淮北礦區(qū)深井巖石巷道底臌原因分析及防治措施探討

郭建彪

摘 要：就淮北礦區(qū)而言，隨著礦井開采深度的逐漸增加，巷道底臌問題也越來越嚴(yán)重，底臌也成為深部巷道破壞的主要因素，本文通過深入分析煤礦深部巷道底臌原因，提出了“底板錨桿+底板注漿+封閉式支架”底板聯(lián)合加固措施，以改善深井巖石巷道底臌防治的現(xiàn)狀，確保礦井的安全高效生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：深井巖石巷道 底臌原因分析 聯(lián)合加固措施

中圖分類號：TD263 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0153-01

目前，淮北礦區(qū)大多數(shù)礦井的開拓深度延伸到了地下800 m左右，有的礦井礦開拓深度甚至延伸到了1000 m以下，隨著開采深度的加大，礦壓明顯增大，且礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，水平地應(yīng)力較大，巖石遇水膨脹較嚴(yán)重，巖性較軟，巷道底臌日益嚴(yán)重，支護(hù)難度日益增大，嚴(yán)重影響著煤礦的安全正常生產(chǎn)。采用封閉式支架、底板注漿、底板錨桿、底板卸壓等單一的防治措施已不能有效控制巷道底臌，本文從分析深井巖石巷道底臌發(fā)生原因入手，探討巷道底臌綜合防治措施，以提高底臌的治理效果。

1 深井巖石巷道底臌原因分析

深井巖石巷道的底臌主要受底板圍巖性質(zhì)、底板所受應(yīng)力狀態(tài)、底板巖石的水理性質(zhì)、地溫、支護(hù)強(qiáng)度、巷道斷面形狀等主要因素的影響。

1.1 深部高地應(yīng)力作用

深部高應(yīng)力對巷道底臌的影響包含兩個方面：一是垂直高應(yīng)力，巖體內(nèi)開挖巷道會破壞原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)從而引起應(yīng)力重新分布，在巷道兩幫圍巖內(nèi)形成集中應(yīng)力，隨著采深增加，巷道兩幫內(nèi)的集中應(yīng)力隨之增大。垂直集中應(yīng)力由兩幫圍巖傳遞至底板巖層，在垂直應(yīng)力的作用下產(chǎn)生水平應(yīng)力，擠壓底板巖石，使之發(fā)生塑性流動，進(jìn)而出現(xiàn)底臌；二是水平構(gòu)造應(yīng)力，對于深部巖體，構(gòu)造應(yīng)力普遍超過垂直應(yīng)力，實(shí)測表明，構(gòu)造水平應(yīng)力一般比垂直應(yīng)力大0.5～5.5倍。軟弱底板巖石在較大水平構(gòu)造應(yīng)力的擠壓作用下容易產(chǎn)生底臌。由以上分析可知，較高的垂直應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力均可以導(dǎo)致底臌發(fā)生，因此，深部高應(yīng)力是底臌發(fā)生的一個重要因素。

1.2 深部高地溫作用

高地溫也是深井巷道底臌的一個主要原因。經(jīng)測量研究，淮北礦區(qū)地溫梯度范圍介于1.50～3.80 ℃/100 m，平均地溫梯度約為2.65 ℃/100 m，淮北礦區(qū)的恒溫帶深度和溫度分別約為30 m和17 ℃。根據(jù)地溫與深度的線性關(guān)系式：t=0.0265H+17可知淮北礦區(qū)600～1000 m深度的巖層溫度約為33 ℃～45 ℃。在高溫環(huán)境下，巖石會從脆性向塑性轉(zhuǎn)化，圍巖產(chǎn)生塑性變形，溫度升高還會使巖石的礦物顆粒和膠結(jié)物發(fā)生膨脹，礦物脫水增大巖石空隙，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低，在加上深部高應(yīng)力的作用容易使底板產(chǎn)生底臌。

1.3 水理作用

水對底板巖石的影響主要有：一是水對巖石有軟化作用，巖石浸水后強(qiáng)度會顯著降低，浸水時間越長，其強(qiáng)度降低越大，使巷道底板更容易破壞；二是水會使巖體產(chǎn)生膨脹甚至崩解，如含有大量粘土礦物（如水云母、高嶺土、蒙脫石、泥質(zhì)巖等）的軟巖遇水后容易發(fā)生膨脹和崩解，出現(xiàn)巖體擴(kuò)容現(xiàn)象，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使巷道底板巖石變形加劇，導(dǎo)致底臌。由以上分析可以看出水是引發(fā)巷道底鼓的主要環(huán)境因素。

1.4 巷道底板巖性狀態(tài)

巷道底板巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、礦物成分及軟弱程度對巷道底臌起決定性作用。結(jié)構(gòu)狀態(tài)對巷道底臌類別起著決定作用，比如膨脹性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、剪切錯動性底鼓和擠壓流動性底鼓等；組成巖石礦物的成分決定著巖石強(qiáng)度的大小，而底板巖層軟弱程度又決定著巷道底臌量的多少。

1.5 時間效應(yīng)

由于巖石具有流變性，服務(wù)年限較長的軟巖巷道，流變將會引起巷道底板巖層強(qiáng)度的降低和底臌量的增加，因此，要考慮時間對巷道底臌的影響。由于軟巖抗剪強(qiáng)度τ、內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ都是時間的函數(shù)，則莫爾—庫倫準(zhǔn)則：

，

依據(jù)上式可以計(jì)算出某一時刻巷道底板的破壞范圍和底臌量。由以上分析可知，隨著巷道使用時間的延長，巷道底臌的范圍和底臌量都會隨時間增加。

2 巷道底鼓的防治措施探討

根據(jù)以上底臌原因分析可知，淮北礦區(qū)深部巷道受到高構(gòu)造應(yīng)力、非均質(zhì)圍巖、泥質(zhì)巖性和受水的影響顯著等復(fù)雜地質(zhì)條件和多因素綜合作用，實(shí)踐證明采用單一的底臌防治措施已不能有效控制巷道底臌。為了更有效地控制巷道底臌，可以通過“底板錨桿+底板注漿+封閉式支架”聯(lián)合加固支護(hù)措施進(jìn)行巷道底臌治理。

2.1 底板錨桿作用分析

底板錨桿可以把底板淺部不穩(wěn)定巖層與深部堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層錨固在一起，使巷道底板巖層形成組合巖梁，增加了底板巖層的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度；底板錨桿還可以對底板巖層施加預(yù)應(yīng)力和摩擦力，提高底板巖層的自承能力，減少底板破碎程度。實(shí)踐表明，底板錨桿可以在很大程度上加固軟弱底板，增強(qiáng)底板巖層的抗彎能力和抗剪能力，能夠阻止底板向巷道內(nèi)移動，有效限制底板巖層鼓起。

2.2 底板注漿作用分析

當(dāng)?shù)装鍘r層較為破碎時，向底板注入配制好的漿液，可以起到以下幾個方面的作用：一是可以提高巖體強(qiáng)度。漿液充填到巖體裂隙中，提高了裂隙和弱面的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力C，提高了底板巖層的整體穩(wěn)定性；二是底板注漿可以使破裂松散巖塊重新膠結(jié)成整體，增強(qiáng)了底板巖層的自穩(wěn)能力，形成承載結(jié)構(gòu)；三是底板注漿可以改善底板巖層的賦存環(huán)境，漿液充填固結(jié)封閉巖層空隙，有效阻止了水和氣體的侵蝕，使圍巖力學(xué)性質(zhì)保持穩(wěn)定。

2.3 封閉式支架作用分析

目前，常用的封閉式可縮性支架有馬蹄形、方形、圓形和環(huán)形。封閉式支架底梁對底板巖層施加支護(hù)反力，改變了底板附近巖層的受力狀態(tài)，使底板巖層由雙向受壓狀態(tài)變?yōu)槿蚴軌籂顟B(tài)，增加了底板巖層的強(qiáng)度，抑制了底板彎曲變形的產(chǎn)生，有效控制了底板巖層向巷道空間移動。

2.4 “底板錨桿+底板注漿+封閉式支架”聯(lián)合加固作用分析

“底板錨桿+底板注漿+封閉式支架”聯(lián)合加固措施，綜合了以上三個單一的加固措施的作用和優(yōu)點(diǎn)，比單一的加固措施可以在很大程度上提高底板巖層的強(qiáng)度，能夠更加有效地控制底板巖層的變形、破壞以及底臌的發(fā)生。

3 結(jié)論

（1）深入分析了淮北礦區(qū)深井巖石巷道底臌的原因，主要是受到高應(yīng)力、高地溫、水、圍巖性質(zhì)和時間的影響。

（2）通過分析巷道底臌原因，提出了“底板錨桿+底板注漿+封閉式支架”聯(lián)合加固防治巷道底臌的措施，對淮北礦區(qū)底臌防治有一定的理借鑒意義。

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