煤礦軟巖巷道底鼓控制技術(shù)研究

陳昭征

(貴州魯中礦業(yè)有限責(zé)任公司,貴州畢節(jié) 551700)

煤礦軟巖巷道底鼓控制技術(shù)研究

陳昭征

(貴州魯中礦業(yè)有限責(zé)任公司,貴州畢節(jié) 551700)

針對(duì)貴州某礦軟巖巷道底鼓問(wèn)題,首先分析巷道工程地質(zhì)條件,總結(jié)底鼓發(fā)生原因,設(shè)計(jì)了能夠有效控制軟巖巷道底鼓的支護(hù)方案,并對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,最后,通過(guò)工程實(shí)踐證明,此支護(hù)方案是有效并且可行的。

軟巖巷道 底鼓 控制技術(shù)

近年來(lái)，隨著開(kāi)采深度增加和地質(zhì)條件的惡化，底鼓問(wèn)題日益嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者[1-4]對(duì)軟巖巷道的底鼓控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了大量的成果。本文針對(duì)貴州某礦副風(fēng)井圍巖破壞嚴(yán)重、難支護(hù)的情況，首先對(duì)巷道圍巖進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)分析，并根據(jù)其分析結(jié)果進(jìn)行巷道底鼓控制方案設(shè)計(jì)，經(jīng)工程實(shí)踐證明支護(hù)方案是可行的。

1 巷道工程地質(zhì)條件

副風(fēng)井圍巖主要以泥巖、炭質(zhì)泥巖、花斑泥巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖為主，極為破碎、團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，遇水易膨脹、富滑面、易冒落，圍巖巖性較差，屬極軟巖巷道，采用錨注支護(hù)方式，該支護(hù)方式有效的控制了巷道頂幫圍巖的變形量，但錨注巷道底鼓依然很嚴(yán)重，這也是困擾副風(fēng)井巷道變形的主要因素。

2 底鼓發(fā)生原因分析

2.1 地下水

軟巖遇水后，其物理化學(xué)性能將發(fā)生變化，產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸水膨脹和崩解。如蒙脫石、高嶺土和伊利石，能將水分子吸附在晶體表面，形成水化層。水化層的楔入引起巖石的膨脹變形和膨脹應(yīng)力。巖石取樣化驗(yàn)分析，巷道底板巖層泥巖中伊/蒙混層含量高達(dá)25%～33%。由于巷道底板經(jīng)常積水，而軟弱巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，所以水很容易進(jìn)入巖體內(nèi)部，引起軟化、崩解及膨脹。

圖1 網(wǎng)格劃分及模型初始狀態(tài)

圖2

2.2 周期壓力作用

巖層在應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)容后，導(dǎo)致體積增加，必然引起軟巖孔隙率、含水量等參數(shù)的變化，使得水更容易進(jìn)入巖體內(nèi)部，引起更大程度的膨脹和軟化。

2.3 地應(yīng)力作用

副風(fēng)井位于松軟破碎巖體中，巷道周邊的圍巖破碎圈很大，兩幫的應(yīng)力增高區(qū)位于巖體深部。在應(yīng)力作用下擠壓周邊破壞巖體向巷道內(nèi)流動(dòng)形成底鼓。由于巷道采用錨注支護(hù)，使底鼓速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂幫收斂速度，從而造成強(qiáng)烈底鼓。

此外，產(chǎn)生底鼓破壞的因素很多，諸如地質(zhì)構(gòu)造影響、動(dòng)壓影響及巷道斷面大小、圍巖暴露時(shí)間長(zhǎng)短等因素有密切關(guān)系。總之，底鼓是各種應(yīng)力效應(yīng)、構(gòu)造效應(yīng)及時(shí)間效應(yīng)在井巷工程中的綜合反映。

3 底鼓控制技術(shù)及機(jī)理

3.1 底鼓處理方案

(1)巷道起底。采用起底的方法對(duì)已底鼓的巷道進(jìn)行處理，臥底深度達(dá)到500mm以上并到實(shí)底，然后，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片采用φ14舊錨桿加工，網(wǎng)孔直徑100mm。

(2)鋪設(shè)槽鋼底拱。安裝12＃槽鋼底拱，底拱長(zhǎng)度L＝4300mm，排距1000mm，槽鋼底拱必須伸進(jìn)巷道兩幫角。

打螺紋鋼錨桿固定槽鋼底拱，螺紋鋼錨桿尺寸φ20×1800mm，間排距為1000×1000mm；在兩槽鋼之間打注漿錨桿，注漿錨桿尺寸Φ21.3×1500mm，間排距為1000×1000mm。

(3)底板澆灌。注漿錨桿露出混凝土澆灌平面100mm，然后采用200＃混凝土進(jìn)行底板澆灌，澆灌厚度500mm，在進(jìn)行底板澆灌時(shí)，采用塑料布對(duì)注漿錨桿尾絲進(jìn)行保護(hù)，便于注漿時(shí)管路連接。

在巷道底板同時(shí)澆灌尺寸為300×300mm的導(dǎo)水溝。

表1 無(wú)支護(hù)巷道變形情況

表2 支護(hù)巷道變形情況

(4)注漿。最后，對(duì)注漿錨桿進(jìn)行注漿，漿液采用525＃硅酸鹽水泥，摻入0.05%的三乙醇胺和0.5%的氯化鈉，水灰比0.75：1。

3.2 支護(hù)機(jī)理分析

該支護(hù)方案是適應(yīng)軟巖巷道變形特征的先柔后鋼的底板處理方式，先通過(guò)底板錨網(wǎng)、加設(shè)底拱梁、澆灌的聯(lián)合加固原理，達(dá)到一定變形及卸壓作用，再通過(guò)注漿錨桿注漿充填圍巖裂隙，配合錨網(wǎng)、澆灌，可形成一個(gè)多層有效組合拱，從而擴(kuò)大承載范圍，提高巷道底板的整體性和承載能力，達(dá)到巷道底板圍巖的穩(wěn)定。

與巷道頂幫錨注支護(hù)形成一個(gè)支護(hù)整體，從而達(dá)到控制巷道整體圍巖變形的作用。從防治水角度分析，進(jìn)行巷道底板混凝土澆灌、注漿，并澆灌導(dǎo)水溝，使巷道淋水、積水通過(guò)導(dǎo)水溝集中排出，控制水滲入底板圍巖從而消除了底板圍巖遇水膨脹的特點(diǎn)。

4 數(shù)值模擬研究

4.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)巷道實(shí)際斷面形狀，計(jì)算選定巷道形狀為直墻半圓拱，寬4m，高4m，其中墻高2m，拱高2m，斷面積10.28m2。計(jì)算模型的水平和垂直寬度取為硐室跨度的10倍，確定模型尺寸為40m×40m×40m(x×y×z)，建模巖體結(jié)構(gòu)為塊裂結(jié)構(gòu)[5]。

模型的邊界條件為：Z方向頂面為自由面，加垂直方向的應(yīng)力為16MPa，底面Z方向位移約束；X方向左右側(cè)面加水平方向的應(yīng)力為14MPa。劃分網(wǎng)格及初始平衡狀態(tài)見(jiàn)圖1，模型由10800個(gè)單元、12111個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。

4.2 模擬結(jié)果分析

圖2(a)(b)為未支護(hù)巷道和支護(hù)巷道的垂向位移場(chǎng)，表1、2分別無(wú)支護(hù)巷道和支護(hù)巷道的變形量統(tǒng)計(jì)。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析，支護(hù)巷道相比無(wú)支護(hù)圍巖變形量明顯減小，底鼓量下降幅度為79.2%。

5 支護(hù)效果分析

自副風(fēng)井采用安裝底拱、澆灌配合錨注技術(shù)防治底鼓以來(lái)，共施工182m，根據(jù)觀測(cè)，施工過(guò)的巷道頂?shù)装寰鶡o(wú)變化，巷道底板均未出現(xiàn)底鼓、裂縫，頂幫未出現(xiàn)噴層脫落等其它變化，巷道支護(hù)完整、斷面均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。巷道淋水及滲水均通過(guò)導(dǎo)水溝集中排出，大大控制了巷道淋水及滴水滲入圍巖而導(dǎo)致巷道底鼓的不利因素。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)總結(jié)得出了引起巷道底鼓的原因：地應(yīng)力、地下水、周期來(lái)壓。(2)提出注漿充填圍巖裂隙，配合錨網(wǎng)、底拱、澆灌的多層支護(hù)方式。(3)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，此支護(hù)方式能夠減少底鼓量79.2%。(4)實(shí)踐證明，該技術(shù)能有效控制煤礦軟巖巷道底鼓，同時(shí)為解決類似條件下巷道底鼓問(wèn)題提供了依據(jù)。

[1]賈明魁,趙興東,賈安立.極軟巖巷道底鼓錨注支護(hù)控制技術(shù)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,Vol.24 No.3.

[2]何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程力學(xué)[M].北京:科學(xué)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]麥曉文,王保群.軟巖巷道關(guān)鍵部位二次組合支護(hù)技術(shù)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,18(6):590-592.

陳昭征,山東泰安人,本科,工程師,現(xiàn)供職于貴州魯中礦業(yè)有限責(zé)任公司。