張志智 趙長(zhǎng)紅 黎勁東

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)清水營(yíng)煤礦，寧夏 銀川 751401)

0 引言

軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度小于25MPa的松散、破碎、軟弱及風(fēng)化膨脹性一類巖體的總稱［1］。具有顯著塑性變形的復(fù)雜巖石介質(zhì)，巷道軟弱圍巖受水及支護(hù)方案等多種因素的影響，圍巖力學(xué)性質(zhì)更加惡化。清水營(yíng)煤礦巷道圍巖較松散、易風(fēng)化，煤層頂?shù)装鍘r層均屬較軟弱或軟弱類巖層，抗拉、抗壓、抗剪切能力小，伊利石、綠泥石等膨脹性礦物成分占70%以上，礦井的地下水造成底板巖石物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。巷道在掘進(jìn)過(guò)程中后巷底鼓嚴(yán)重，造成皮帶及軌道傾斜不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)。

1 工程地質(zhì)概況

清水營(yíng)煤礦+965 m水平中部車場(chǎng)掘進(jìn)層位由二煤底板穿二煤至二煤頂板，大部在二煤頂板中。掘進(jìn)斷面30.81 m2，凈斷面23.97 m2，巷道總長(zhǎng)244 m，二煤頂板巖石為灰白色，黃褐色，以石英、長(zhǎng)石為主，云母次之，泥質(zhì)膠結(jié)，易碎，中部夾泥巖薄層，分選性較差，膠結(jié)松散、孔隙發(fā)育，屬于IV類圍巖，穩(wěn)定性較差巖層，為主要含水層。正常涌水量為30～40 m3/h，最大涌水量為60 m3/h。底板灰白至黃褐色，夾薄層煤線，遞變層理，底板為細(xì)粒砂巖薄層，巖層綜合柱狀圖如圖1。瓦斯含量低，煤塵具有爆炸性，二煤屬于易自然煤層。

圖1 巖層綜合柱狀圖

2 影響底鼓的主要因素

引起底鼓的因素很多，主要影響因素有底板圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力、水理作用、支護(hù)強(qiáng)度和巷道斷面形狀。

2.1 圍巖性狀

底板巖層性狀主要是指它的性質(zhì)和狀態(tài)，這其中包括底板巖層的強(qiáng)度、厚度及節(jié)理裂隙的發(fā)育程度，它們影響了底鼓量的大小。當(dāng)?shù)装鍘r層強(qiáng)度大于兩幫圍巖支承壓力時(shí)，底板巖層是穩(wěn)定的，且不會(huì)發(fā)生底鼓，反之則不穩(wěn)定。

2.2 地應(yīng)力

地應(yīng)力是存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或原巖應(yīng)力。它是引起采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、公路、軍事和其他各種地下巖石開挖工程變形和破壞的根本作用力，是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)巖石工程開挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提條件［2］。

巖層性質(zhì)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)是巷道底鼓的充分條件，地應(yīng)力則為必要條件。地應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)巷道就會(huì)底鼓，地應(yīng)力越大，變形速度越快，底鼓越嚴(yán)重。并且巷道開挖后，應(yīng)力重新分布，隨時(shí)間延長(zhǎng)變形量增大，圍巖產(chǎn)生裂隙，形成松動(dòng)圈。變形量達(dá)到某一值時(shí)，變形趨于平緩，軟巖變形特征圖見圖2。

圖2 軟巖變形特征圖

+965m水平車場(chǎng)埋藏深度470m，隨著深度的增大，圍巖應(yīng)力增高，應(yīng)力集中，巷道底板未采取加固措施時(shí)，易產(chǎn)生塑性變形，巷道出現(xiàn)底鼓［3－4］。

2.3 水理作用

巷道所處位置含有泥巖，遇水體積發(fā)生膨脹、破碎、泥化，強(qiáng)度弱化，圍巖自承能力減小，甚至強(qiáng)度完全喪失，由水理作用和巖石化學(xué)作用，改變了圍巖膠結(jié)程度，膠結(jié)程度降低，結(jié)構(gòu)松散，引起膨脹變形，降低圍巖強(qiáng)度，屬于遇水膨脹型底鼓。膨脹又因底板沒(méi)有采取支護(hù)措施，處于敞開狀態(tài)，巷道在靜水壓力作用時(shí)，壓力在無(wú)支護(hù)的巷道底板應(yīng)力集釋放，使底板產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)底鼓。巷道在整個(gè)巷道掘進(jìn)時(shí)發(fā)生不同程度的底鼓，在積水較多、底板破碎的地方底鼓量大。

2.4 支護(hù)強(qiáng)度

支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大，巖體的進(jìn)一步變形受支護(hù)阻擋，不能充分發(fā)揮圍巖和支護(hù)在雙方作用下形成的共同作用;支護(hù)強(qiáng)度過(guò)小，巖體破碎并充分發(fā)展，從而導(dǎo)致巷道破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，致使圍巖整體失穩(wěn)、巷道嚴(yán)重變形。

2.5 斷面面積

巷道開挖表面積與巷道穩(wěn)定程度成反比，巷道斷面尺寸要符合通風(fēng)、運(yùn)輸、行人要求，其形狀越接近圓形越有利于穩(wěn)定。

3 治理底鼓的方法

3.1 變形情況

二煤底板巖巷的變形情況:清水營(yíng)煤礦主斜井布置在二煤底板中，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，施工過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的頂板下沉、裂縫、脫層掉包及底鼓等現(xiàn)象，局部出現(xiàn)冒頂。巷道變形如圖3所示，主要有以下四個(gè)方面的表現(xiàn):一是頂板噴層受擠壓變形、掉包、下沉，錨桿支護(hù)失效，個(gè)別錨桿被拉出或拉斷，初噴巷道較成巷后的巷道這一現(xiàn)象突出，掉包嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)冒頂，通常伴有滲水、淋水現(xiàn)象;二是兩幫受頂板下沉和底鼓影響，噴層開裂、向外鼓出，巷道寬度不夠;三是巷道底板鼓起，最大底鼓量1 200mm，造成軌道變形，巷道高度不夠;四是臺(tái)階向巷幫一側(cè)嚴(yán)重傾斜，水溝開裂變形。

圖3 巷道變形情況

+965m水平車場(chǎng)底板為灰白至黃褐色，夾薄層煤線，遞變層理，底板為細(xì)粒砂巖薄層，遇水泥化，穩(wěn)定性極差。二煤頂板巖石為灰白色，黃褐色，以石英、長(zhǎng)石為主，云母次之，泥質(zhì)膠結(jié)，易碎，中部夾泥巖薄層，分選性較差，膠結(jié)松散、孔隙發(fā)育，屬于IV類圍巖，穩(wěn)定性較差巖層，為主要含水層。根據(jù)上一區(qū)段車場(chǎng)揭露實(shí)際情況，二煤底板遇水泥化，施工難度大，對(duì)頂板只要及時(shí)疏放水，巖性明顯好于底板。

3.2 加強(qiáng)治水

巷道底鼓，一般是由于巖石吸水膨脹引起，因此，加強(qiáng)治水防底鼓是行之有效的方法。施工時(shí)要有防水措施，做到預(yù)防為主。施工現(xiàn)場(chǎng)必須考慮治水方法，做到防水系統(tǒng)完善、防水設(shè)備齊全，有備無(wú)患，保持巷道無(wú)積水、無(wú)淤泥。

+965 m水平車場(chǎng)施工期間，采取打超前鉆孔，積極疏放水措施，鉆孔直徑133 mm，長(zhǎng)度為80 m，共打11組鉆孔，共疏放水15.6萬(wàn)m3。

3.3 聯(lián)合支護(hù)

在巷道開挖前，巖體處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖后，破壞了圍巖原有的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，使應(yīng)力重新分布，一是切向應(yīng)力增加，并產(chǎn)生應(yīng)力集中;二是徑向應(yīng)力降低，巷道周邊處應(yīng)力達(dá)到零;三是圍巖受力狀態(tài)由三向變成近似二向，巖石強(qiáng)度明顯下降，如果集中應(yīng)力值小于下降后的巖石強(qiáng)度，圍巖將處于彈塑性狀態(tài)，圍巖可自穩(wěn)，不存在巷道支護(hù)問(wèn)題。相反地，如果集中應(yīng)力值等于下降后的巖石強(qiáng)度，圍巖將發(fā)生破壞，這種破壞將從周邊開始逐漸向深部擴(kuò)展，直至達(dá)到另一新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，此時(shí)圍巖中出現(xiàn)一個(gè)破裂帶，這個(gè)破裂帶成為圍巖松動(dòng)圈［5－6］。

通過(guò)礦壓觀測(cè)，巷道施工后4～35天內(nèi)變形量最大，拱頂沉降量為12～30 mm，兩幫變形量為5～10mm，底鼓量最大達(dá)到200 mm，巷道底鼓量及速率變化曲線見圖4，其中(a)為底鼓量變化曲線，(b)為底鼓速率變化曲線。40天以后巷道處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。由于圍巖應(yīng)力改變引起應(yīng)力重新分布，巷道產(chǎn)生二次變形，40～60天后巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 底鼓變化曲線

井巷施工時(shí)一般注重頂板和兩幫的管理，容易忽視底板管理，+965 m水平車場(chǎng)施工時(shí)頂板及兩幫采用一次錨網(wǎng)噴、二次架設(shè)29號(hào)U型鋼支架支護(hù)，鋼支架架好后及時(shí)噴射混凝土，厚度為174 mm，強(qiáng)度等級(jí)要求不低于C20，待鋼支架架設(shè)完成后開始施工反底拱地坪，既提高底板圍巖的強(qiáng)度又增加圍巖的變形阻力。

3.4 優(yōu)化斷面

為提高斷面利用率，巷道斷面通常采用梯形或直墻拱頂形狀，但是，區(qū)段車場(chǎng)服務(wù)年限較長(zhǎng)，一般采用直墻拱形，+965m水平車場(chǎng)斷面圖見圖5。

4 反底拱施工工藝

+1065m水平車場(chǎng)為上一區(qū)段車場(chǎng)，層位布置在二煤頂板，采用錨網(wǎng)噴+鋼支架支護(hù)，由于初噴未及時(shí)緊跟迎頭封閉圍巖，二次支護(hù)嚴(yán)重滯后，并且未施工反底拱，造成圍巖水化風(fēng)化，潮解膨脹，強(qiáng)度降低，破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍擴(kuò)大導(dǎo)致巷道嚴(yán)重變形，局部冒頂，后期進(jìn)行了三次維修，不但增加了巷道成本、影響工作面準(zhǔn)備工期，而且施工安全得不到保障。

根據(jù)相似工程類比，并結(jié)合二煤頂板巖性軟弱，膠結(jié)松散、孔隙發(fā)育、遇水易軟化、抗風(fēng)化能力差，底板雖孔隙率不大，但吸水率較高，軟化系數(shù)低，巖石強(qiáng)度低，不堅(jiān)固的特點(diǎn)，+965 m水平車場(chǎng)調(diào)整了施工工藝，優(yōu)化了施工方案。

圖5 +965 m水平車場(chǎng)斷面圖

+965m水平車場(chǎng)施工時(shí)分兩次施工，一次巷道開挖后，及時(shí)進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)，為控制底鼓，底角錨桿要與巷道水平成45°夾角布置，其它孔垂直巖面;二次滯后迎頭60m開始架設(shè)鋼支架，架好后噴射厚度為204mm混凝土，拆除臨時(shí)軌道，采用放震動(dòng)炮的方式起底，起底底板成反底拱形狀，底板開挖后，鋪設(shè)一層厚200 mm，強(qiáng)度為C20混凝土，并抹成弧形，底板有水時(shí)可先鋪一層防水材料，在鋪底混凝土上鋪φ20mm螺紋鋼，間排距為250×250mm，縱筋橫筋之間用鐵絲捆綁，螺紋鋼搭接長(zhǎng)度不少于200mm，根據(jù)中腰線鋪設(shè)并調(diào)整好永久軌道，最后施工矢高為500mm的地坪，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，形成封閉的應(yīng)力承載拱圈。

5 結(jié)論

+965m水平車場(chǎng)施工時(shí)加強(qiáng)礦壓觀測(cè)，及時(shí)掌握巷道變形情況，根據(jù)礦壓觀測(cè)及相似巖性工程類比，在巷道開挖后及時(shí)進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖強(qiáng)度，頂幫采取錨網(wǎng)噴+鋼支架，反底拱采用矢高為700 mm的混凝土+螺紋鋼聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，有效地控制了頂幫變形及底鼓，解決了軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題，保證了車場(chǎng)的正常使用，減少了巷道維修，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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