淮北矿区深井岩石巷道底臌原因分析及防治措施探讨

郭建彪

摘 要：就淮北矿区而言，随着矿井开采深度的逐渐增加，巷道底臌问题也越来越严重，底臌也成为深部巷道破坏的主要因素，本文通过深入分析煤矿深部巷道底臌原因，提出了“底板锚杆+底板注浆+封闭式支架”底板联合加固措施，以改善深井岩石巷道底臌防治的现状，确保矿井的安全高效生产。

关键词：深井岩石巷道 底臌原因分析 联合加固措施

中图分类号：TD263 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0153-01

目前，淮北矿区大多数矿井的开拓深度延伸到了地下800 m左右，有的矿井矿开拓深度甚至延伸到了1000 m以下，随着开采深度的加大，矿压明显增大，且矿区地质条件复杂，水平地应力较大，岩石遇水膨胀较严重，岩性较软，巷道底臌日益严重，支护难度日益增大，严重影响着煤矿的安全正常生产。采用封闭式支架、底板注浆、底板锚杆、底板卸压等单一的防治措施已不能有效控制巷道底臌，本文从分析深井岩石巷道底臌发生原因入手，探讨巷道底臌综合防治措施，以提高底臌的治理效果。

1 深井岩石巷道底臌原因分析

深井岩石巷道的底臌主要受底板围岩性质、底板所受应力状态、底板岩石的水理性质、地温、支护强度、巷道断面形状等主要因素的影响。

1.1 深部高地应力作用

深部高应力对巷道底臌的影响包含两个方面：一是垂直高应力，岩体内开挖巷道会破坏原岩应力平衡状态从而引起应力重新分布，在巷道两帮围岩内形成集中应力，随着采深增加，巷道两帮内的集中应力随之增大。垂直集中应力由两帮围岩传递至底板岩层，在垂直应力的作用下产生水平应力，挤压底板岩石，使之发生塑性流动，进而出现底臌；二是水平构造应力，对于深部岩体，构造应力普遍超过垂直应力，实测表明，构造水平应力一般比垂直应力大0.5～5.5倍。软弱底板岩石在较大水平构造应力的挤压作用下容易产生底臌。由以上分析可知，较高的垂直应力和水平构造应力均可以导致底臌发生，因此，深部高应力是底臌发生的一个重要因素。

1.2 深部高地温作用

高地温也是深井巷道底臌的一个主要原因。经测量研究，淮北矿区地温梯度范围介于1.50～3.80 ℃/100 m，平均地温梯度约为2.65 ℃/100 m，淮北矿区的恒温带深度和温度分别约为30 m和17 ℃。根据地温与深度的线性关系式：t=0.0265H+17可知淮北矿区600～1000 m深度的岩层温度约为33 ℃～45 ℃。在高温环境下，岩石会从脆性向塑性转化，围岩产生塑性变形，温度升高还会使岩石的矿物颗粒和胶结物发生膨胀，矿物脱水增大岩石空隙，导致岩石强度降低，在加上深部高应力的作用容易使底板产生底臌。

1.3 水理作用

水对底板岩石的影响主要有：一是水对岩石有软化作用，岩石浸水后强度会显著降低，浸水时间越长，其强度降低越大，使巷道底板更容易破坏；二是水会使岩体产生膨胀甚至崩解，如含有大量粘土矿物（如水云母、高岭土、蒙脱石、泥质岩等）的软岩遇水后容易发生膨胀和崩解，出现岩体扩容现象，产生膨胀应力，使巷道底板岩石变形加剧，导致底臌。由以上分析可以看出水是引发巷道底鼓的主要环境因素。

1.4 巷道底板岩性状态

巷道底板岩层的结构状态、矿物成分及软弱程度对巷道底臌起决定性作用。结构状态对巷道底臌类别起着决定作用，比如膨胀性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、剪切错动性底鼓和挤压流动性底鼓等；组成岩石矿物的成分决定着岩石强度的大小，而底板岩层软弱程度又决定着巷道底臌量的多少。

1.5 时间效应

由于岩石具有流变性，服务年限较长的软岩巷道，流变将会引起巷道底板岩层强度的降低和底臌量的增加，因此，要考虑时间对巷道底臌的影响。由于软岩抗剪强度τ、内聚力C和内摩擦角φ都是时间的函数，则莫尔—库伦准则：

，

依据上式可以计算出某一时刻巷道底板的破坏范围和底臌量。由以上分析可知，随着巷道使用时间的延长，巷道底臌的范围和底臌量都会随时间增加。

2 巷道底鼓的防治措施探讨

根据以上底臌原因分析可知，淮北矿区深部巷道受到高构造应力、非均质围岩、泥质岩性和受水的影响显著等复杂地质条件和多因素综合作用，实践证明采用单一的底臌防治措施已不能有效控制巷道底臌。为了更有效地控制巷道底臌，可以通过“底板锚杆+底板注浆+封闭式支架”联合加固支护措施进行巷道底臌治理。

2.1 底板锚杆作用分析

底板锚杆可以把底板浅部不稳定岩层与深部坚硬稳定岩层锚固在一起，使巷道底板岩层形成组合岩梁，增加了底板岩层的抗弯强度和抗剪强度；底板锚杆还可以对底板岩层施加预应力和摩擦力，提高底板岩层的自承能力，减少底板破碎程度。实践表明，底板锚杆可以在很大程度上加固软弱底板，增强底板岩层的抗弯能力和抗剪能力，能够阻止底板向巷道内移动，有效限制底板岩层鼓起。

2.2 底板注浆作用分析

当底板岩层较为破碎时，向底板注入配制好的浆液，可以起到以下几个方面的作用：一是可以提高岩体强度。浆液充填到岩体裂隙中，提高了裂隙和弱面的内摩擦角φ和内聚力C，提高了底板岩层的整体稳定性；二是底板注浆可以使破裂松散岩块重新胶结成整体，增强了底板岩层的自稳能力，形成承载结构；三是底板注浆可以改善底板岩层的赋存环境，浆液充填固结封闭岩层空隙，有效阻止了水和气体的侵蚀，使围岩力学性质保持稳定。

2.3 封闭式支架作用分析

目前，常用的封闭式可缩性支架有马蹄形、方形、圆形和环形。封闭式支架底梁对底板岩层施加支护反力，改变了底板附近岩层的受力状态，使底板岩层由双向受压状态变为三向受压状态，增加了底板岩层的强度，抑制了底板弯曲变形的产生，有效控制了底板岩层向巷道空间移动。

2.4 “底板锚杆+底板注浆+封闭式支架”联合加固作用分析

“底板锚杆+底板注浆+封闭式支架”联合加固措施，综合了以上三个单一的加固措施的作用和优点，比单一的加固措施可以在很大程度上提高底板岩层的强度，能够更加有效地控制底板岩层的变形、破坏以及底臌的发生。

3 结论

（1）深入分析了淮北矿区深井岩石巷道底臌的原因，主要是受到高应力、高地温、水、围岩性质和时间的影响。

（2）通过分析巷道底臌原因，提出了“底板锚杆+底板注浆+封闭式支架”联合加固防治巷道底臌的措施，对淮北矿区底臌防治有一定的理借鉴意义。

参考文献

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