察哈素煤矿巷道底鼓监测与治理方案研究

察哈素煤矿巷道底鼓监测与治理方案研究

道路底部的鼓一直是岩石工程的一个难题，因此，要完全控制底部的鼓，成本高达1.3%。国内外目前出现的防治措施有多种形式,主要从加固底板岩体、降低底板围岩或整个巷道围岩中的应力以及建立有效的防排水措施等方面着手,包括底板锚杆、底板注浆、封闭式支架、混凝土反拱等支护加固法;切缝、打钻孔、松动爆破、开掘卸压巷等卸压法;巷旁充填法及各种联合方法;侯朝炯等提出了加固巷道软弱围岩帮角(主要是底角)控制底鼓的方法,进行了数值模拟与相似材料模拟研究,并得到了现场工程实践的验证［4－6］。察哈素煤矿3-1煤层埋深为450m,在掘进3101工作面巷道和东翼各大巷过程中,井下巷道普遍存在着底鼓现象,有的巷道底鼓比较严重,最大能达到500mm,对巷道的正常运营带来了很大的不便,严重影响矿井的正常运输。基于此,论文提出了一种研究巷道底鼓的试验方法,试验在东翼胶运大巷进行。通过全程监测巷道底鼓的情况,分析巷道底鼓累计变化规律和底鼓波及岩层深度,进而查明察哈素巷道底鼓的主要原因,从而制定相适的巷道底鼓治理措施。1底鼓监测检测在东翼胶运大巷的迎头选择两个断面进行底鼓监测,底鼓测点布置在巷道中间,两个测站相距100m左右,分别位于东翼胶运大巷1230m及1350m处。1.1外接枝长度对底鼓值的影响测量仪器模仿顶板离层仪,在底板上钻8m深的钻孔,埋上4根钢绞线。钢绞线的一端连接一个倒三叉,把钢绞线的一端固定在底板的某一深度上,另一端外露在巷道中。当底板鼓起时,露在巷道中的钢绞线长度就会有所减小,测量钢绞线减小的长度即为底板以下某一点与巷道底板的位移量。为了防止钻孔被巷道地面的煤渣堵塞或人为的破坏,在钻孔的上部放上一块钢板,上面钻4个孔,让4根钢绞线从孔里穿出,外露的钢绞线用软管保护起来,在巷道底板开一个小凹槽将软管引到巷道帮部,这样钢绞线就避免了被人为破坏,也更助于测量并保持数据的准确性。底鼓测试系统示意图如图1所示。本次试验是根据外露钢绞线的长度变化来测量巷道底鼓的数值大小。因此必须对钢绞线的全程变化量进行观测,并对其变化量进行记录,观察周期均为30d。1.2巷道底鼓试验结果巷道底鼓累计变化量是巷道底鼓的直观表现,1230m处底鼓测试时,底鼓钻眼为两个,底鼓测点累计变化量曲线如图2所示。巷道底鼓监测数据表明,巷道底鼓呈一定规律变化,测点1和测点2累计变化量有相近似的变化趋势。1)底鼓测点1:最大变化量331mm,1m测试点和2m测试点变化量差为25mm,2m测试点和4m测试点变化量差为27mm,4m测试点和8m测试点变化量差为7mm。底鼓测点2:最大变化量337mm,1m测试点和2m测试点变化量差为24mm,2m测试点和4m测试点变化量差为29mm,4m测试点和8m测试点变化量差为9mm。因此巷道底鼓在8m测试点深处基本保持稳定。2)1m和2m变化曲线大概分为4个阶段:平缓变化阶段、快速变化阶段、起底变化阶段和变化稳定阶段。平缓变化阶段大概为期3~4d,快速变化阶段为期11d左右,起底变化阶段3d左右,之后较平稳。3)4m和8m变化曲线大概分为3个阶段:平缓变化阶段、快速变化阶段和变化稳定阶段。平缓变化阶段大概为期3~4d,快速变化阶段为期13d左右,之后较平稳。4)巷道底鼓响应范围大概2m左右,2m以上变形较大,2m以下变化不大,因此,治理巷道底鼓应属此范围。1350m处底鼓测试结果跟1230m处相似,不再累述。2道路底部鼓的原因2.1巷道支护结构破坏机理原岩应力是巷道围岩变形破坏的根源。矿井巷道是在原岩应力作用下开挖的,在巷道开挖的整个过程中,原岩应力一直对开挖起作用。原始地应力包括上覆岩层产生的重力场应力及地质构造应力两大部分,对于重力场产生的地应力仅与上覆岩层及其采深有关。上覆岩层压力大,作用在支护结构上的荷载亦较大,当支护结构承受不了该荷载作用时,必然产生变形,造成巷道支护结构的破坏。察哈素煤矿3-1煤和神东公司补连塔矿和布尔台矿开采的3-1煤层属于同一煤层,临近矿在埋深为200m时底鼓量已经较大,而该矿3-1煤层埋深为450m,上覆岩层产生的载荷会更大,巷道更易变形,更易造成底鼓。2.2巷道底鼓试验确定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。当底板位于坚硬的砂岩或灰岩中时,一般处于稳定状态,通常不会发生底鼓;而当底板位于软弱的泥岩、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,在地应力作用下极易产生底鼓,造成底板失稳破坏。实验表明:在以泥岩和砂质泥岩为主、层理裂隙发育且有小断层影响的巷道地段的底鼓量,要比位于灰色细砂岩地段的底鼓量高3~4倍。察哈素矿煤层下有一层0.4~1m的泥岩,遇水即软化,没有承载能力,这应该是造成底鼓的一个重要原因。2.3构造应力对巷道稳定性的影响构造应力是由长期的地质构造运动产生的,矿井的地质构造越复杂、越活跃则构造应力越大。构造应力对巷道稳定性影响极大,构造应力方向通常受构造方向的影响,在多数情况下,构造应力要比重力大1~1.5倍,与重力场比,构造应力很不稳定,它的参数在时间和空间上有很大差异,它的存在直接决定着巷道的稳定性。2.4直墙圆形巷道底鼓量的试验结果地下工程开挖中为有效利用空间,巷道断面通常采用梯形或直墙拱形等形状,由于底板不能形成稳定的拱形结构使得底鼓量加大,据研究测试结果表明:在相同条件下,直墙半圆拱巷道的底鼓量比圆形巷道的底鼓量大1/3。察哈素矿巷道采用矩形断面,且断面达5.8m×4m,属于大断面,受力更不稳定,这也是造成底鼓的一个原因。2.5底鼓种挤压流动性底鼓一般巷道的底板处于不支护状态,主要是因为生产上出于安全考虑,总是支护顶板和两帮,而认为底板底鼓无关紧要。察哈素矿也主要是对顶板和帮部进行支护,而忽略了底板的支护,难以使围岩处于受压状态而形成组合拱结构,这也是导致底鼓的一个主要原因。结合上述底鼓的原因,该矿底鼓属于挤压流动性底鼓。对比临近矿井,该矿巷道埋深较大,导致顶板上覆地层压力较大。虽然巷道的顶板和帮部整体性都比较好,但直接底存在一层泥岩,厚度为0.4~1m不等,遇水立即软化,失去承载功能。对巷道顶板和两帮采用的支护相对简单,当顶板和帮部受到比较大的压力,在构造应力的作用下,顶板和两帮无法承受巨大的压力,这时就会导致底板向中间挤压流动。3基础鼓治理技术3.1底脚返修、铺设、花厅结合东翼胶运大巷底鼓试验结果以及底鼓原因分析,并考虑到东翼的几条大巷为永久使用巷道,因而决定采用“混凝土反拱永久支护+底脚锚杆加固”的底鼓治理方案,具体方案如下:1)顶板及两帮保持巷道原来支护不变,落底后帮部各补打一排Φ22mm×2200mm型树脂锚杆。2)底脚返修新增DRB32-L3000型自钻锚杆,自钻锚杆采用风钻施工,钻入后,使钢带悬空,然后水泥注浆灌至孔口饱满。底脚锚杆向下倾斜70°,第一根至巷帮距离400mm,两根之间的间距为300mm,之间采用T100-L420钢带连接,排距500mm。3)铺底采用分层铺底方式,铺底材料由下往上依次为干石灰粉50mm,钢筋网混凝土反底拱300mm,炉渣灰充填至巷道底板标高以下200mm,浇筑混凝土最终达到设计巷道底板高度。巷道底鼓治理方案示意图如图3所示。3.2现场施工程序现场施工采用“短挖短支”方式进行返修,每段长度为5m,可根据现场具体情况调整长度,最长不超过8m,具体施工顺序:挖底—及时铺干石灰—补打帮锚杆—挂帮网—打底脚锚杆—挂底网—铺300mm混凝土(中间加一层钢筋网)—铺炉渣灰—铺设底板混凝土实施永久支护。3.3巷道底鼓控制效果分析通过在井底车场大巷、交叉点及东翼大巷的应用,证明该方案对巷道底鼓控制具有显著效果。除个别地段底板出现微小裂隙外,毛巷底鼓量控制在60mm范围之内。4察哈素底鼓治理方案的确立1)提出了一种研究巷道底鼓的试验方法,通过全程监测巷道底鼓的情况,分析巷道底鼓累计变化规律和底鼓波及岩层深度。2)查明了察哈素巷道底鼓原因是多方面引起的。一方面,采掘巷道上覆岩层载荷大,巷道更易变形,易造成底鼓;同时,巷道底板下0.4~1m的软弱泥岩层没有承载能力以及围岩构造应力大,是造成底鼓的客观原因。另一方面,掘进巷道采