專題-動(dòng)壓巷道底鼓控制技術(shù)研究

動(dòng)壓巷道底鼓控制技術(shù)研究摘要：巷道受掘進(jìn)或回采影響，常使頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體產(chǎn)生變形并向巷道內(nèi)產(chǎn)生位移。巷道底板向上隆起的現(xiàn)象稱為底鼓。在煤礦生產(chǎn)中，幾乎所有回采巷道都會(huì)出現(xiàn)不同程度的底鼓，尤其隨著近些年來煤炭開采逐漸走向深部，進(jìn)而地應(yīng)力相應(yīng)增大，巷道底鼓問題日趨突出嚴(yán)重，從而暴露出很多影向煤礦安全生產(chǎn)的問題。底鼓是煤礦井巷中常發(fā)生的一種動(dòng)力現(xiàn)象，它與圍巖的性質(zhì)、礦山壓力、開采深度及地質(zhì)構(gòu)造等直接相關(guān)。底鼓問題給深采礦井，特別是軟巖礦井的建設(shè)和生產(chǎn)的正常進(jìn)行帶來極大困難，使巷道變形、斷面變小，影響 通風(fēng)、運(yùn)輸，制約礦井安全生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：動(dòng)壓巷道 底鼓 防治 支護(hù)1.巷道底鼓的產(chǎn)生1.1巷道底鼓類型及機(jī)理1.1.1深部巷道底鼓發(fā)生的機(jī)理隨著淺部資源的逐漸減少和枯竭，地下開采陸續(xù)轉(zhuǎn)入深部開采，國內(nèi)外深部開采的實(shí)踐表明，開采深度為800l000m時(shí)，巷道變形量可達(dá)10001500mm。理論分析表明：隨開采深度增大，易于產(chǎn)生底鼓的巷道比重越來越大，深部開采的巷道變形量隨開采深度增大呈近似直線關(guān)系增大，底鼓量及其在頂?shù)装逑鄬?duì)位移量中所占的比重隨開采深度的增大而增大，見圖1、圖2 。圖1巷道變形量隨采深變化理論曲線圖2 底鼓量所占比重與開采深度關(guān)系1.1.2巷道底鼓的類型大量的現(xiàn)場觀測和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究表明，由于巷道所處的地質(zhì)條件、底板圍巖性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的差異，底板巖體鼓入巷道的方式及其機(jī)理也不同，一般可分為以下四類：1）擠壓流動(dòng)性底鼓。有些巷道直接底板為軟弱巖層，兩幫和頂板巖層結(jié)構(gòu)完整，強(qiáng)度大大高于底板的強(qiáng)度，底板軟弱巖層會(huì)因擠壓而流動(dòng)到巷道內(nèi)。如淮北蘆嶺礦二水平6號(hào)交岔點(diǎn)，巷道直接底為厚度6m、浸水后強(qiáng)度極低的粘土巖，在原巖地應(yīng)力的擠壓作用下，巷道底鼓量高達(dá)1200mm，而頂幫的收斂量只有20mm左右，屬于擠壓流動(dòng)性底鼓。其力學(xué)模型見圖3（a）2）撓曲褶皺性底鼓。當(dāng)?shù)装鍘r層為層狀巖體時(shí)，即使時(shí)中硬巖體，當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)滿足一定的條件時(shí)也可能發(fā)生底鼓。其機(jī)理是底板巖層在平行層理方向的壓應(yīng)力作用下向底板臨空方向鼓起。底板巖層的分層越薄，巷道寬度越大，所需的擠壓力越小，越易發(fā)生撓曲性底鼓，其力學(xué)模型見圖3(b)。3）遇水膨脹性底鼓。膨脹巖石是指那些與水的物理化學(xué)反應(yīng)有關(guān)并隨時(shí)間發(fā)生體積增大的巖石，主要是粘土巖，其礦物成分中含有物理化學(xué)性質(zhì)活潑的蒙脫石。由于煤礦巷道經(jīng)常積水，當(dāng)巷道底板為膨脹巖時(shí)會(huì)引起膨脹性底鼓。要完全控制由于膨脹引起的底鼓，支架必須有很高的支護(hù)阻力。若允許存在一定的底鼓量，支護(hù)阻力可顯著減少。4）剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓。當(dāng)巷道直接底板為完整巖層且厚度大于1/7巷道寬度時(shí)，在較高的巖層應(yīng)力作用下，常使底板出現(xiàn)剪切破壞，由此形式的楔塊巖體在水平應(yīng)力擠壓下產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)而使底板產(chǎn)生的鼓起稱為剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓，其力學(xué)模型見圖3(c)。1.2巷道底鼓的影響因素1）圍巖性質(zhì)：圍巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對(duì)巷道底臌起著決定性作用，底板巖石的堅(jiān)硬程度和厚度，決定著底鼓量的大小。當(dāng)圍巖中的應(yīng)力低于圍巖的強(qiáng)度時(shí)，圍巖只產(chǎn)生彈性變形而不產(chǎn)生破壞。在巷道底鼓不進(jìn)行支護(hù)底板有積水和來往車輛的震動(dòng)等因素的影響下底板巖層的破碎范圍繼續(xù)加大而巷道兩幫巖柱在上部巖石壓力作用下，促使底板巖石產(chǎn)生滑動(dòng)，擠向巷道空間。圖3巷道底鼓類型和力學(xué)模型示意圖2）地壓（圍巖應(yīng)力）：圍巖中存在高地壓是造成巷道底鼓的決定性因素，深部巷道遇到底鼓的情況比淺部巷道多，這完全是由于地壓增高所致。位于殘留礦柱下面的巷道也有底鼓的現(xiàn)象，這是因?yàn)榇嬖谥粋€(gè)高地壓帶。在地壓中，構(gòu)造應(yīng)力的基本特點(diǎn)是以水平應(yīng)力為主，具有明顯的方向性和區(qū)域性水平應(yīng)力是影響巷道底板鼓起、兩幫內(nèi)擠的主要因素。在軟巖和厚煤層中，底板巖層在水平應(yīng)力作用下與形成褶曲構(gòu)造相類似，向巷道空間鼓起。如果底板巖層呈粘塑性變形，底板巖層進(jìn)入蠕變狀態(tài)。高水平應(yīng)力是造成底板巖層破壞和強(qiáng)烈底鼓的主要原因。3）水對(duì)巖石強(qiáng)度的影響：浸水后的巷道底板往往產(chǎn)生嚴(yán)重的底鼓，主要是由于水的作用減少了巖石層理、節(jié)理和裂隙問的摩擦力，使巖石的整體連接強(qiáng)度降低，使巖體沿巖層的節(jié)理面、層理面和裂隙面形成滑移面，并將原來層間連接緊密的巖體分為很多薄層，甚至完全喪失強(qiáng)度 ，巖石中的某些礦物成分遇水產(chǎn)生膨脹。一般表現(xiàn)為3個(gè)方面：底板巖層浸水后，其強(qiáng)度降低，更容易破壞；泥質(zhì)膠結(jié)的巖層，浸水后易破碎、泥化、崩解，甚至強(qiáng)度完全喪失；當(dāng)?shù)装鍘r層中含有蒙脫石、伊利石等膨脹性巖層時(shí)，浸水后會(huì)產(chǎn)生膨脹性底鼓。因此，巷道積水的治理是控制巷道底鼓的重要環(huán)節(jié)。4）支護(hù)強(qiáng)度：一般巷道的底板處于不支護(hù)狀態(tài)，主要是因?yàn)榭偸钦J(rèn)為只要支護(hù)頂板和兩幫就安全了，底鼓無關(guān)緊要；另外錨固底板施工比較困難，出矸石工作量大一旦支護(hù)控制不住底臌 ，臥底時(shí)的工作量大。這是底鼓大于頂板下沉量的主要原因。 5）巷道的大小和形狀：特別寬大的巷道比窄巷道易發(fā)生底鼓，然而，巷道的寬度是由采礦作業(yè)而決定的。在某些情況下，特別是輔助巷道，寬度能保持在一定限度以內(nèi)，而通過增加巷道高度使橫截面保持不變。6）地溫增高：地溫增高是礦井開采深度增加時(shí)出現(xiàn)的突出問題之一。從一般地?zé)嵩鰷乜矗吭黾?00m深度，溫度增高35 ，在采深大的情況下，地溫達(dá)3050。在這樣的環(huán)境中，可出現(xiàn)兩種不利情況：高溫會(huì)促使巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)化，使圍巖產(chǎn)生塑性變形；巷道內(nèi)水氣增多，使圍巖軟化。在深部高應(yīng)力條件下，若只加強(qiáng)頂、幫的支護(hù)，就易于產(chǎn)生底鼓。2、巷道底鼓的防治2.1巷道底鼓治理的重要性目前巷道頂板下沉和兩幫內(nèi)移能控制在某種程度內(nèi)，而防治底鼓仍缺乏經(jīng)濟(jì)有效的辦法。在底板不支護(hù)的情況下，巷道頂?shù)装逡平恐屑s2/33/4是由底鼓造成的。強(qiáng)烈的巷道底鼓不僅增加大量維修工作，增大維護(hù)費(fèi)用，而且還影響礦井安全生產(chǎn)。1）煤礦巷修工作對(duì)煤礦采區(qū)工作面生產(chǎn)的影響煤礦采區(qū)工作面上、下順槽或頂板回風(fēng)巷，如果受礦山壓力的影響，井巷變形，失修嚴(yán)重，使井巷凈斷面減小，就會(huì)使采區(qū)工作面風(fēng)量減少，從而使采區(qū)工作面與瓦斯及其它有害氣體濃度增大，給采區(qū)工作面生產(chǎn)造成重大隱患。另外采區(qū)工作面風(fēng)量減少就會(huì)使采區(qū)工作面空氣溫度升高，給井下礦工生產(chǎn)帶來諸多不便，從面影響采區(qū)工作面正常生產(chǎn)。如某礦30024外段工作面上順槽巷道底鼓變形，浮煤較多，上切割口向外100多米井巷高度僅有1.1m1.5m，造成采區(qū)工作面通風(fēng)量減少，瓦斯?jié)舛冉?jīng)常超限，使該采區(qū)工作面無法正常生產(chǎn)。2）煤礦巷修工作對(duì)礦井運(yùn)輸系統(tǒng)的影響。煤礦井下主軌道巷，主皮帶巷等運(yùn)輸系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的“大動(dòng)脈”。它對(duì)保證井下材料供應(yīng)，煤炭運(yùn)輸起著重要的作用，煤礦井下軌道運(yùn)輸巷道及皮帶運(yùn)輸巷道，如果不經(jīng)常進(jìn)行維修，加強(qiáng)支護(hù)，就會(huì)出現(xiàn)巷道擠壓變形，片幫甚至冒頂?shù)榷氯锸鹿实陌l(fā)生，從而影響了煤炭生產(chǎn)，如某礦三水平主皮帶巷受30024外段工作面采動(dòng)影響，局部巷道擠壓變形嚴(yán)重，原金屬U型棚支架梁距離頂皮帶最低處僅有0.30.4m高，遇有大塊煤(矸)經(jīng)過時(shí)就會(huì)堵塞，使主皮帶無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，再加上該巷道上段錨噴支護(hù)巷道年久失修，支護(hù)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致冒頂事故經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了煤炭運(yùn)輸，制約了井下煤炭生產(chǎn)。3）煤礦巷修工作對(duì)礦井井巷中行人的影響。煤礦井下巷道受地質(zhì)條件的影響，隨著原支護(hù)服務(wù)年限的增長，支護(hù)強(qiáng)度就會(huì)大大減少，如果不及時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行維修，巷道就會(huì)出現(xiàn)片邦、脫層、掉矸甚至冒頂，給井巷中行走的人員造成威脅，對(duì)煤礦安全工作造成影響。因此，煤礦巷道維修工作的好壞直接影響著煤礦采區(qū)工作面。運(yùn)輸系統(tǒng)及井巷中行人安全，是保證煤礦安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要工程。2.2底鼓治理的方法巷道底鼓的防治措施是在巷道產(chǎn)生顯著底鼓之前，采取一些措施阻止底鼓的發(fā)生和延緩底鼓發(fā)生的時(shí)間，或在巷道產(chǎn)生底鼓顯著之后，采取一些措施減小和控制底鼓。為了保持底板巖層和整個(gè)巷道圍巖的穩(wěn)定性，應(yīng)以預(yù)防為主，治理為輔。大致來說，巷道底鼓的防治措施可分為兩個(gè)方面。一方面將巷道已底鼓的部分清除即起底。 它是現(xiàn)場應(yīng)用很廣泛的一種治理底鼓的方法，是一種消極的治理底鼓的措施在具有強(qiáng)烈底鼓趨勢的巷道中，往往需要多次起底，但并不能完全制止底鼓 ，不僅起底工程量大、費(fèi)用高，而且還影向兩幫及頂板巖層的穩(wěn)定性和礦井的正常生產(chǎn)。另一方面是采取措施消除底鼓。目前防治底鼓的措施主要從降低巷道圍巖應(yīng)力，加固圍巖或保持圍巖的強(qiáng)度這兩個(gè)方面考慮。 不同工程背景下的巷道圍巖，其力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力環(huán)境等也必然不同。雖然都有發(fā)生底鼓的現(xiàn)象，但其不穩(wěn)定的原因或其主要作用因素是不相同的。這就需要針對(duì)不同特點(diǎn)的巷道，研究其發(fā)生底鼓的機(jī)理，判斷不穩(wěn)定因素進(jìn)行底鼓的防治。2.2.1.合理的巷道布置巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力方向之間夾角不同，巷道圍巖水平應(yīng)力集中程度有很大差異。 因此，在構(gòu)造應(yīng)力影響較強(qiáng)烈的區(qū)域 ，要重視巷道布置方向，依靠正確調(diào)整巷道方向與構(gòu)造應(yīng)力方向問的關(guān)系，削減構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。從巷道圍巖控制的角度出發(fā)，布置巷道時(shí)應(yīng)重視下列問題： 在時(shí)間和空間上盡量避開采掘活動(dòng)的影響，最好將巷道布置在煤層開采后所形成的應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi)。如果不能避開采動(dòng)支承壓力的影響，應(yīng)盡量避免支承壓力疊加的強(qiáng)烈作用，或者盡量縮短支承壓力影響時(shí)間。在采礦系統(tǒng)允許的距離范圍內(nèi)，選擇穩(wěn)定的巖層或煤層布置巷道，盡量避免水與松軟膨脹巖層直接接觸。 巷道通過地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)， 巷道軸向應(yīng)盡量垂直斷層構(gòu)造帶或向、 背斜構(gòu)造。 相鄰巷道或硐室之間選擇合理的巖柱寬度。 巷道的軸線方向盡可能與構(gòu)造應(yīng)力方向平行 ， 避免與構(gòu)造 應(yīng)力方向垂直。 2.2.2.卸壓法卸壓法的實(shí)質(zhì)是采用一些人為的措施改變巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)， 使底板巖層處于應(yīng)力降低區(qū)， 從而保證底板巖層的穩(wěn)定狀態(tài)。它特別適用于控制高地應(yīng)力的巷道底鼓。 目前出現(xiàn)的卸壓法有切縫、打鉆孔、爆破及掘巷卸壓等形式。打鉆孔這種措施在技術(shù)上有很大難度，因?yàn)樵阢@孔間距很小的情況下，打直徑為 5060 ram的孔而不發(fā)生偏斜是非常不容易的。此外這種措施的卸壓范 圍比底板切縫小， 因而要考慮到鉆孔后發(fā)生底鼓的可能性。 以偃龍礦區(qū)永華一礦為例：偃龍煤田地處嵩山西麓，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，由于是典型的滑移構(gòu)造，造成煤層賦存極不穩(wěn)定，且對(duì)該地區(qū)煤系地層的煤巖物理力學(xué)性質(zhì)影響較大，表現(xiàn)為極強(qiáng)的三軟(頂板軟、煤層軟、底板軟)特性。這種狀況對(duì)永華一礦回采巷道的支護(hù)及工作面的回采造成了很大的困難?，F(xiàn)針對(duì)豫西三軟煤層巷道底鼓問題，采用正交數(shù)值試驗(yàn)方法，確定影響巷道底鼓的主次因素及水平，對(duì)底板鉆孔卸壓參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化，取得了較好的底鼓治理效果。根據(jù)永華一礦12021、12061、12081工作面掘進(jìn)和支護(hù)過程中遇到的問題，依據(jù)觀測資料分析及現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果可知，回采巷道支護(hù)具有以下特點(diǎn)：(1)煤層松軟，呈蜂窩狀分布，且煤體易風(fēng)化；煤層頂?shù)装搴艽蠓秶鷥?nèi)沒有堅(jiān)硬巖層。井下個(gè)別地段出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象，造成支架不接頂，支護(hù)效果差。由于回采巷道支護(hù)困難，造成回采工作面推進(jìn)速度慢；加上采空區(qū)頂板出水，更加劇了軟巖巷道的變形破壞。(2)巷道圍巖體屬于典型的三軟煤層，尤其是在受到外界因素作用時(shí)，圍巖巖性更差。巷道圍巖體有較強(qiáng)的蠕變特性，在掘巷初期圍巖變形進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的低速率變形階段，但隨著時(shí)間的延長，圍巖變形的速率逐漸加快，變形進(jìn)入難以控制的加速蠕變階段。回采巷道支護(hù)問題是限制永華一礦安全、高效生產(chǎn)的“瓶頸”。采用工字鋼剛性支護(hù)、U29型鋼可縮性支護(hù)等均不能有效控制圍巖的大變形。為此，提出了底板鉆孔卸壓的支護(hù)方案，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)鉆孔深度進(jìn)行優(yōu)化。為了簡化問題，采用平面應(yīng)變模型，軸向尺寸0.3 m，巷道軸向完全約束。模型水平寬60 m、高40m，巷道位于模型正中：寬度為5.0m，高度為4.0m。模型頂部施加鉛直應(yīng)力，兩側(cè)邊界施加水平應(yīng)力，底部邊界為固定約束，如圖4。頂板和兩幫采用錨桿支護(hù)，間距0.8 m，錨桿長度2.5 m， 22 mm，錨固長度1.5 m，預(yù)緊力0.08MN，桿體抗拉強(qiáng)度3725 MPa，彈性模量196 GPa，桿體抗剪強(qiáng)度2235 MPa，錨固體抗剪強(qiáng)度35 MPa，抗壓強(qiáng)度60 MPa。底板鉆孔卸壓方案定為在三軟煤層條件下，地應(yīng)力一定(鉛直應(yīng)力20MPa，水平應(yīng)力30 MPa)，卸壓鉆孔位于巷道底板中部的情況下，設(shè)計(jì)的底板卸壓優(yōu)化方案為： 無鉆孔； 卸壓鉆孔深度2.0 m； 卸壓鉆孔深度4.0 m； 卸壓鉆孔深度6.0 m。結(jié)果分析：根據(jù)數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同切面上的鉛直位移和水平位移進(jìn)行分析；分析巷道圍巖位移矢量及趨勢，進(jìn)而分析底鼓產(chǎn)生的機(jī)理；對(duì)巷道圍巖塑性范圍進(jìn)行分析，評(píng)判卸壓效果。1）切面上的位移：提取單元位移數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)分析中得到下列結(jié)果：隨著卸壓鉆孔深度的增加，頂板最大下沉量由無卸壓時(shí)43.80 mm逐漸增加到57.85mm，圍巖內(nèi)部下沉也是如此；水平位移量在巷道范圍內(nèi)比較接近，在圍巖內(nèi)部水平位移逐漸減小，但鉆孔深度越大，水平變形也越大。頂板最大水平位移由巷道中心向兩側(cè)逐漸增大，且與鉆孔深度的增加成正變關(guān)系。從巷幫向巖體內(nèi)部，水平位移逐漸減小。圖4 鉆孔泄壓平面應(yīng)變模型示意2）位移矢量：由圖5可以看出，由于底板卸壓鉆孔的存在，使底板鉛直部分位移轉(zhuǎn)化為水平位移，且隨鉆孔深度的增加，巷道底板中這種趨勢越明顯。鉆孔越深；頂板和兩幫位移向底板向卸壓鉆孔轉(zhuǎn)化的趨勢越明顯，造成其位移比無卸壓鉆孔時(shí)還要大。一因此，在底板卸壓的同時(shí)，要對(duì)巷道和兩幫加強(qiáng)支護(hù)或?qū)Φ装迨┮灾ёo(hù)，以抑制這種變形趨勢。3）破壞區(qū)。從圖6可以看出，未卸壓時(shí)，底板淺部以剪切和拉伸形式破壞為主，深部則是剪切滑移破壞；開卸壓鉆孔后，鉆孔附近以拉伸破壞為主，且破壞范圍與鉆孔深度成正變關(guān)系，卸壓后底板破壞大致沿45。角向下擴(kuò)展。頂板淺部以剪切和拉伸破壞為主，深部為剪切破壞，破壞深度與鉆孔深度成反變關(guān)系。兩幫以拉伸和剪切破壞為主，在側(cè)壓系數(shù)大于1的情況下，兩幫的破壞深度比頂?shù)装逍　?）鉆孔合理深度。根據(jù)分析，鉆孔深度越深，底板破壞范圍也就越大，巷道頂板綜合位移量也越大，因此并不是鉆孔越深越好，治理底鼓不應(yīng)單單針對(duì)底板，而應(yīng)該將頂板和幫角一起考慮 。卸壓和錨索加固同時(shí)使用時(shí)，卸壓鉆孔的深度要滿足：05BHL (B為巷道底板寬度，H為鉆孔深度， L為底板錨索長度，為錨固長度)為宜，即鉆孔深度應(yīng)大于巷道底板寬度的一半，小于錨索錨固段的作用范圍。如果錨索長度為6.0 m，錨固長度2m，巷寬5.0 m，則鉆孔深度應(yīng)介于2.54.0 m。數(shù)據(jù)分析：1）正交試驗(yàn)表明：鉛直應(yīng)力一側(cè)壓系數(shù)一卸壓鉆孔的位置及個(gè)數(shù)一卸壓鉆孔深度一圍巖性質(zhì)及組合對(duì)巷道底鼓量的影響程度逐漸減弱。在地質(zhì)環(huán)境一定的情況下，卸壓鉆孔的深度對(duì)巷道的底鼓量影響最大。2）底板鉆孔卸壓之后，巷道底鼓量大幅減少，頂板和兩幫的位移卻有一定的增長。因此，在底板卸壓時(shí)要對(duì)頂板和幫角加強(qiáng)支護(hù)。即加強(qiáng)頂板和幫角的支護(hù)，能夠減輕底鼓量3）結(jié)合具體地質(zhì)條件，研究了卸壓鉆孔的合理參數(shù)，即鉆孔直徑150300 mm，位于底板中部，鉆孔深度應(yīng)大于巷道底板寬度的一半，小于錨索錨固段的作用范圍。4）底板鉆孔卸壓要因地制宜，結(jié)合圍巖性質(zhì)、應(yīng)力環(huán)境，配合頂板、幫角加固聯(lián)合進(jìn)行。圖5 位移矢量2.2.3用錨桿或錨索加固底板底板通常是成層的 ，因而非常適合于用錨桿或錨桿加固。木錨桿一般用于巷道范圍內(nèi)的垂直鉆孔鋼錨桿則用于斜孔，錨入兩幫下面( 約與巷道兩幫成 3 54 0)的地層中。其作用在于減少巷道底板的破碎程度。這樣支護(hù)的工作原理主要有二個(gè)方面：一是將軟弱底板巖層與其下部穩(wěn)定巖層連接起來，抑制因軟弱巖層擴(kuò)容 、膨脹引起的裂隙張開及新裂 隙的產(chǎn)生 ，阻止軟弱巖層向上鼓起。其次是把幾個(gè)巖層連接在起，作為一個(gè)組合梁， 起承受彎矩的作用。此組合梁的極限抗彎強(qiáng)度比各個(gè)單一巖層的抗彎強(qiáng)度的總和大。 在各種各樣的地質(zhì)條件下所做的試驗(yàn)表明，成功地加固軟弱底板并不一定要求它具有層狀構(gòu)造，底板巖層經(jīng)過錨桿加固以后增加了抗彎強(qiáng)度。另外底板打錨桿要求底板巖層具有較好的完整性， 如果底板巖層破碎，錨桿將失去錨固作用 ， 因此在使用底板錨桿前首先要對(duì)巷道進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，巷道底板巖石對(duì)水的敏感程度也很重要， 這包括了頂板淋水和施工用水， 當(dāng)?shù)装鍘r層逞水泥化， 則要考慮用干式打眼或懸浮劑沖洗鉆孔的方法。巷道底板錨桿的形式，應(yīng)根據(jù)巷道服務(wù)年限、用途和生產(chǎn)條件選定。 底板錨桿的長度應(yīng)能穿過全部底鼓的巖層，錨桿的尾斷應(yīng)在底板以下 0.6 0.8 m， 這樣做的好處是，必要是還可以臥底。 為了充分發(fā)揮錨桿對(duì)底鼓的作用， 同時(shí)考慮到現(xiàn)場打眼的方便 ，底板錨桿應(yīng)按圖布置， 當(dāng)?shù)装鍨樯绊搸r時(shí)， 錨桿密度不應(yīng)小于 1 根m。當(dāng)巖層破碎時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大錨桿的密度，排距一般為 0.8 1.2 m， 當(dāng)?shù)装鍘r層問連結(jié)強(qiáng)度較低時(shí)， 錨桿的排距應(yīng)在 1 m 以下。 圖6 破壞區(qū)以永煤集團(tuán)永華能源一礦-70m泵房支護(hù)為例：永華能源一礦一70 m泵房位于一70 m車場東側(cè)，長30 m，巷道為矩形斷面，凈寬4 500 mm；凈高3 500 mm，擔(dān)負(fù)著12采區(qū)、22采區(qū)軌道上山及22采區(qū)膠帶上山的排水任務(wù)。泵房頂板裸噴支護(hù)，兩幫為錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿為 18 mm2 000 mm普通樹脂錨桿，每眼安裝MSK3240樹脂錨固劑3卷，錨桿間排距均為800 mm，鋼網(wǎng)為1 300 mm1 800 mm點(diǎn)焊鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土厚度為100 mm。泵房布置在石炭系太原群L1石灰?guī)r下部，由于受下部斷層的影響，泵房巖層節(jié)理裂隙發(fā)育且為立層節(jié)理面，巷道開挖后，巖層內(nèi)儲(chǔ)存的彈性能得以釋放，錨網(wǎng)噴支護(hù)形成的支護(hù)圈層滿足不了抗壓的要求，圍巖壓力由薄弱處泄出，造成底鼓與部分巷幫開裂。，巷道開掘2個(gè)月后，巷道上幫位移100350 mm，錨網(wǎng)開裂嚴(yán)重，底板鼓起700 mm。加固方案：因巖石破碎，打眼時(shí)卡鉆嚴(yán)重，錨網(wǎng)支護(hù)打眼多，實(shí)施比較困難；架棚支護(hù)，成本高。因此，先施工注漿錨桿進(jìn)行注漿，注漿充填裂隙后進(jìn)行錨索支護(hù)。1）注漿錨桿設(shè)計(jì)：巷道下幫噴射100 mm厚的C20細(xì)石混凝土，上幫根據(jù)巷道中線進(jìn)行刷幫處理。先補(bǔ)打錨桿、掛網(wǎng)(錨桿為(2j18 mm2 000 mm高強(qiáng)樹脂錨桿，每眼安裝MSK3540樹脂錨固劑3卷，錨桿間排距均為800 mm；1 300 mm1 800 mm點(diǎn)焊鋼筋網(wǎng)，鋼網(wǎng)搭接長度為100 mm，間距100mm，用14 鍍鋅鐵絲擰結(jié)牢固)，再噴射100 mm厚的細(xì)石混凝土。底板中間挖至設(shè)計(jì)地坪下1 300mm深，兩側(cè)挖至設(shè)計(jì)地坪下700 mm深的反底拱，澆筑的C20混凝土厚300 mm，形成弧形拱，上部用24 cm碎石鋪至設(shè)計(jì)地坪。注漿錨桿布置：底板、兩幫各設(shè)3根注漿錨桿，注漿錨桿所用插管為DN25的鍍鋅鋼管，長度為2 500 mm，鋼管壁厚為3 mm，注漿錨桿間排距均為2 000 mm，在注漿插管深部以里1 800 mm長度范圍內(nèi)壁相對(duì)位置上對(duì)面鉆眼，鉆眼間距為50 mm，(2j5 mm，將插管尾部50 mm切成M22細(xì)牙螺紋，用于安裝注漿閥門，插管閥門里安裝托盤，托盤外焊接管卡住托盤，阻止托盤向外移動(dòng)。托盤為鋼板加工而成，厚度為10 mm，長和寬均為300 mm，插管前部300 mm 車絲起錨固作用。注漿滲透半徑約2 m，經(jīng)過注漿可使各個(gè)注漿錨桿形成交圈，達(dá)到錨固的效果。2）錨索加固：錨注后，在泵房兩幫距底板1 000 mm處打1排錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索為d1524 mm X 6 300 mm(錨入石灰?guī)r巖層為500 mm)的鋼絞線配合鎖頭、托盤制作；其中錨索有效長度為6 000 mm，外露部分為300 mm；每孔使用8卷MSK2335的樹脂錨固劑固定，錨固力不低于200 kN根；托盤用長500 mm的工字鋼制作，并在上面鉆1個(gè)直徑不小于1524 mm的圓孔。錨索間距為1 500 mm。當(dāng)巷道按設(shè)計(jì)要求錨注支護(hù)合格以后，用MQT一130型氣動(dòng)錨索鉆機(jī)配合S19中空六方接長式錨桿和 28 mm雙翼鉆頭濕式打眼。為保證孔深準(zhǔn)確，必須在起始鉆桿上用白色或黃色油漆(或粉筆)標(biāo)出終孔位置，眼深6 000 mm，并用壓風(fēng)將眼內(nèi)的殘?jiān)祪?；用棉絲將錨索錨固段的水、煤粉等擦干凈。在高壓作用下，注入圍巖的水泥漿充填在節(jié)理構(gòu)造裂隙、松動(dòng)巖縫內(nèi)，使破碎巖石與水泥砂漿粘結(jié)在一起，提高了圍巖自身抗變形能力，起到了加固作用。在巖石未變形前，如果進(jìn)行錨注法加固，因巖石未形成裂隙，注入水泥漿量少，效果不明顯。錨注后，破碎巖石與水泥漿粘結(jié)在一起，打眼時(shí)，無卡鉆現(xiàn)象，施工容易，安全高效。如果在錨注前打眼，容易卡鉆，且錨固劑容易掉入裂隙內(nèi)，起不到錨固作用，錨固失效。此次加固巷道30 m，施工結(jié)束后，共布置6個(gè)測點(diǎn)對(duì)底板及巷幫位移量進(jìn)行觀測，每10 d觀測1次，共10次，最小位移量為8 mm，最大位移量為12 mm，為控制圍巖變形提供了依據(jù)。有些煤礦巷道變形區(qū)域厚度較小，巷道底板完整性較好，可直接用錨桿進(jìn)行支護(hù)。煤巷錨桿支護(hù)具有支護(hù)性能好、工藝簡單、節(jié)省材料、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化等特點(diǎn)， 得到國內(nèi)外同行的普遍重視。以岱莊煤礦2332工作面順槽支護(hù)為例，該巷掘進(jìn)完成后部分巷道嚴(yán)重變形，出現(xiàn)頂?shù)装逡平考哟?、底板底鼓的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了工作面的人員安全和生產(chǎn)效率。支護(hù)現(xiàn)狀：巷道斷面形狀為矩形：B荒=3.7 m ， H荒=2.7 m ， S荒= 9. 9 9 m2。B 凈=3.5 m ，H凈=2.6 m ， S凈=9.1m2采用錨網(wǎng)索支護(hù)作為永久支護(hù)，支護(hù)參數(shù)采用懸吊理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。頂部采用 18 mm等強(qiáng)度右旋全螺紋鋼式樹脂錨桿，長度2 300 mm，錨桿間排距800 mm800 mm，每排錨桿為5根，每孔用藥卷MSCK2350二塊，金屬網(wǎng)規(guī)格為3 700 mmx 900 mm，鋼帶規(guī)格為3 600 mm60 min 38 mm。兩幫采用18 mm等強(qiáng)度右旋全螺紋鋼式樹脂錨桿，長度1800 mm，錨桿間排距800 mm1 200 mm，每排錨桿為3根，每孔用藥卷MSCK2350一塊，金屬網(wǎng)采用2200 mm1300 mm，鋼帶采用2200 mm 60 m m 3.8 mm 。錨桿排列形式為矩形排列，金屬網(wǎng)由04 mm的冷撥鋼筋制作，頂網(wǎng)網(wǎng)格為50 mm50 mm，幫網(wǎng)網(wǎng)格為100 mm100 mm，兩網(wǎng)片搭接長度為100 mm。錨索沿巷道掘進(jìn)方向距中心線600 mm雙排對(duì)稱布置，排距為3 700 mm，錨索線采用O1524 mm的低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絞線截制而成，長度為4500 mm，每條錨索梁采用兩條錨索線，每孔裝入樹脂藥卷MSCK2350三支。錨索梁采用礦10 槽鋼加工制作而成，梁長為2000 mm，兩錨索孔間距為1 500 mm。存在問題：2333巷道頂?shù)装遄冃螄?yán)重，部分離層儀讀數(shù)很大，底板有底臌現(xiàn)象，有的地段頂?shù)装逡平砍^500mm。原因初步斷定為巷道頂?shù)装迨芩綉?yīng)力的作用，發(fā)生剪切破壞，而現(xiàn)有支護(hù)體系不能有效地提供約束力，具體表現(xiàn)在：1)錨桿強(qiáng)度偏低，且“三徑”匹配不合理，容易形成手套效應(yīng)；2)護(hù)表強(qiáng)度低，現(xiàn)場許多錨桿盤變形后斷裂，影響支護(hù)效果；3)現(xiàn)場所用綁軋金屬網(wǎng)網(wǎng)絲滑動(dòng)，不能滿足提高表面圍壓和自身強(qiáng)度的需要；4)現(xiàn)場許多鋼帶在開孔處斷裂。岱莊煤礦為了解決煤巷錨桿支護(hù)中存在的問題，采用的新型支護(hù)體系包括了新型的支護(hù)材料；采用了新的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。一、新型支護(hù)材料：1）岱莊煤礦采用了全螺紋等強(qiáng)錨桿，這是一種新型錨桿，其突出的優(yōu)點(diǎn)是錨桿實(shí)現(xiàn)真正等強(qiáng)，因而桿體材料強(qiáng)度利用率高，桿體延伸量大，并且能非常方便地對(duì)鎖緊螺母進(jìn)行二次預(yù)緊，從而能更好地適應(yīng)回采動(dòng)壓巷道變形量大的特點(diǎn)，有效地解決了螺紋脆斷、螺母托盤不易接頂?shù)瘸Ｒ?guī)錨桿存在的問題。實(shí)際應(yīng)用情況表明，采用普通螺紋鋼錨桿支護(hù)的煤巷在不能有效保證圍巖穩(wěn)定時(shí)，采用全螺紋等強(qiáng)錨桿支護(hù)則可以有效保證高應(yīng)力條件下煤巷的穩(wěn)定。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。表1 新型左旋連續(xù)螺紋樹脂錨桿主要技術(shù)參數(shù)表公稱直徑/mm破斷強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa延伸率安裝孔徑/mm2070050020%27282）新型鋼帶新型的U形等強(qiáng)鋼帶是針對(duì)綜放動(dòng)壓巷道、大采深巷道等復(fù)雜困難條件設(shè)計(jì)的，以帶鋼為原料，采用冷軋工藝，其強(qiáng)度提高20 左右。鋼帶的形狀采用U 形，能夠避開鉆孔，擴(kuò)大錨桿的作用范圍。鋼帶將托盤與母材固結(jié)在一起，克服了鋼帶因鉆錨桿孔產(chǎn)生的弱面和因錨桿受力在鋼帶中產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題，使鋼帶與錨桿成為統(tǒng)一的整體。3）新型高強(qiáng)度網(wǎng)片冷拔鋼絲點(diǎn)焊網(wǎng)的剛性較之普通經(jīng)緯網(wǎng)或菱形網(wǎng)有顯著提高，護(hù)頂護(hù)幫效果明顯改善，同時(shí)，由于冷拔鋼絲硬度大，不易被錨桿托盤的邊緣切斷，因而可靠性大大提高。二、新的支護(hù)設(shè)計(jì)方法采用了反饋設(shè)計(jì)法計(jì)算支護(hù)信息數(shù)據(jù)，這是一種目前在澳大利亞、美國、英國等國家煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)采用信息常用的方法。它是以對(duì)地應(yīng)力場、巷道礦壓顯現(xiàn)以及錨桿承載工況進(jìn)行實(shí)測與觀測為基礎(chǔ)，輔以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的系統(tǒng)性錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。其主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了支護(hù)機(jī)理的定性解釋與支護(hù)參數(shù)的定量確定之間的有機(jī)結(jié)合。支護(hù)設(shè)計(jì)所依據(jù)的是現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，而不是借助某種假設(shè)或簡化。現(xiàn)場實(shí)測更接近實(shí)際，因而設(shè)計(jì)結(jié)果可靠性高、針對(duì)性強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣。它是一個(gè)以實(shí)測為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程，可以吸收其他設(shè)計(jì)法的長處，而iii夠達(dá)到其他設(shè)計(jì)方法達(dá)不到的效果 。三、新支護(hù)體系下斷面的支護(hù)方式根據(jù)新型支護(hù)材料及新的支護(hù)設(shè)計(jì)方法，岱莊煤礦2333工作面采用以下支護(hù)材料和支護(hù)方式：巷道頂板采用20 mm 2 400 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距800 min800 mm，高強(qiáng)度托盤120 mm120 mm10 mm，使用每孔用藥卷MSCK2360和K2360各一塊樹脂錨固劑，并鋪設(shè)金屬焊接網(wǎng)及U 型鋼帶。巷道兩幫采用020 mm2 000 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距800 mmX800 mm，高強(qiáng)度托盤120 mm120 mm10 mm，使用每孔用藥卷MSCK2390一塊樹脂錨固劑，并鋪設(shè)金屬焊接網(wǎng)。2333軌道順槽錨索支護(hù)：錨索沿巷道掘進(jìn)方向距中心線600 mm雙排對(duì)稱布置，排距為2 400 mm，錨索線采用O1524 mm 的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線截制而成，長度為4 500 mm，每孔裝入樹脂藥卷MSCK2360三支。巷道支護(hù)斷面圖如圖7所示。圖7 巷道支護(hù)斷面圖支護(hù)效果：1）2333工作面采用新型的支護(hù)體系對(duì)工作面進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)后與原支護(hù)方式相比，巷道變形明顯變小，頂?shù)装逡平考哟?、底板底臌現(xiàn)象得到明顯改善。2）新型左旋連續(xù)螺紋樹脂錨桿有效地保證了高應(yīng)力下煤巷的穩(wěn)定，u型等強(qiáng)鋼帶克服了錨桿受力時(shí)在鋼帶中產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題，使鋼帶與錨桿成為統(tǒng)一的整體，冷拔鋼絲點(diǎn)焊網(wǎng)剛性較之普通經(jīng)緯網(wǎng)或菱形網(wǎng)有顯著提高，護(hù)頂護(hù)幫效果明顯改善。效益分析：在岱莊煤礦2333綜采工作面順槽采用新型的錨桿支護(hù)體系以后，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯增加。新型支護(hù)設(shè)計(jì)方法具有和現(xiàn)有施工工藝配套、施工速度快、安全可靠的特點(diǎn)，為煤礦回采接續(xù)和安全生產(chǎn)提供了保證。使得支護(hù)成本費(fèi)用由原來的1300元m降到1 100元m。同時(shí)節(jié)省了500元m 的巷道修復(fù)費(fèi)用。岱莊煤礦2333工作面順槽兩條巷道共計(jì)2 200 m，直接經(jīng)濟(jì)效益為：200元m2 200 m=440 000元。最主要的是避免了由于影響安全生產(chǎn)造成的隱性成本。2.2.4底板注漿底板注漿一般用于加固已破碎的巖石，提高巖層抗底鼓的能力。當(dāng)?shù)装鍘r石承受的壓力超過巖體本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生裂隙和裂縫時(shí)，應(yīng)采用注漿的辦法使底板巖層的強(qiáng)度提高，達(dá)到防治底板底鼓的目的。由于所選擇注漿的形式、 材料、 壓力和時(shí)間長短不同，巖層中的裂隙可能全部或部分被粘合，當(dāng)注漿壓力高于圍巖強(qiáng)度時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生新的裂隙并有漿液滲入。 注漿后巖層達(dá)到的結(jié)合強(qiáng)度主要取決于選擇的注漿材料： 采用聚氨酯材料 ，巖層間的結(jié)合強(qiáng)度較高，加固的效果較好，但底板潮濕時(shí)粘和強(qiáng)度較低，成本也較高注水泥漿雖然成本低， 但結(jié)合強(qiáng)度較低，所以在選擇材料時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。還應(yīng)指出，軟巖進(jìn)行底板注漿不能保證取得成效。如果將注漿和錨固結(jié)合使用，就可以使原來只適用兩者的范圍得到擴(kuò)展。注漿的作用可分為三種情況： 1）注漿只起到部分效果，即注漿后重新結(jié)合的強(qiáng)度只比巖石產(chǎn)生離層、裂隙后的殘余強(qiáng)度稍高。產(chǎn)生這種情況的主要原因是注漿壓力太低，注漿液濃度太大，或注漿鉆孔的布置不合理。底板注漿后對(duì)減少底鼓有一定的效果，但不顯著。 2）注漿后破碎的巖石全部被加固，在巖層中極為微小的裂隙也被粘和起來。注漿后巖層的結(jié)合強(qiáng)度與原始強(qiáng)度相等。在這種情況下，底板注漿起到了顯著的效果，巷道底鼓量明顯減少。 3）注進(jìn)的漿液包圍破碎的巖塊并將其粘和成一體，巖層的整體強(qiáng)度得到提高，注漿后巖層的結(jié)合強(qiáng)度高于原始的強(qiáng)度，是底板注漿最理想的情況。注漿后巖層達(dá)到的結(jié)合強(qiáng)度主要取決于選擇的注漿材料，采用聚氨酯材料，巖層問的結(jié)合強(qiáng)度較高，加固的效果較好，但底板潮濕時(shí)粘和強(qiáng)度較低，成本也較高。注水泥漿雖然成本低， 但結(jié)合強(qiáng)度較低，所以在選擇材料時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。以雙陽煤礦為例，雙鴨山礦業(yè)集團(tuán)公司雙陽煤礦是年產(chǎn)180Mt的大型礦井， 現(xiàn)已開采至二水平。二水平地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力較大，并含有大量炭質(zhì)頁巖泥巖及凝灰?guī)r地層，。這類巖石遇水迅速崩解、膨脹，引起巷道嚴(yán)重變形，變形形式通常表現(xiàn)為兩幫收斂，底板鼓起；造成巷道寬度變窄，軌道變形，道床松軟。巷道平局年底鼓量在1.0m左右，其中，最具代表性的是二水平一副井和二副井，底板年底鼓量在2.0 m，給副井運(yùn)輸帶來巨大困難。由于該地層含水豐富，雖通過各種方法治理佃效果均不琿想，且成本高。目前，該礦在二副井穿凝灰?guī)r段進(jìn)行了鉆孔注漿實(shí)驗(yàn)，取得了一定的效果。鉆孔注漿設(shè)備選用TXU一50型鉆機(jī)1臺(tái)和KBY一507型注漿泵1臺(tái)；注漿材料選用525 礦渣水泥。由于底板巖層軟，易塌孔，故在注漿孔打完后應(yīng)立即放人注漿鐵管(在管壁15 m以下部分均勻地鉆出小孔，以便于水泥漿向周圍巖體充分滲透)，然后進(jìn)行封孔。封孔辦法是將壓縮木圓盤順注漿管套下去，砸實(shí)，并在上面澆注水泥。待封孔牢固后，便可注漿。注漿過程中，充分?jǐn)嚢?，保證水泥漿以均勻的濃度注人巖層。同時(shí)記錄壓力表讀數(shù)、注漿量及時(shí)間。注漿參數(shù)如下：孔距/m排距/m孔深/m注漿壓力MPa注漿m3孔-1封孔段孔徑/mm封孔長度m注漿孔孔徑mm水灰比1.61.62.730.41080.8500.8觀測斷面的設(shè)置：在二副井共安設(shè)了3個(gè)監(jiān)測斷面。其中：I號(hào)斷面是拉底后馬上設(shè)置的監(jiān)測面，觀測期間共拉底2次，拉底高度為05 m；2號(hào)斷面是對(duì)巷道底板采取鉆空注漿實(shí)驗(yàn)后設(shè)置的監(jiān)測面；3號(hào)斷面是拉底后過一段時(shí)間設(shè)置的監(jiān)測面。每個(gè)監(jiān)測面均設(shè)有6個(gè)測點(diǎn)，7條線，如圖8。圖8 收斂儀測線布置圖經(jīng)觀測，1斷面在拉底前頂?shù)装逡平?主要是底板)和拱腳移近量分別為38.6 cm10 d和27.7 cm10 d。在第一次拉底之后，其平均值分別為32.8cm10 d和27.7cm10 d；而在第二次拉底后，這兩個(gè)量的平均值又變?yōu)?8.6 era10 d和10.5 cm10 d?？梢?，拉底后經(jīng)歷足夠的時(shí)間，斷面收縮平均速度均比拉底前小，這是由于拉底使巖體承受的應(yīng)力得到了一定的釋放，并使巷道內(nèi)的水分減少所致。3斷面圍巖相同，不同的是2斷面是對(duì)底板采取鉆孔注漿措施之后設(shè)置的監(jiān)測面，而3斷面是未采取措施的監(jiān)測面，用來與2斷面對(duì)比，以檢查注漿實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)中，由于初期對(duì)該巷到松動(dòng)圈范圍監(jiān)測不準(zhǔn)確，注漿孔深未達(dá)到松動(dòng)圈范圍，故實(shí)驗(yàn)效果不甚理想。盡管如此，采取注漿措施后，底鼓速度比采取措施前降低近60；兩幫收縮速度降低50；斷面收縮速度降低80。另外，注漿后，巷道斷面變形形式由原來的拱腳收斂、底板鼓起，變?yōu)閮蓭透鼽c(diǎn)均勻收斂、底板鼓起，改善了支架的受力狀態(tài)，增強(qiáng)了支架對(duì)圍巖的支護(hù)作用。圖9表示1斷面巷道頂?shù)装逡平吭趦纱卫缀蟮淖冃温孰S時(shí)間的變化情況。從圖9可以看出，變形開始4 d，變形量占總變形量的50左右，變形率大于8 mmd，屬于急劇變形階段；13 d以前，變形量逐步發(fā)展到總變形量的90，變形率持續(xù)下降，屬于緩慢變形階段；13 d以后，變形率降低到3.5 mmd，并持續(xù)下降，屬于趨于穩(wěn)定階段。圖9還表明，拉底使巷道周邊的巖體移動(dòng)過程更加活躍，加劇了巷道的斷面收縮。這時(shí)開挖載荷主要使巷道圍巖的徑向應(yīng)力降低，載荷產(chǎn)生的回彈是流變的主要形式。其次，拉底使切向應(yīng)力增加，徑向應(yīng)力減少，因此引起偏應(yīng)力增加。在較大的偏應(yīng)力作用下，促使巖體變形、屈服、破壞和膨脹。又由于拉底使巷道圍巖應(yīng)力產(chǎn)生重新調(diào)整，導(dǎo)致圍巖的朔性區(qū)加大?？梢钥闯觯撞坏荒軓母旧辖鉀Q底鼓，而且還會(huì)使底鼓不斷加劇；也可以看出，每次拉底之后經(jīng)歷足夠時(shí)間，斷面收縮速度要比拉底前小。同時(shí)，同一斷面的左右兩幫收縮變形不同，這主要是因?yàn)閮蓭蛶r體不同，膨脹系數(shù)不同，含水量不同，膨脹速度也不同。其次，受地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，兩幫的應(yīng)力也不同。根據(jù)長期監(jiān)測得知，實(shí)驗(yàn)段巷道底鼓速度平均約4 mmd。采取鉆孔注漿措施后，盡管施工質(zhì)量仍為達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但巷道底鼓速度比采取措施前降低近50，從而證實(shí)了實(shí)驗(yàn)方案的可行性。圖9 1號(hào)斷面03測線變形率與時(shí)間的關(guān)系曲線 1第一次拉底后 2第二次拉底后2.2.5巷道壁充填（加固兩幫）在巷道和未采煤柱之間的巷道壁充填，主要是通過把側(cè)翼地層壓力支點(diǎn)轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離巷道的地方而改善壓力分布，從而增加底板粘土從未采煤柱的下面向巷道流動(dòng)的阻力。另外一種用于永久性巷道的底板支護(hù)是 ，在巷道底板上先挖出矩形坑槽， 然后再填以遇水硬結(jié)的材料，使之成為混凝土反拱。這種支護(hù)具有較高而且平均一致作用于底板上的支護(hù)阻力。加裝可伸縮支撐件可進(jìn)一步加強(qiáng)混凝土反拱， 使其獲得更大的抵抗底鼓的殘余變形阻力的能力。巷道圍巖是由頂板、底板、兩幫組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，回采巷道兩幫為軟弱煤體，直接影響到底板的穩(wěn)定性。煤體強(qiáng)度越大，底鼓量越小，反之，底鼓量越大。因此可通過加固兩幫控制深井巷道底鼓的構(gòu)想，工程實(shí)踐證明，加固兩幫可在一定程度上控制深井回采巷道底鼓。回采巷道兩幫煤體的強(qiáng)度與巷道底鼓成正增長關(guān)系，兩幫變形越大，底鼓越強(qiáng)烈；兩幫變形越小，底鼓量越小。煤體強(qiáng)度對(duì)底鼓量影響的數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。圖中2個(gè)方案只有煤層力學(xué)參數(shù)不同，第1方案：即礦井現(xiàn)有條件，軟煤(單軸抗壓強(qiáng)度125 MPa)：第2方案：中硬煤(單軸抗壓強(qiáng)度25 MPa)，其他條件完全相同。從圖2可知，在頂?shù)装寮捌渌麠l件均相同的條件下，軟煤巷道底鼓量為5164 mm，大大高于中硬煤巷道底鼓量3518 mm。當(dāng)兩幫為強(qiáng)度較高的巖體時(shí)，在支承壓力的作用下，兩幫巖體下的底板會(huì)產(chǎn)生下沉。而當(dāng)兩幫巖體強(qiáng)度較小或被破壞時(shí)，底板巖層將在水平應(yīng)力的作用下產(chǎn)生向上的位移。產(chǎn)生這種情況的原因主要是在支承壓力作用下兩幫被破壞，相當(dāng)于巷道寬度加大，即底板“暴露”的寬度加大。中硬煤巷道比軟煤巷道底鼓量小主要是由于中硬 煤巷道兩幫煤體強(qiáng)度較大，在支承壓力的作用下兩幫破碎區(qū)和塑性區(qū)較小，底板“暴露”的寬度較小，因而，使底板可承受較大的水平應(yīng)力，從而使底板底鼓量減少，而軟煤巷道由于兩幫破碎區(qū)和塑性區(qū)較大，底板“暴露”寬度較大，在水平應(yīng)力的作用下產(chǎn)生剪切破壞或壓曲，從而底板水平位移增大，底鼓量增大。圖10 煤層強(qiáng)度對(duì)底鼓量的影響山西王莊礦14采區(qū)為準(zhǔn)備采區(qū) ，回風(fēng)上山采用錨網(wǎng)支護(hù)，兩幫為4根D20mmL2 100mm圓鋼錨桿，頂板為5根 D20 mm L2 400螺紋鋼錨桿，排距800 mm,采用D1524 mm的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)，每排1根，排距2.4 m，開掘6個(gè)月嚴(yán)重底鼓；而在運(yùn)輸上山的掘進(jìn)過程中，為控制底鼓，修改了支護(hù)方案，由于巷道底板為軟弱泥巖，施工非常困難，因此，施工方案的修改鶯點(diǎn)考慮兩幫的支護(hù)，兩幫改為5根D20mmL2400螺紋鋼錨桿，其中1根為底角錨桿，并且對(duì)兩幫和底角注漿，注漿深度3.5m，頂板支護(hù)與回風(fēng)上山相同。支護(hù)方案如圖11，12所示。兩條巷道圍巖控制效果如表2所示。表2 圍巖控制效果對(duì)比巷道名稱底鼓量/mm兩幫移近量/mm頂板下沉量/mm3個(gè)月6個(gè)月3個(gè)月6個(gè)月3個(gè)月6個(gè)月回風(fēng)下山286532245402118189運(yùn)輸下山521023811978116從表2可以看出，相同圍巖條件的巷道，兩幫支護(hù)強(qiáng)度不同，底鼓量有較大的差別，運(yùn)輸上山兩幫多布置1根錨桿，同時(shí)加強(qiáng)底角支護(hù)，其底鼓量比回風(fēng)上山大為減少，可見加強(qiáng)巷幫支護(hù)的底鼓控制效果。圖11 回風(fēng)上山支護(hù)方案圖12 運(yùn)輸上山支護(hù)方案2.2.6封閉式巷道支架采用全封閉式巷道支架被證明是一種防治底鼓 的有效措施 ，與其他措施相比具有簡單易行 、適用范圍廣及效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。 封閉式支架的特點(diǎn)是具有底拱，支架抵抗巷道兩幫內(nèi)移的能力大大加強(qiáng)，減少了巷道底板所承受的水平力，控制了巷道底板巖層的離層和斷裂。支架底拱對(duì)底板的支撐力改變了巷道底板巖層的受力狀態(tài)， 使底板巖層由兩向受力變?yōu)槿蚴芰?，從而大大提高了圍巖的強(qiáng)度，增加了巷道圍巖的穩(wěn)定性， 有利于圍巖承載圈的形成。由于底拱的設(shè)置對(duì)于防止水侵入巷道底板， 避免車輛震動(dòng)， 防止底板產(chǎn)生裂隙都有一定的效果。以漳村礦二水平西下山材料巷的支護(hù)為例，漳村礦二水平西下山材料巷位于漳村礦井井田西部，二水平各采區(qū)布置在其兩翼。西下山材料巷為二水平主要輔助運(yùn)輸大巷，巷道內(nèi)安裝有一部卡軌車運(yùn)輸材料。該巷道沿煤層頂板布置，支護(hù)形式為工字鋼梯形棚支護(hù)，規(guī)格3.0 m 3.2m(梁X腿)，棚距750 mm。巷道由于受到北側(cè)22采區(qū)2201工作面的回采影響，造成該段巷道動(dòng)壓顯現(xiàn)明顯，頂幫壓力增大，工鋼支護(hù)的梁、腿均出現(xiàn)了大范圍的彎曲、變形，巷道底鼓嚴(yán)重。初期對(duì)部分底鼓巷道進(jìn)行了拉底平整施工，但在維持較短時(shí)間后，便出現(xiàn)了反復(fù)性底鼓，嚴(yán)重影響了巷道內(nèi)卡軌車系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)正常的采掘生產(chǎn)秩序造成了很大的制約，因此需要對(duì)該巷道進(jìn)行全面的修復(fù)改造。由于道頂幫煤體均較破碎，因此采用錨桿支護(hù)進(jìn)行加固，無法保證錨固效果。同時(shí)巷道底板也出現(xiàn)底鼓和破裂，采用錨桿網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，效果難以保證。因此最終確定采用U29封閉式拱架支護(hù)方式。該段巷道由于變形較大，多次進(jìn)行了針對(duì)性的換梁、換腿修復(fù)，施工時(shí)頂板破碎、高頂，均用木料絞頂。U29可收縮性拱架雖然重量大、施工難度大、費(fèi)用高，但其良好的抗頂、側(cè)壓可縮性能夠保證支護(hù)效果，滿足巷道使用要求。同時(shí)采用特殊的底拱與拱架聯(lián)結(jié)為一體，使拱架底部具有一定的收縮性，可有效解決巷道的反復(fù)底鼓問題。因此對(duì)于巷道的二次改造修復(fù)，U29封閉式拱架是較好的選擇方案，而且拱架支護(hù)在地質(zhì)條件復(fù)雜、采動(dòng)影響較大的地段可實(shí)現(xiàn)基本不用維護(hù)。鑒于該段變形嚴(yán)重的地段均已進(jìn)行過兩到三次的反復(fù)修復(fù)，頂板較為破碎、易跨落，棚梁上方有木料絞頂。為保證巷道有足夠的收縮空間，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮將巷道的寬度和高度均增加20 。采用凈寬4.6 m、凈高3.5m、半徑R=2300 mm的半圓拱支護(hù)，拱架由四節(jié)U29拱架組裝而成，拱節(jié)長度2690 mm，拱腿長度2890 mm，拱架后用特制鋼網(wǎng)背板封幫，再在網(wǎng)后全斷面鋪設(shè)尼龍袋，壁后用浮煤碳?jí)K充填密實(shí)，寬幫高頂處及拱弧頂部分用木料絞實(shí)。拱腿與拱節(jié)、拱節(jié)與拱節(jié)搭接長度450 mm，采用三個(gè)特制卡纜聯(lián)接，見圖1。在每節(jié)拱節(jié)搭接處中部卡纜用8 槽鋼拉桿將相鄰拱架連鎖固定，棚距1.0 m。底部安設(shè)弧形U29底梁，底梁長度4620 mm。拱腿直腿部分長1.2 m，在拱腿距底板200 mm處焊接限位塊，用來與底梁撐接，弧形底梁的兩端焊接一150 mm長的U型鋼角料，安裝時(shí)將該U型鋼短節(jié)卡人拱架拱腿的限位塊下方，使底梁和拱架形成一整體，聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)見圖11。在底部受力后，底梁會(huì)形成向上和兩側(cè)的壓力，在限位塊的作用下使拱架和底梁形成聯(lián)合受力體，即形成封閉式拱架。圖10 U29拱架支架設(shè)計(jì)斷圖11底拱與拱腿部分連結(jié)示意圖漳村礦開拓隊(duì)在西下山材料巷受動(dòng)壓影響區(qū)域，采用封閉式U29拱架進(jìn)行改造施工，累計(jì)改造400 m。在施工中底梁的安裝采用滯后拱架架設(shè)進(jìn)行，保證了拱架施工與底梁施工互不影響。巷道支護(hù)效果良好，在受到頂幫壓力后，巷道出現(xiàn)了輕微位移，頂?shù)装逡平簽?00160 mm，兩幫的收縮梁為80150 mm，達(dá)到了預(yù)期的目的，有效保證了巷道的使用空間。2.2.7聯(lián)合支護(hù)法如果單獨(dú)使用支護(hù)加固法或卸壓法還沒有取得滿意的效果，則需要采用聯(lián)合支護(hù)法，即把不同的方法結(jié)合起來使用。聯(lián)合支護(hù)法通常是兩種方法的結(jié)合。如底板爆破注漿、切縫與錨桿、封閉式支架與爆破等。在大采高動(dòng)壓影響區(qū)巷道底鼓的治理必須采用聯(lián)合的治理方法，一方面利用卸壓法降低圍巖的應(yīng)力集中系數(shù)，另一方面，采用支護(hù)加固法對(duì)巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)和加固，提高圍巖的整體強(qiáng)度。對(duì)于大多數(shù)巷道，采用上述的單一方式即可有效的控制巷道底鼓，但對(duì)于有些礦井，巷道動(dòng)壓較大，使用單一的支護(hù)方式不能較好的消除底鼓，可采用多種防治措施同時(shí)應(yīng)用的方式來加強(qiáng)支護(hù)。以平媒集團(tuán)四礦為例：平煤集團(tuán)四礦隨著礦井開采深度的逐步延深，巷道深部的原巖應(yīng)力及采掘過后形成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)時(shí)的圍巖壓力逐步加大，使礦井的安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效建設(shè)受到極大威脅。四礦的己三采區(qū)，由于埋深在750920 m，再加上受采面回采的采動(dòng)影響，己三西?；卦O(shè)計(jì)巷道高寬為3.0m4.2m，目前巷道收縮到1.6 m2.2 m，斷面收縮率達(dá)70 ，嚴(yán)重影響了己三采區(qū)和三水平開拓工程的回風(fēng)安全和生產(chǎn)。己三西?；叵锏朗┕げ贾迷诩? 煤層中，沿己3煤層頂板掘進(jìn)施工，與己3 煤層的層間距一般為35 m。直接頂為灰色砂質(zhì)泥巖，厚度為7.2 m，基本頂為灰白色中一粗粒砂巖，厚度為7.5 m；直接底為淺灰色的泥巖，厚度2.0 m，基本底為灰色砂質(zhì)泥巖，與己 煤層層間距為1113 m。巷道西邊為三水平穿層軌道，東邊依次為己三膠帶下山、己三軌道下山、己三東?；?，向南通往己三總回風(fēng)。巷道原支護(hù)采用錨噴支護(hù)，巷道變形主要是巷道底鼓，底板底鼓量為1300 mm，頂板下沉量為240 mm，拉底后破壞巷道應(yīng)力平衡造成兩幫位移量增加。單純的底板注