专题-深部软岩巷道底鼓治理技术分析.doc

1、专题部分第111页深部软岩巷道底鼓治理技术分析摘要：底鼓是煤矿巷道中经常发生的动力现象，巷道底鼓使巷道断面缩小，阻碍运输，通风和人员行走，因底鼓造成巷道报废的现象时有发生。随着采深的增加和机械化程度的提高，所需巷道断面的增大，底鼓问题将更为突出，严重影响和威胁安全生产。本文在综述国内外关于底鼓原因和防治研究成果的基础上，分析了深部软岩巷道底鼓的机理，并提出了相应的控制技术措施，有效地解决复杂条件下软岩巷道的底鼓问题。关键词：深井；软岩巷道；底鼓机理；底鼓治理；力学分析1 绪论1.1研究意义资料表明，在我国的经济建设中95%的能源和80%以上的工业原料均源自矿产资源，目前煤矿开采深度以每年812

2、m的速度增加，东部矿井正以每10年100250m的速度发展。预计在未来20年很多煤矿将进入到1000m到1500m的深度，而随着开采垂直深度的增加，就不得不面对一个难题-软岩，软岩问题从20世纪60年代就作为世界性难题被提了出来，特别是煤矿软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一，而深井特殊条件下软岩巷道底鼓治理研究将是一个重要的研究课题。软岩是诱发巷道底鼓的主要因素之一。巷道由于掘进或回采影响引起其围岩的应力状态和围岩性质发生变化，使顶底板和两帮岩体发生变形并向巷道内位移，底板岩体向巷道内位移为底鼓。底鼓现象是巷道围岩稳定性课题中的特殊问题，近年来随着煤炭资源的井下开采深度越来越大，软

3、岩巷道的大变形、大地压、难支护的工程问题日趋严重，底鼓是软岩巷道矿压显现的主要特征。在对底板不支护的情况下，巷道顶底板移进量中约有2/33/4是由底鼓造成的。底鼓导致巷道断面缩小，阻碍运输和人员行走，妨碍通风，许多矿井不得不投入大量人力、物力做一些临时处理工作，底鼓严重矿井，造成整个巷道报废，严重影响了矿山的生产和安全。近年来，国内外许多专家学者对煤矿巷道底鼓机理和控制技术作了大量的研究工作，取得了一大批重要的研究成果，提出了许多底鼓控制实用技术。但仍存在很多问题有待解决。为了解决深部软岩巷道底鼓问题，本文对巷道底板岩石进行了室内实验，建立了力学分析模型，研究特殊使用条件下的软岩巷道底鼓问题及

4、治理方法，为进一步开展软岩巷道底鼓机理及防治研究工作奠定了基础，提供了参考依据。1.2国内外研究概况1.2.1软岩巷道底鼓产生的原因为了控制软岩巷道底鼓，就产生底鼓的原因，国内外近来对软岩的物理、水理力学性质、产生巷道变形与底鼓的力学机制及控制底鼓的技术措施开展了大量的研究工作，取得了一大批理论和技术应用成果。近年来随着矿井开采深度不断加大，底鼓现象己成为软岩巷道与弱结构巷道围岩变形和破坏的主要特征与形式之一。针对底鼓的机理与防治对策，国内外开展了广泛的研究，发表了许多论著。其研究工作从岩层的性质着手，借助于多种手段，研究了软弱岩层的矿物成分及微结构特征，初步论述了软弱岩层的物理性质与强度和变

5、形的关系。分析了软弱岩层遇水软化、崩解、鼓胀的机理以及水理性质对软弱岩层力学参数的影响。在力学性质方面，研究了软弱岩层受力后表现出来的弹塑性、扩容性及流变性等力学特性。底板岩层的结构状态（如破碎结构、薄层结构、厚层结构等）、软弱程度及软弱岩层的厚度直接决定着巷道底板发生底鼓的大小及底鼓形态。当底板处于软弱的泥岩、页岩或断层破碎带中时，由于岩体强度低、吸水率高、裂隙发育，其自身稳定性和承载能力较差，在地应力作用极易产生底鼓，造成底板失稳。底板含水会减小岩层节理以及节理与裂隙间的摩擦力，形成岩层滑移面，致使致密岩层分成薄层，岩体结构变松散，在地层应力作用下，底板易发生底鼓。岩体一般都具有一定的吸水

6、率，长期接触水后会加速岩石的软化度，降低岩层的强度，当巷道底板为含蒙脱石、高岭石、伊利石等膨胀性粘土矿物时，浸水会发生岩层泥化、崩解、破裂现象，最终膨胀破坏。1.2.2软岩巷道底鼓机理研究前苏联在底鼓机理方面的研究取得了较多的成果，秦巴列维奇几JI.M.认为底鼓现象的力学本质与松散土体在两个压模传给底板的荷重作用下压出的现象是一样的，并应用极限平衡理论计算底鼓岩层作用在巷道支架上的压力。兹包尔什奇克M.JI.等认为巷道底板岩层突然鼓起是由于底板中塑性层对下部岩层移动的阻力以及底板岩层暴露的面积与周长的比例急剧变化时岩层储存的弹性能释放的结果造成的。利特维斯基r.r.在研究准备巷道底鼓机理过程中

7、，提出了一个判别岩层破坏的局部性破坏准则（该准则将巷道周边的应力图与岩层强度图进行比较，以此确定巷道周边的稳定地段、极限地段及不稳定地段）。切尔尼亚克利用数理统计法对大量实测数据进行了分析，得出了预测巷道底鼓的经验公式。德国的奥顿哥特M.运用相似材料模拟实验研究了巷道底鼓的全过程，他认为巷道岩层的破坏顺序为：首先是两帮岩层由于垂直应力作用被压裂，之后是巷道顶底板由于水平应力的作用向巷道内鼓出，其中较先破坏的是直接底板岩层。美国的K.HARARM把底板岩层看作两端固支的岩梁进行分析，讨论了底板岩层的应力状态及稳定性。A.Afrouz指出，引起巷道底鼓的因素主要有三种，即：底板为松软岩层；巷道围岩

8、中存在较高的岩层应力和水理作用。D.J.Rockway通过对巷道底鼓现象的调查认为巷道底鼓主要取决于底板表面以下至少6m后的岩层的性质。康红普认为：底板岩层挠曲引起的底鼓量占总底鼓量的67%，底板岩层弹塑性位移和扩容位移产生的底鼓分别是总底鼓量的11.8%和11.2%，认为底鼓的原因在于失稳的底板岩层向巷道内压曲、偏应力作用下的扩容、岩石自身的遇水膨胀。曲永新则认为底板泥岩遇水膨胀是隧道底鼓的本质。姜耀东、陆士良根据巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态的差异、底板岩层鼓入巷道的方式将底鼓分为4类:（l）挤压流动性底鼓;（2）挠曲褶皱性底鼓;（3）遇水膨胀性底鼓;（4）剪切错动性底鼓。贺永

9、年、何亚男通过对茂名矿区软岩巷道变形的实测和研究认为，茂名矿区的底鼓变形全过程是：由两帮岩柱传递顶板压力开始，两帮围岩在挤压底板的同时一起下沉，底板在严重挤压变形的情况下发生断裂，然后底板隆起。侯朝炯、马念杰通过对回采巷道底板的受力变形分析，认为回采巷道底板位移分为两个阶段：（1）第一阶段不受采动影响时，巷道底板浅部岩层缓慢向上运动，2m以下的岩层位移基本为零，说明回采巷道不受采动影响时底板主要发生向上的移动，与一般基本巷道围岩位移有一致的规律性。（2）第二阶段随着采煤工作面的推进，通过煤帮作用到巷道底板上的应力迅速增加，致使底板表面附近浅部围岩发生严重塑性破坏，出现强烈底鼓。深部围岩出现不同

10、程度的下沉，离工作面越近下沉越显著。潘一山等借助有限单元法和相似材料模拟实验研究了巷道底鼓的时间效应及软岩遇水膨胀引起的底鼓。认为大量底鼓的岩石来源由三部分组成:巷道底板下一定范围内的岩石、两帮下部底板岩石和两帮围岩，并建立了底板岩层渗水膨胀软化模型。在软岩的膨胀力学机制方面，Norrish、日本的褚须腾俊男、我国学者曲永新、罗鸿禧、于双忠、谭罗荣、高国瑞、陈宗基、何满潮、陆家梁等对软岩的膨胀性作了大量实验和理论研究，并分析了软岩的膨胀力学机制。关于巷道底板挠曲量计算也有了一些研究成果，K.HARAMY将底板看成两端固支的岩梁进行理论分析，得到一些有益的结论;利用板壳理论建立了底板的压曲微分方

11、程；还有非线性大变形连续体力学理论也已用来进行底鼓量的计算。综上所述，底鼓通常由下述的一个或多个因素引起：（l）开巷后围岩应力变化造成巷道底板岩层卸载产生弹塑性变形向巷道内鼓起；（2）巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板，使底板受水平应力作用向巷道内鼓起；（3）在上述应力作用下底板破碎后产生的体积扩大；（4）底板岩层的流变性导致底鼓量随时间延长而增加；（5）巷道底板出现拉应变和两帮下沉而导致底鼓；（6）水对底板的作用，底板中某些粘土矿物如蒙脱石等遇水后体积膨胀，并使围岩强度降低，结构松散，易崩解、破碎。1.2.3存在问题从国内外研究现状来看，软岩巷道底鼓机理及控制技术己取得了一定的成果。但由于巷道

12、围岩性质、应力状态和所处地质条件的复杂性，人们没有也不可能提出一种能解释一切底鼓的统一机理。每种底鼓机理都是基于一定条件提出的，因而都有其适应范围，不能用来解释一切底鼓。如“压模效应”理论假设巷道底板为软弱岩体，两帮为坚硬岩体，它不能解释整个巷道围岩均为软弱岩体时发生的底鼓；“挠曲效应”理论无法解释巷道底板为软弱破碎岩层的底鼓，因为软弱破碎岩层在开巷时就已受到破坏，不会产生弹塑性挠曲。对某一特定的软岩巷道来说，其围岩性质及所处的条件总会与底鼓机理的理论模型存在一些差别，其底鼓的发展过程往往有着特殊性的一面，因而只有进行具体的分析才能深入揭示底鼓的机理。目前，绝大部分底鼓控制方法较单一，尚未深入

13、研究联合加固巷道其它部位（包括底板、顶板、两帮、顶角、底角)控制底鼓技术，实际上，巷道是由两帮、顶板、底板构成的有机整体，相互之间存在受力与变形的相互影响，改变其中一部分的力学特性和应力环境，势必造成对其它部分的受力和变形。因此，底鼓控制技术如只围绕个别部位进行就难以达到理想的控制效果。目前所有的底鼓控制技术都只能适应一定的条件。如当巷道底板岩层内虽含有软弱岩层，但其下部有稳定岩层存在，而且底板锚杆可深入其中时，底板锚杆的使用效果较好；而当底板岩层节理裂隙非常发育、含有大量粘土矿物时，底板锚杆的收效甚微。因此，对一条特定的巷道来说，其底鼓控制技术必须进行具体的分析。在选择底鼓控制措施时，通常考

14、虑两个因素：底鼓控制效果和技术经济可行性，如果成本高昂，即使有着良好的底鼓控制效果也不可能在矿山广泛推广应用，如浇筑混凝土反拱。总之，任何巷道底鼓的产生都有其特殊性的一面，只有深入分析巷道底鼓产生的特定条件，才能揭示底鼓的机理，才能有效地、经济地选择底鼓控制措施。要维护软岩巷道在生产期间的安全，就必须对巷道进行支护。合理的支护，应在正确的支护理论的指导下进行。因此，支护理论是实施地下工程支护的指导思想及设计依据。软岩巷道支护一直是煤矿开采过程中十分重要的问题，随着煤矿开采向纵深发展，软岩巷道支护问题就越来越突出。目前软岩支护仍停留在经验性和工程类比阶段，工程性试验也有一些进展。1.3研究内容本

15、文主要研究内容：（l）研究试验巷道岩石物理力学性质，分析在此条件下诱发底鼓的机理。（2）结合对顾北矿典型破碎型巷道底鼓的观测，分析底鼓产生原因，对底鼓可能的变形破坏模式进行研究，并对现状进行评价。（3）在复杂组合荷载作用下，研究确保软岩巷道底板的小变形量的加固方法；完成巷道围岩与底板绞车房基础的加固设计。（4）采用地锚注浆加固的新方法对巷道底板进行治理，完成绞车机房底板加固方案设计中锚杆、锚索和注浆参数的确定及方案设计中围岩松动圈、巷道收敛、注浆参数的现场监测。（5）根据现状评价的结果设计一套综合治理方案，应用FLAC-3D数值模拟研究底鼓的应力场特征，加固对底板稳定性的影响，并对加固后底板的

16、变形发展趋势进行预测。（6）利用现场监测为工程提供反馈信息，完成软岩巷道底板加固方案的效果评价。2软岩巷道底鼓的影响因素2.1软岩巷道底鼓的特征软岩巷道底鼓是指巷道由于掘进或受回采影响引起其围岩的应力状态发生变化以及在维护过程中围岩性质的变化，使顶底板和两帮岩体变形并向巷道内移动，底板向上隆起的现象。底鼓是软岩巷道矿压显现的重要特征之一。大量井下观测表明，软岩巷道、硐室的底鼓通常具有流变性，底板岩体随时间持续地向巷道内鼓出。软岩巷道底鼓特征主要表现以下三个方面：（1）由于软岩强度比较低(或相对于地应力较小)，特别是当巷道处于软弱岩层或巷道位于断裂带、风化带附近时，由于节理裂隙发育，易受到水和风化作用的影响，导致底板岩层的稳定性极差，表现为底板岩层位移及破坏范围都比较大。（2）软岩巷道底鼓对应力的变化很敏感。在一定的地质及生产条件下，软岩巷道底鼓可能表现得并不明显。