底板岩层， 应当坚持预防为主、 治理为辅、 防治结合 的理念。常见的底鼓预防措施主要有以下三种。 3 ． 1 加固法， 通过提高巷道底板的岩石强度及其支护强度 ， 实现 巷道底鼓的控制 ， 是目前最常用的底鼓治理方法。 采用底板锚杆、 底板注浆 、 底板锚注及反拱支护的方法增强底 板围岩强度 ； 采用砌筑底拱、 砌喧、 全封闭式巷道支架、 底板衍架等 方法提高巷道底板支护强度 ； 采用锚网全封闭混凝土、 喷网全封闭 金属可缩性支架 、 全封闭锚喷等联合支护方式来控制底鼓； 地质条 件复杂的情况下 ， 可同时采用以上多种防治方法对底鼓进行综合性 治理。 3 ． 2卸压法，是将巷道围岩的应力向深部转移来达到控制底鼓 的目的， 是一种广泛使用的底鼓治理方法。 对于应力集中较显著的底鼓类型， 采用松动爆破或在底板中心 打卸压孔或卸压槽的方式进行底鼓治理 ； 对挠曲褶皱型底鼓采用切 缝卸压的方式进行治理； 另外， 可通过刚柔层卸压技术 ， 即在一次支 护与二衬之间进行可压缩支护或充填柔性层 ， 使其刚度匹配， 完成 卸压， 进行底鼓治理。 3 ． 3 联合法， 是加固法和卸压法的综合 ， 最大限度的进行巷道底 鼓治理。加固措施提高巷道顶 、 底、 两帮围岩的承载能力， 卸压措施 可实现围岩应力的深部转移， 减小巷道围岩应力。此方法适用于应 力集中较大、 底鼓较严重的巷道。 4 工程实例 淮北矿业集团杨柳煤矿 1 0 4采区主采煤层为 l 0煤， 1 041 6机 巷标高 一 7 4 6 ． 4一 7 3 9 m， 巷道围岩岩性以中、 细粒砂岩为主 ， 泥岩、 粉砂岩次之。砂岩呈灰 一灰白色 ， 成份以石英长石为主， 钙泥质胶 结 ， 层理较发育， 赋水性较小。巷道净宽 5 0 0 0 mm、 净高 4 0 0 0 mm。巷 道采用锚网喷支护， 由于受工作面采动影响， 围岩体强度明显降低， 造成巷道底鼓严重 ， 巷道顶板下沉量达 2 9 6 mm， 底鼓量达 1 9 7 mm ， 巷道断面收缩量大， 变形严重， 影响正常生产。 根据 1 041 6 机巷受到动压影响、应力大及围岩破碎的特点， 采 用以锚网为核心的架棚、 注浆、 锚网、 喷浆联合支护加固的方案 ， 对 巷道围岩进行加强支护。锚喷支护施工紧跟实施点 ，锚杆规格 G Q M2 4 一 q b 2 2 m m3 0 0 0 mm高 强锚 杆 ，全断面共 1 3根 ，株距 8 0 0 mm， 排距 8 0 0 mm， 与支护锚杆配套使用金属网采用 6 ．5 m m圆 钢制作 ， 金属网规格 2 5 0 0X9 0 0 mm， 网格间距 1 0 0X l O O mm。 通过对巷道起底、 刷帮， 并进行上述加强支护后 ， 对巷道底鼓量 及两帮变形量进行观测， 如图 3 所示 ， 对机巷布设 5 个测站 ， 每个测 站相距 1 0 m。图4为 l 测站的观测结果， 可知， 从观测之 日起 1 5 d 之内，底鼓量约达到 8 9 mm，巷道底鼓速率逐渐减小 ；观测时间 1 5～ 3 0 d之间， 底鼓量为 9 1 mm， 并基本保持不变 ， 底鼓速率趋于稳 定。说明采用架棚、 注浆 、 锚网、 喷浆联合支护加固方案提高了底板 岩层的整体性和承载能力， 巷道底鼓得到有效控制。 5 结论 5 ． 1 在深部开采中， 巷道的底鼓问题将 日益严重， 根据底鼓产生 ] 图 3巷道测站布置示意图 图4 1 测站巷道围岩变形 表 1底鼓的水理作用 』 苠 板以伊开 陌、 蒙脱石等粘土 矿 主 底板以伊蒙混 层和蒙脱石等 粘土旷物为主 水浸入底甑岩 层，岩体发生 境镑 型 、泥化、崩解， 使底扳 岩体 强度丧失， 产生弧状哟筑 最终导 致 挤匿．瀚 撒 水浸入 巷道崤皈 表蟊 并 堵体的裂隙为 豇 重 掺 入 扁瞌 -琏 舀 弧 使围岩强窗喊弱体恻彭 I} 长 ’ 裂隙 进_步 l扩大， 导致巷造 枣 损 嘭 I 张 蔚 皱 机理， 巷道底鼓可分为挤压流动性底鼓、 挠曲褶皱性底鼓、 剪切错动 性底鼓和遇水膨胀性底鼓 4类； 根据底鼓破坏程度 ， 巷道底鼓可分 为轻微底鼓、 明显底鼓、 严重底鼓和破坏性底鼓 4类。 5 ． 2由于巷道底鼓的原因各异，所以对巷道底鼓坚持 “ 主次先 后” 的原则 ， 以预防为主、 治理为辅、 防治结合的理念， 对巷道底鼓采 用针对性的防治措施进行治理，同时加强巷道围岩变形的监测反 馈。 5 ． 3采用架棚、 注浆、 锚网、 喷浆联合支护加固方案对杨柳煤矿 1 0 4 1 6机巷进行底鼓防治， 有效控制巷道围岩变形量 ， 巷道底鼓量 达 9 1 mm， 巷道底鼓治理效果显著。 参考文献 【 1 ] 何满潮， 张国锋， 王桂莲等． 深部煤巷底臌控制机制及应用研究【 J 】 ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 9 ． 2 8 S 1 2 5 9 3 2 5 9 8 ． 【 2 ] 柏建彪， 李文峰， 王襄禹等． 采动巷道底鼓机理与控制技术【 J ] ． 采矿 与安全工程学报， 2 0 1 1 ， 2 8 1 1 - 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