专题-大断面动压巷道底鼓机理及治理技术.doc

1、专题部分大断面动压巷道底鼓机理及治理技术摘要:伴随着采掘深度的日益增加,巷道的底鼓问题更加严重。因为底鼓会引起支护变形,巷道也会失去稳定,影响掘进的速度,通风更加困难，运输难道增加。为了能够不影响正常作业,就不得不增加对面巷道维护的投入,从而影响矿井的成本，使成本不断增加。当前最需要解决的问题,就是要研究出巷道为什么会底鼓,进而有效的防止此类问题的放生。关键词:动压；底鼓；大断面Mechanism and control technology of large section dynamic pressure roadway floor heaveJin Guo-chenAbstract: W

2、ith the increasing of mining depth, the problem of floor heave of roadway is more serious. Because the drum will cause support deformation, the roadway will also lose stability, the impact of the speed of excavation, ventilation is more difficult, the transport is increased. In order to be able to n

3、ot affect the normal operation, we have to increase the input of the roadway maintenance, thus affecting the cost of the mine, so that the cost is increasing. The most need to solve the problem, is to work out why the roadway floor heave, and effectively prevent the release of such problems.Key word

4、s: dynamic pressure; floor heave; large section引言我国的煤炭能源开采不断向着深处发展,有一些煤矿煤炭资源枯竭开始回收煤柱,致使巷道围岩应力变化复杂,底板鼓起的问题变得十分严重,底板鼓起的现象在煤矿中已经很普遍,发生过采动影响的大断面巷道的底板鼓起问题更加严重.根据数据统计,巷道底板鼓起约占顶底板移近量的2/3 3/4,底板鼓起将会影响煤矿的运输、通风、行人,限制着煤矿的产能.在巷道两帮压模效应、原岩应力、采动支承应力、水及底板岩性等单个或多个因素综合影响下,底板岩层向巷道内部挤压、弯曲、膨胀,形成底鼓.巷道所处在的地质环境、底板岩层性质和受到应力

5、的状态各有相同,底板鼓起的方式及其机理也各有不同,基本可分为以下4种:挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、剪切错动性底鼓及膨胀性底鼓。跟据回采工作面和巷道的层位关系,受采动影响的行动啊可分为实体煤巷道、煤柱巷道、沿空巷道,在同等的环境和应力条件下,煤柱巷道的底板鼓起是最为严重的,维护费用最高，难度也最大。因此,本文对大断面动压巷道的底板鼓起问题进行研究,寻找最优、最经济、最有效的防止控制技术。1 国内外研究概况1. 1 底鼓机理研究现状为了控制和防止底板隆起的发生，近年来国内外学者对巷道底鼓进行了大量的研究和仿真，取得了相当数量的结果和现场应用效果。前苏联的 M.JI.兹包尔什奇克等认为：巷道底板

6、的岩层突然向上鼓起是由于底板中塑性层对下部移动的阻力，以及暴露的底板岩石面积与巷道断面周长的比发生变化导致岩层中的能量释放。前苏联的秦巴列维奇认为，底板鼓起的现象的本质与在两个压模传给底板对松散土体作用下压出的现象是一致的，并应用极限平衡的理论计算底板鼓起岩层作用在巷道液压支架的压力。德国的 M.奥顿哥特运用相似材料进行模拟实验对巷道底鼓的全过程进行研究。他认为巷道的岩层被压致破坏顺序为：首先是在垂直应力的作用下压裂两帮的岩层，之后是在水平应力作用下巷道顶底板向巷道内鼓起，其中直接低的岩层较先破坏。美国的 K.Haramy把底板岩层当作两端固定的岩梁进行研究分析，讨论了底板岩层的应力变化状态及

7、岩层的稳定性。Afrouz A.和 Chugh Y.P.等人研究了底板对压力的承载能力，其中，Afrouz A.指出：引起巷道底板鼓起的因素有 21 个，但一般认为主要有以下三个原因：（1）松散岩层作为底板；（2）巷道围岩中岩层的应力较高；（3）水理作用。康红普等研究得出底板鼓起机理的本质是失稳的底板岩层向巷道内挠曲和压曲、应力扩容、遇水膨胀等共同作用的结果。 Gesel M.、曲永新等认为巷道底板的泥岩遇到水，然后膨胀是隧道底板鼓起的本质原因。姜耀东、陆士良根据巷道所处的地质条件、底板围岩性质和围岩应力状态的差异、底板岩层向巷道鼓起的方式将底鼓分为 4 种：（1）挤压流动性底鼓；（2）挠曲褶

8、皱性底鼓；（3）遇水膨胀性底鼓；（4）剪切错动性底鼓。 Rockway D.J.通过对巷道底板鼓起现象的研究认为巷道底板鼓起主要是因为底板表面以下至少 6m 厚的岩层的岩性。贺永年、何亚男通过对茂名矿区软岩巷道变形的实际测量和研究认为，茂名矿区的底板鼓起的全过程是：由巷道两帮岩柱传递顶板的压力开始，巷道两帮的岩层在下沉的同时挤压底板，在岩层的挤压下巷道底板开始断裂，然后发生底板鼓起的现象。潘一山等借助相似材料模拟实验和有限单元法研究了巷道底板鼓起的时间效应和软岩遇水膨胀引起的底板鼓起，认为大量底板鼓起的岩石主要是由三种岩石组成：两帮下部底板岩石和两帮岩石、巷道底板下一定区域内的岩石，建立了底板

9、岩层渗水膨胀软化的模型。孙玉宁、周鸿超等通过对巷道底板鼓起影响原因的理论分析，得出围岩的岩石性质、地质构造和支护形式是产生底板鼓起的主要原因。柏建彪、李文峰等采用理论的分析、数值的计算、现场钻孔的窥视等方法研究分析了受到采动影响的巷道底板变形并且破坏的特征，揭示了浅部岩石鼓起、深部岩石下沉的底板鼓起的机理，进一步分析不同埋深底板岩层的位移的规律，发现了底板鼓起的特征：受采动影响的巷道的底板存在没有发生位移的点和没有发生应变的点，由这两个点将受采动影响巷道底板分为拉应变上升区、拉应变压缩区、压应变压缩区。陈宗基、李国富等人通过分析复杂的条件下的软岩巷道变形破坏的原因，指出水平的构造应力是影响巷道

10、顶底板的稳定性的主要影响原因，因此建立了巷道顶板和底板的力学模型，分析了顶板和底板形变与应力分布的特征。李宝富等人通过分析煤层巷道底板岩层的动态破坏机理，建立巷道底板岩层破断的力学模型。研究表明影响巷道底板岩层稳定性的主要因素是水平应力的大小，并提出巷道底板的水平应力的计算方法。王进学等人针对高应力破碎膨胀软岩条件下的巷道底板鼓起进行了研究，分析了巷道底板鼓起的机理，建立了复杂条件下的复合型底板鼓起的力学模型，根据动压理论推理得出了巷道底板塑性区的范围及底板压力的本构方程。罗超文、李海波、刘亚群等人利用水压制裂地应力测试方法，对某矿地应力特征进行了研究，研究表明：围岩的岩性对岩体地应力侧压系数

11、影响较大，围岩的岩性是影响围岩塑性破坏的重要因素。刘高、聂德新等人在研究高应力软岩的形成的条件、物理力学的特征的基础上，分析了高应力下的软岩巷道围岩的变形类型和破坏特征，同时研究了巷道掘进后原岩应力与应力二次分布的特点，进而探讨高应力软岩巷道围岩的变形破坏的机理。李树清、王卫军等人采用数值模拟的方法研究深部巷道围岩的应力分布与塑性破坏情况，研究中发现巷道围岩向内部发展是间歇性的出现强度弱的区域，针对这一现象指出岩石处在高应力条件下存在达到峰值后发生软化的现象。赵志强等分析了巷道围岩特质、围岩周围的应力以及水对软岩巷道围岩变形破坏的影响，提出了高阻让压、注浆加固，薄弱部位加强支护的高应力软岩巷道

12、支护对策。E.J.Sellers 和 P.Klerck等学者研究发现巷道围岩内由于有弱面和节理的存在，在巷道掘进过程中会产生大量的裂缝，这些裂缝、弱面和节理的导通就会导致围岩内部产生不连续的面，而这些不连续的面是巷道围岩断裂的主要因素之一。1.2底鼓控制技术研究现状为了有效地控制地面，大量国内外的学者进行了大量的研究和探索，并提出了大量控制的技术。（1）卸压法康红普、袁瑞甫、李志奇等人等人提出的减压方法对巷道底板控制，主要有底板切缝、松动爆破、两帮切缝、钻孔等方法。切缝包括两帮切缝和底板切缝，使底板处于应力降低区，使应力向围岩深部转移，切缝的卸压能力主要是因为切缝宽度、深度及形状等；打孔法也包

13、括两帮打孔和底板打孔，其卸压机理与切缝相似；在两帮或巷道底板进行松动爆破后，出现众许多人为造成裂隙，使深部岩体脱离与底板附近的围岩，使原处于高应力区的底板岩层卸载，将应力转移到深部围岩。（2）加固法何满潮、张建伟、康红普等人提出了提高围岩强度控制巷道底臌的螺栓，底层，底板注浆法。底板注浆加固板破碎围岩，注浆渗透到岩石缝隙之间，破岩成一个整体，在底板中形成强度比破碎的岩层更大的反拱，从而在一定的程度上阻止了下部岩石向上隆起。底板的锚杆把浅部的不稳定的岩层与其下面稳定岩层联结在一起，通过在底板安装锚杆是巷道的底板形成组合岩梁，抑制下部岩层因扩容引起的缝隙扩大及新裂隙的产生，同时也限制下部岩层向上隆

14、起，可起到一定的阻止底板向巷道内鼓起的作用。高延法、伍国军、刘玉建等人提出增加底板岩石巷道分支支持执政的鼓起，仰拱封闭支架，密封、拱等方法。封闭的脚手架，在一定程度上改变岩石附近的底板岩层的应力状态，弱化在底板岩层应力偏的作用。同时，在满足水和膨胀时，降低岩石强度损失，减少底板岩层的强度，减少了底板岩层的强度，减少了两侧的移动，因此在一定程度上防止底板发生弯曲断裂。抗底拱具有较高的抗变形能力，能有效抑制底板的膨胀变形，特别是在大位移的巷道中，具有大量的膨胀矿物成分。(3)综合法李学华、王卫军、侯朝炯采用数值计算的方法，研究了顶板强度对围岩的塑性区的影响，围岩应力分布和底鼓。结果表明：巷道顶板强

15、度增强，隧道旁压力值有助于巷道的深部移动，顶板水平应力增大，巷道底鼓量也将减少，塑性区范围明显减小。在此基础上，提出了顶板控制底板的技术。何亚男、侯朝炯等人根据巷道底板支护加固软岩巷道的作用、角度、计算机及相似材料模拟研究了巷道底鼓的不同部位围岩加固效果，证实了该方法的有效性。在柳新煤矿、黄塘岑煤矿进行工业性试验，均获得了控制巷道底板鼓起的显著效果。2受大采高采动影响底鼓机理分析大量的实验室实验和野外观测表明，由于巷道的地质条件、底板岩石性质和应力状态和底板岩石进入隧道差异和机理不同，一般可分为四类：底鼓挤压流动：二挠曲褶皱在桶底；（3）遇水膨胀底鼓；（4）剪切动态底鼓。大采工作面巷道的高应力

16、特点是垂直应力小于应力水平，而垂直应力集中系数小于水平应力集中系数，大断面动压巷道在高应力作用下发生挤压流动性底板鼓起。在矿压应力和垂直应力作用下，巷道破坏发生第一次断裂，因为整个巷道在松软破碎围岩，随后巷道围岩松动圈大，两侧的应力集中区转移到深部和底部的煤柱的底部。然后，在强烈的水平应力作用下，岩体进入隧道。 3采动巷道底鼓控制技术3.1合理布置巷道在工作面上，减少巷道围岩的应力（主要是由煤柱宽度，但对资源的浪费，或使用窄煤柱的巷道掘进）和保持围岩的整体结构（煤柱宽）是矛盾的，但周围的岩石破坏和不稳定，只要巷道内的支持方法是合理的设计，巷道围岩仍然可以保持稳定。通过设置合理的煤柱宽度，可以显著降低巷道围岩的应力，降低底板的治理难度。煤柱宽度从3米提高到6米，底鼓没有显著增加；柱从6米增加到10m，底鼓量急剧增加；煤柱宽度从10米增加到30米，底鼓的快速