深井巷道的底鼓与锚固技术研究

翟封

摘要：深井软岩巷道由于其地应力大，其岩体长期在高应力、高温高压及强渗透作用下，其岩土的力学性质发生了根本性的变化，因此极易产生底鼓现象。本文通过对巷道底鼓进行机理分析，然后从地质构造和围岩性质、地压以及地下水的作用提出相应的防治措施，同时探讨了底鼓的锚固控制技术，这对于底鼓的控制与防治具有一定的实际价值。

关键词：深井巷道；底鼓；锚固技术；地下水

最近10来年，我国的资源消耗巨大，国内的一些煤矿也进入了深层开采阶段，在新汶徐州、平顶山等地已相继出现1km以上的矿井[1]。进入超千米的深度后，由于地下环境的不断恶化，其巷道岩体的物理力学性质都发生了变化。如果仅通过对以前的巷道的经验进行设计和维护，这是不合理的，容易造成巷道发生各种破坏，使得巷道很难满足使用要求。因此，研究深井高应力作用下巷道底板的控制问题对解决我国超千米深井高应力巷道支护具有重要意义。

1 煤矿底鼓产因分析

底鼓是巷道在高应力下产生变形和破坏导致巷道断面变小的的现象，阻碍矿井的通风运输和机器的运作，因而使得煤矿的开采不能得以继续进行，造成煤矿出现生产安全问题。对于底鼓的产生机理国内外存在着许多观点，曼.奥顿哥特通过进行试验模拟研究，得到结论为：巷道围岩的变形与破坏首先在垂直应力作用下两帮岩层被压裂，其次是水平应力的作用巷道顶底板向巷道内移近，其中直接底板围岩先破坏。另外有一些学者采用数值分析的手段，通过建立围岩的监测模型，然后通过边界条件和岩体性质参数对其进行计算，对巷道发生底鼓机理进行分析，结果表明底鼓的产生主要是由于工作面超前支承压力的作用，使巷道产生挤压流动型和挠曲褶皱型底鼓。虽学者们都做了很多研究，且取得了一系列的成果，但研究都比较理论化，很难在实际工作中进行开展；因此在进行底鼓防治时，为了抓住主要原因，只考虑影响底鼓的主要因素：工程地质、围岩性质、地下压力状况、巷道的大小和形状，同时还有地下水和人为作用等。

2 底鼓治理技术

总的来说，治疗底鼓存在着两种思路，及事前控制和事后治理。一是事前防治法，采取措施预防底鼓发生，二是事后清除法，即将巷道已发生底鼓的部分进行清除，恢复原有巷道断面积。下面将介绍几种主要的治理方法。

2.1 岩层加固法

岩层加固技术就是通过对巷道底板或边缘部采用相应的技术手段进行加固，达到提高岩层强度，减少底鼓发生机率。常用的有封闭式支架加固法、底板注浆加固法、底板锚杆加固法等。其中，封闭式控制底鼓又分为两类：刚性支承，如钢筋混凝土环支架和圆形金属支架；可伸缩性支撑，有金属圆形，马蹄形状等。

2.2 综合法

在实际工程中，常将加固法与卸压法（部分应力转移法）同时使用，这就是所谓的综合法。这种方法能够降低应力集中，还能提高围岩的整体强度，适用于应力集中程度大，底鼓较为严重的情形。

2.3 控制地下水

岩石遇水后造成岩体软化，其强度会有所降低。因此在巷道掘进过程中，一定要做好防水与排水工作，可以有效的防止底鼓的发生。

3 锚杆支护技术的应用

近年来，锚杆支护已经成为了一种有效的控制巷道围岩方式，在煤矿开采过程中得到了广泛的应用。在一定条件下可以减少围岩应力，防止巷道破壞。现主要从原理和控制机理加以分析。

3.1 深井内锚杆锚索控制的原理分析

（1）锚杆支护要根据锚杆受力的基本原理进行受力布置，尽量使其处于受压状态。最大限度的抑制围岩弯曲变形，从而产生拉应力以及剪应力，同时在锚固时保护锚固区的围岩完整性，提高围岩的整体稳定性。

（2）在巷道锚固区形成了具有较大刚度的预应力结构，可以阻挡锚固区外层的岩体产生离层现象，同时通过锚索的传递作用，可以改善岩石深部的应力分布规律[2]；与此同时，锚杆支护系统的刚度对锚固支护具有重要作用，其选择不当将会导致支护结构失去锚固效果。

（3）在进行锚杆设计时，一定要控制好预应力的扩散，因为就单根杆件而言，其应力传递作用是有限的，必须通过过天平、钢带和金属网状物等其他附加结构才能将预应力传递到更远的围岩深部。尤其在巷道表面，通常只要施加极其微小的支护力，就会使得围岩达到变形，甚至发生破坏。

（4）锚索结构相比于锚杆，具有锚固深，可施加大的锚固预应力等优点。其原因主要有二，其一是锚索能把锚杆形成的预应力区域与深部围岩链接，在提高结构的稳定性时，也加强了应力往岩层深入的传递；另一个原因为在锚固初期施加的预应力，可以使得原有岩层中的裂缝、节层理之间的结构面变得更为紧密，从而可以提高岩层间的抗剪力，并且使得围岩的整体强度得到提高。

3.2 锚固控制基本要求

（1）一次性支护。巷道开挖后就进行立即支护，其目的是为了控制巷道内的围岩发生离层、造成裂隙生长。并且，在进行锚固支护时要做到一次性支护到位，避免因为二次支护造成巷道进一步破坏。

（2）坚硬岩层锚固原则。锚杆的端部必须插入到坚强的岩层或岩土塑性区内，如果锚固层中没有出现坚硬岩体和可以依靠的塑性岩土，则必须采用全长型的刚性锚固杆加以锚固。

（3）锚网索支护与围岩注浆加固相结合的原则。深井由于应力水平高、岩层倾角大、易发生层间错动、围岩破碎、地质构造复杂、矿井灾害严重等多重困难条件，使得围岩内部存在较大的裂隙与离层。因此，在巷道开挖后，采用锚固与围岩注浆加固相结合的方式进行巷道支护，及时控制围岩变形破坏。

4 结语

深井底鼓的改造措施和相关的技术方法都有很多，但一定要根据工程实际情况来进行选择。要想能得到最合适的治理方法，得必须进行从多方面进行比较研究，把现场监测、实验室试验、理论计算和数值模拟等多种方法进行相合。特别是在实验室试验和数值计算与模拟方面，如何真实的模拟出深井巷道的工程状况，得到较为满意的效果，还有待各巷道参与者们的进一步研究与探讨。

参考文献：

[1]张辉.超千米深井高应力巷道底鼓机理及锚固技术研究[D].中国矿业大学（北京）博士学位论文，2013.

[2]康红普.深部巷道锚杆支护理论与技术[C].中国煤炭学会第六次全国会员代表大会暨学术论坛论文集，2007.