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深部软岩巷道底鼓治理技术分析摘要:底鼓是煤矿巷道中经常发生的动力现象,巷道底鼓使巷道断面缩小,阻碍运输,通风和人员行走,因底鼓造成巷道报废的现象时有发生。随着采深的增加和机械化程度的提高,所需巷道断面的增大,底鼓问题将更为突出,严重影响和威胁安全生产。本文在综述国内外关于底鼓原因和防治研究成果的基础上,分析了深部软岩巷道底鼓的机理,并提出了相应的控制技术措施,有效地解决复杂条件下软岩巷道的底鼓问题。关键词:深井;软岩巷道;底鼓机理;底鼓治理;力学分析1 绪论1.1研究意义资料表明,在我国的经济建设中95%的能源和80%以上的工业原料均源自矿产资源,目前煤矿开采深度以每年812m的速度增加,东部矿井正以每10年100250m的速度发展。预计在未来20年很多煤矿将进入到1000m到1500m的深度,而随着开采垂直深度的增加,就不得不面对一个难题-软岩,软岩问题从20世纪60年代就作为世界性难题被提了出来,特别是煤矿软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一,而深井特殊条件下软岩巷道底鼓治理研究将是一个重要的研究课题。软岩是诱发巷道底鼓的主要因素之一。巷道由于掘进或回采影响引起其围岩的应力状态和围岩性质发生变化,使顶底板和两帮岩体发生变形并向巷道内位移,底板岩体向巷道内位移为底鼓。底鼓现象是巷道围岩稳定性课题中的特殊问题,近年来随着煤炭资源的井下开采深度越来越大,软岩巷道的大变形、大地压、难支护的工程问题日趋严重,底鼓是软岩巷道矿压显现的主要特征。在对底板不支护的情况下,巷道顶底板移进量中约有2/33/4是由底鼓造成的。底鼓导致巷道断面缩小,阻碍运输和人员行走,妨碍通风,许多矿井不得不投入大量人力、物力做一些临时处理工作,底鼓严重矿井,造成整个巷道报废,严重影响了矿山的生产和安全。近年来,国内外许多专家学者对煤矿巷道底鼓机理和控制技术作了大量的研究工作,取得了一大批重要的研究成果,提出了许多底鼓控制实用技术。但仍存在很多问题有待解决。为了解决深部软岩巷道底鼓问题,本文对巷道底板岩石进行了室内实验,建立了力学分析模型,研究特殊使用条件下的软岩巷道底鼓问题及治理方法,为进一步开展软岩巷道底鼓机理及防治研究工作奠定了基础,提供了参考依据。1.2国内外研究概况1.2.1软岩巷道底鼓产生的原因为了控制软岩巷道底鼓,就产生底鼓的原因,国内外近来对软岩的物理、水理力学性质、产生巷道变形与底鼓的力学机制及控制底鼓的技术措施开展了大量的研究工作,取得了一大批理论和技术应用成果。近年来随着矿井开采深度不断加大,底鼓现象己成为软岩巷道与弱结构巷道围岩变形和破坏的主要特征与形式之一。针对底鼓的机理与防治对策,国内外开展了广泛的研究,发表了许多论著。其研究工作从岩层的性质着手,借助于多种手段,研究了软弱岩层的矿物成分及微结构特征,初步论述了软弱岩层的物理性质与强度和变形的关系。分析了软弱岩层遇水软化、崩解、鼓胀的机理以及水理性质对软弱岩层力学参数的影响。在力学性质方面,研究了软弱岩层受力后表现出来的弹塑性、扩容性及流变性等力学特性。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。当底板处于软弱的泥岩、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,在地应力作用极易产生底鼓,造成底板失稳。底板含水会减小岩层节理以及节理与裂隙间的摩擦力,形成岩层滑移面,致使致密岩层分成薄层,岩体结构变松散,在地层应力作用下,底板易发生底鼓。岩体一般都具有一定的吸水率,长期接触水后会加速岩石的软化度,降低岩层的强度,当巷道底板为含蒙脱石、高岭石、伊利石等膨胀性粘土矿物时,浸水会发生岩层泥化、崩解、破裂现象,最终膨胀破坏。1.2.2软岩巷道底鼓机理研究前苏联在底鼓机理方面的研究取得了较多的成果,秦巴列维奇几JI.M.认为底鼓现象的力学本质与松散土体在两个压模传给底板的荷重作用下压出的现象是一样的,并应用极限平衡理论计算底鼓岩层作用在巷道支架上的压力。兹包尔什奇克M.JI.等认为巷道底板岩层突然鼓起是由于底板中塑性层对下部岩层移动的阻力以及底板岩层暴露的面积与周长的比例急剧变化时岩层储存的弹性能释放的结果造成的。利特维斯基r.r.在研究准备巷道底鼓机理过程中,提出了一个判别岩层破坏的局部性破坏准则(该准则将巷道周边的应力图与岩层强度图进行比较,以此确定巷道周边的稳定地段、极限地段及不稳定地段)。切尔尼亚克利用数理统计法对大量实测数据进行了分析,得出了预测巷道底鼓的经验公式。德国的奥顿哥特M.运用相似材料模拟实验研究了巷道底鼓的全过程,他认为巷道岩层的破坏顺序为:首先是两帮岩层由于垂直应力作用被压裂,之后是巷道顶底板由于水平应力的作用向巷道内鼓出,其中较先破坏的是直接底板岩层。美国的K.HARARM把底板岩层看作两端固支的岩梁进行分析,讨论了底板岩层的应力状态及稳定性。A.Afrouz指出,引起巷道底鼓的因素主要有三种,即:底板为松软岩层;巷道围岩中存在较高的岩层应力和水理作用。D.J.Rockway通过对巷道底鼓现象的调查认为巷道底鼓主要取决于底板表面以下至少6m后的岩层的性质。康红普认为:底板岩层挠曲引起的底鼓量占总底鼓量的67%,底板岩层弹塑性位移和扩容位移产生的底鼓分别是总底鼓量的11.8%和11.2%,认为底鼓的原因在于失稳的底板岩层向巷道内压曲、偏应力作用下的扩容、岩石自身的遇水膨胀。曲永新则认为底板泥岩遇水膨胀是隧道底鼓的本质。姜耀东、陆士良根据巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态的差异、底板岩层鼓入巷道的方式将底鼓分为4类:(l)挤压流动性底鼓;(2)挠曲褶皱性底鼓;(3)遇水膨胀性底鼓;(4)剪切错动性底鼓。贺永年、何亚男通过对茂名矿区软岩巷道变形的实测和研究认为,茂名矿区的底鼓变形全过程是:由两帮岩柱传递顶板压力开始,两帮围岩在挤压底板的同时一起下沉,底板在严重挤压变形的情况下发生断裂,然后底板隆起。侯朝炯、马念杰通过对回采巷道底板的受力变形分析,认为回采巷道底板位移分为两个阶段:(1)第一阶段不受采动影响时,巷道底板浅部岩层缓慢向上运动,2m以下的岩层位移基本为零,说明回采巷道不受采动影响时底板主要发生向上的移动,与一般基本巷道围岩位移有一致的规律性。(2)第二阶段随着采煤工作面的推进,通过煤帮作用到巷道底板上的应力迅速增加,致使底板表面附近浅部围岩发生严重塑性破坏,出现强烈底鼓。深部围岩出现不同程度的下沉,离工作面越近下沉越显著。潘一山等借助有限单元法和相似材料模拟实验研究了巷道底鼓的时间效应及软岩遇水膨胀引起的底鼓。认为大量底鼓的岩石来源由三部分组成:巷道底板下一定范围内的岩石、两帮下部底板岩石和两帮围岩,并建立了底板岩层渗水膨胀软化模型。在软岩的膨胀力学机制方面,Norrish、日本的褚须腾俊男、我国学者曲永新、罗鸿禧、于双忠、谭罗荣、高国瑞、陈宗基、何满潮、陆家梁等对软岩的膨胀性作了大量实验和理论研究,并分析了软岩的膨胀力学机制。关于巷道底板挠曲量计算也有了一些研究成果,K.HARAMY将底板看成两端固支的岩梁进行理论分析,得到一些有益的结论;利用板壳理论建立了底板的压曲微分方程;还有非线性大变形连续体力学理论也已用来进行底鼓量的计算。综上所述,底鼓通常由下述的一个或多个因素引起:(l)开巷后围岩应力变化造成巷道底板岩层卸载产生弹塑性变形向巷道内鼓起;(2)巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板,使底板受水平应力作用向巷道内鼓起;(3)在上述应力作用下底板破碎后产生的体积扩大;(4)底板岩层的流变性导致底鼓量随时间延长而增加;(5)巷道底板出现拉应变和两帮下沉而导致底鼓;(6)水对底板的作用,底板中某些粘土矿物如蒙脱石等遇水后体积膨胀,并使围岩强度降低,结构松散,易崩解、破碎。1.2.3存在问题从国内外研究现状来看,软岩巷道底鼓机理及控制技术己取得了一定的成果。但由于巷道围岩性质、应力状态和所处地质条件的复杂性,人们没有也不可能提出一种能解释一切底鼓的统一机理。每种底鼓机理都是基于一定条件提出的,因而都有其适应范围,不能用来解释一切底鼓。如“压模效应”理论假设巷道底板为软弱岩体,两帮为坚硬岩体,它不能解释整个巷道围岩均为软弱岩体时发生的底鼓;“挠曲效应”理论无法解释巷道底板为软弱破碎岩层的底鼓,因为软弱破碎岩层在开巷时就已受到破坏,不会产生弹塑性挠曲。对某一特定的软岩巷道来说,其围岩性质及所处的条件总会与底鼓机理的理论模型存在一些差别,其底鼓的发展过程往往有着特殊性的一面,因而只有进行具体的分析才能深入揭示底鼓的机理。目前,绝大部分底鼓控制方法较单一,尚未深入研究联合加固巷道其它部位(包括底板、顶板、两帮、顶角、底角)控制底鼓技术,实际上,巷道是由两帮、顶板、底板构成的有机整体,相互之间存在受力与变形的相互影响,改变其中一部分的力学特性和应力环境,势必造成对其它部分的受力和变形。因此,底鼓控制技术如只围绕个别部位进行就难以达到理想的控制效果。目前所有的底鼓控制技术都只能适应一定的条件。如当巷道底板岩层内虽含有软弱岩层,但其下部有稳定岩层存在,而且底板锚杆可深入其中时,底板锚杆的使用效果较好;而当底板岩层节理裂隙非常发育、含有大量粘土矿物时,底板锚杆的收效甚微。因此,对一条特定的巷道来说,其底鼓控制技术必须进行具体的分析。在选择底鼓控制措施时,通常考虑两个因素:底鼓控制效果和技术经济可行性,如果成本高昂,即使有着良好的底鼓控制效果也不可能在矿山广泛推广应用,如浇筑混凝土反拱。总之,任何巷道底鼓的产生都有其特殊性的一面,只有深入分析巷道底鼓产生的特定条件,才能揭示底鼓的机理,才能有效地、经济地选择底鼓控制措施。要维护软岩巷道在生产期间的安全,就必须对巷道进行支护。合理的支护,应在正确的支护理论的指导下进行。因此,支护理论是实施地下工程支护的指导思想及设计依据。软岩巷道支护一直是煤矿开采过程中十分重要的问题,随着煤矿开采向纵深发展,软岩巷道支护问题就越来越突出。目前软岩支护仍停留在经验性和工程类比阶段,工程性试验也有一些进展。1.3研究内容本文主要研究内容:(l)研究试验巷道岩石物理力学性质,分析在此条件下诱发底鼓的机理。(2)结合对顾北矿典型破碎型巷道底鼓的观测,分析底鼓产生原因,对底鼓可能的变形破坏模式进行研究,并对现状进行评价。(3)在复杂组合荷载作用下,研究确保软岩巷道底板的小变形量的加固方法;完成巷道围岩与底板绞车房基础的加固设计。(4)采用地锚注浆加固的新方法对巷道底板进行治理,完成绞车机房底板加固方案设计中锚杆、锚索和注浆参数的确定及方案设计中围岩松动圈、巷道收敛、注浆参数的现场监测。(5)根据现状评价的结果设计一套综合治理方案,应用FLAC-3D数值模拟研究底鼓的应力场特征,加固对底板稳定性的影响,并对加固后底板的变形发展趋势进行预测。(6)利用现场监测为工程提供反馈信息,完成软岩巷道底板加固方案的效果评价。2软岩巷道底鼓的影响因素2.1软岩巷道底鼓的特征软岩巷道底鼓是指巷道由于掘进或受回采影响引起其围岩的应力状态发生变化以及在维护过程中围岩性质的变化,使顶底板和两帮岩体变形并向巷道内移动,底板向上隆起的现象。底鼓是软岩巷道矿压显现的重要特征之一。大量井下观测表明,软岩巷道、硐室的底鼓通常具有流变性,底板岩体随时间持续地向巷道内鼓出。软岩巷道底鼓特征主要表现以下三个方面:(1)由于软岩强度比较低(或相对于地应力较小),特别是当巷道处于软弱岩层或巷道位于断裂带、风化带附近时,由于节理裂隙发育,易受到水和风化作用的影响,导致底板岩层的稳定性极差,表现为底板岩层位移及破坏范围都比较大。(2)软岩巷道底鼓对应力的变化很敏感。在一定的地质及生产条件下,软岩巷道底鼓可能表现得并不明显。但随着巷道深度的增加或受到采动影响,底板岩层就会失稳并向巷道内鼓起。己有的研究成果表明,对于同一条软岩巷道,由于受采动影响程度的不同,底鼓量可相差十几倍,甚至上百倍。(3)软岩巷道底鼓具有明显的时间效应。具体表现为,底鼓的初始速度大,之后逐渐减缓并过渡到比较稳定的阶段。底鼓速度趋于稳定的时间比较长,而且在稳定状态下底板岩层仍以一定的速度向巷道内移动。当总的底鼓量超过一定数值后,底鼓速度还会再度增大,导致底板岩层破坏。2.2软岩巷道底鼓的主要影响因素引起底鼓的因素很多,其中影响最大的是底板围岩性态和岩层应力,其次是水理作用、支护强度和巷道断面。2.2.1围岩性质与结构状态围岩性质和结构状态对巷道底鼓起着决定性的作用,这主要表现在以下几个方面:(1)底板岩层的结构状态(破碎结构、薄层结构、厚层结构)决定着如前所述的底鼓类型。(2)底板岩层的软弱程度决定着底鼓量的大小。(3)底软弱岩层的厚度对底鼓量也有重要影响。随着直接底板弱岩层厚度的增加,底鼓量将急剧增长。但当软弱岩层厚度超过巷道宽度时,底鼓量的增长量会趋向缓和,并有收敛到一定值的趋势。2.2.2岩层应力岩层性态是巷道底鼓的充分条件,岩层应力则为必要条件。只有岩层应力满足一定条件时才会产生底鼓,岩层应力越大,底鼓越严重。因此深部开采的巷道比浅部开采的巷道底鼓严重得多,残余煤柱下的巷道和受采动影响的巷道也往往严重底鼓。垂直应力,和水平应力H都可能引起底鼓,在地质条件完全相同的情况下,相似材料模型研究表明,当底鼓主要是由垂直应力引起时(=2H),底板岩层破坏范围呈梯形状;当底鼓主要由水平应力引起时(H=2),底板岩层的破坏范围呈倒梯形或倒三角形状。2.2.3水理作用煤矿生产的特点之一是巷道底板往往积水,水的存在使得底鼓更加严重,主要表现在3个方面:(1)底板岩层浸水后其强度降低,更容易有破坏。(2)当底板为高岭石、伊利石等为主的粘土矿物岩层时,浸水后往往会泥化、崩解、破裂,直到强度完全丧失,形成挤压流动性底鼓(弧状底鼓)。(3)当底板为含蒙脱石和伊/蒙混层等膨胀岩层时会产生膨胀性底鼓。底板积水时,水不仅与暴露的底板岩体发生接触,还要通过裂隙渗入到底板内部,加速底板围岩的强度丧失和体积膨胀,这又导致裂隙的进一步扩大,形成恶性循环。2.2.4支护强度使巷道的底板通常处于敞开不支护状态是由于以下原因:(1)生产上出于安全考虑,总是加固或支护巷道顶板和两帮以防止冒顶和片帮,而认为底板即使破坏也无关紧要。(2)挖底出碴工作量大,砌筑底拱费事。(3)锚固底板施工比较困难。(4)一旦支护控制不住底鼓,卧底时还需要清理损坏的支护,工作量更大等。这些是巷道底鼓量一直大于顶板沉降量的重要原因。2.2.5巷道断面形状为了有效利用断面,煤矿巷道断面通常采用梯形或直墙拱顶等形状,由于底板不能形成稳定的拱形结构使底鼓量加大。有限元计算结果表明,在所有条件都相同的情况下,直墙半圆拱的底鼓量比圆形巷道的底鼓量要大1/3以上。3软岩巷道底鼓的力学机理分析根据软岩巷道底鼓变形量的大小,可将其划分为四个类型,即轻微底鼓(100200mm)、明显底鼓(200300mm)、严重底鼓(300500mm)及破坏性底鼓(500800mm),其中后三种类型的底鼓均对巷道造成不同程度的损坏,需要及时维护或彻底返修方可使用。软岩的扩容、膨胀、弯曲及流变是引起巷道底鼓的主要原因,软岩巷道底鼓是复杂的物理力学过程,与软岩的物理、力学特性及围岩应力状态和工程环境条件有关。根据软岩巷道底鼓发生的机理可分为塑性挤出型底鼓、膨胀型底鼓和应力型底鼓三大类。3.1应力型底鼓3.1.1应力型底鼓力学模型应力型底鼓主要是由于巷道围岩压力引起的底板变形。根据围岩岩性及岩体结构分析,底板岩体较破碎,在掘进过程中巷道周边的围岩松动圈往往会很大,随着帮部受力逐渐增大,使得两帮的应力集中转移到岩体深部,在这种情况下就没有大压模效应的作用,这样底板在远场地应力挤压作用下,使得底板破碎岩体向巷道内剧烈变形形成底鼓。1朗肯土压力理论在建立力学模型之前,先介绍朗肯土压力理论,当巷道底板处于极限平衡状态时,依据该理论可以获得底板支护荷载的大小。英国学者朗肯(Rankine)从研究弹性半空间体内的应力状态,根据土的极限平衡理论,得出计算土压力的方法,又称为极限应力法。图5半空间体极限平衡状态考察墙后土体表面深度Z处的微小单元D的应力状态,当挡土墙在土压力的作用下向远离土体的方向位移时,作用在微分土体上的竖向应力保持不变,而水平向应力逐渐减小,直至达到土体极限平衡状态,此时水平向应力即为主动土压力强度Pa。当挡土墙在土压力的作用下向着土体方向位移时,作用在微分土体上的竖向应力仍保持不变,而水平向应力逐渐增大,由小主应力变为大主应力,直至达到土体处于极限平衡状态,此时水平向应力即为被动土压力强度Pp。当土体处于极限平衡状态时,土中任意一点处存在两个滑动面,这两个滑动面与大主应力1的作用面之间的夹角等于45+/2,与小主应力3的作用面之间夹角等于45-/2。因此,当墙背面土处于主动极限平衡状态时,土体中形成两组连续而又对称的滑动面,滑动面与水平面(大主应力作用面)之间的夹角为45-/2,滑动面与竖直面之间的夹角为45+/2。(1)主动土压力计算根据土的极限平衡理论。当土体内某点达到主动极限平衡状态时,该点的主动土压力强度Pa的表达式如下:无粘性土: 粘性土:式中:K为主动土压力系数,有K=对于无粘性土,主动土压力强度与深度Z成正比,土压力分布呈三角形。据此可以求出墙单位长度总主动土压力为:(2)被动土压力计算计算被动土压力时,根据极限平衡理论,当墙移向土体的位移达到朗肯被动土压力状态时,在深度Z处任意一点的被动土压力强度PP的表达式为:无粘性土:粘性土:式中:Kp为被动土压力系数,有Kp=对于无粘性土,被动土压力强度与深度Z成正比,土压力分布呈三角形。据此可以求出墙单位长度总被动土压力为:2底鼓力学模型图6巷道底鼓力学模型图6是以巷道围岩本构关系与应力作用模式,建立的应力型底鼓力学模型及分析计算简图。参考顶板压力拱理论,巷道开挖后,假设在巷道顶板围岩能形成压力拱JKL,拱高为H,压力拱以上的荷载通过拱脚J、L转加到深部围岩中,巷道支护体仅支撑拱内围岩的荷载。在巷道底板AB高程上,侧壁围岩中BE面上受到压力拱内围岩竖向的压力(h+H)作用(假定巷道两帮条件相同,仅分析一侧),根据朗肯压力理论分析,巷道底板围岩会产生主动塑性应力和被动塑性应力状态,在竖向压力(h+H)作用下,BDE区岩体处于主动塑性压力状态,而ABD区岩体则处于被动塑性压力状态。当ABD区岩体达到被动塑性压力状态时,随着时间效应的加大,同时在水平地应力的挤压下,使AB面向上临空隆起或挤入巷道,从而产生竖直向上的底板围岩压力,当其超过岩体极限强度时,将导致巷道底板AB破坏,产生底鼓现象,这就是应力作用和扩容变形产生的底鼓的原因。3.1.2底膨支护荷载P0计算及结果分析1.支护荷载P0计算图7被动塑性区受力分析根据巷道应力型底鼓模型及围岩压力计算简图可分析巷道底鼓压力。如图7所示,假定巷道底板岩体处于极限平衡状态。BDE区处于主动塑性平衡状态,而ABD区则处于被动塑性平衡状态。因此,BD右侧承受主动压力,而其左侧承受被动压力。D点深度Z0可以根据D点右边主动压力等于其左边被动压力的条件来决定,当巷道底板岩体处于极限平衡状态时,作用于D点的主动压力、被动压力分别为:(3-1)由条件得:(3-2)解得:(3-3)式中:Z0一底鼓破坏或塑性区发展深度。H压力拱高度h大巷设计高度岩层内摩擦角R塑性区半径下面先计算塑性区半径R:建立塑性区应力微分方程:取扁形单元体,扇形单元体的平衡条件是沿任意方向的作用力总和等于0,由此,可获得单元体平衡的微分方程:(3-4)建立塑性区内岩石的本构方程,求得:(3-5)R即塑性区半径。当极限平衡破坏以后,巷道底板产生向上压力。此时BDE滑移体处于主动状态,所产生的总主动压力君作用于BD右侧,水平指向左,试图将BD向左推移。ABD滑移体处于被动状态,所产生的总被动压力凡作用于BD左侧,水平指向右,试图将BD向右推移。显然,P1、P2之差P12即为即为推动滑移体ABD向左滑动的实际动力, P12也有水平方向,有:(3-6)(3-7)促使滑移体ABD沿着AD面上滑动的实际滑动力Tt为:(3-8)同理,在BG面上也可以得到相同大小的滑动力Tt,AD面和BG面上2个的滑动力Tt的合力P0。即为所求的巷道底板的围岩压力。即有:(3-9)代入以上公式得:(3-10)参数值:2计算结果分析对于(3-10)式的讨论(l)对于底板支护荷载P0的计算,只考虑到了底板上覆岩层(顶板拱内及两侧帮)的垂直应力和水平地应力,同样底板下部岩层也会产生一定的应力作用于底板上,但其影响较小,我们只需对计算值P0留置一个安全系数n即可。(2)依据外接圆理论,将不同断面的巷道简化成圆形巷道有助于力学计算,当底板岩层不处于破碎带中,也具有一定的自承能力,即使底板岩层破碎或处于完全塑性状态,也具有一定的自重荷载,但在计算中不予以考虑,这有助到工程安全。(3)从计算结果可以看出,当底板的跨度越大,即a越大,底板越易失稳,所需的支护力也越大;底板跨度越小,底板越稳定。(4)从参数值计算过程可以看出,当底板支护力越大,可以减小Z0值,底板支护荷载就越小,底板越稳定,底朦就不易扩展。可以采用U型钢支护、底板锚杆支护,增大底板支护力及保持底板岩层的整体性。在底板开却压槽也有利于对底鼓的控制,减小底板附近围岩的应力值,使其转移到深部围岩之中。(5)生产实践中,在两帮开却压槽对控制巷道底鼓不利,这是因为在两帮开却压槽相当于增加了底板的跨度,这与(3)的分析是一样的,底板跨度越大,越容易产生底鼓。(6)从力学模型中,我们还可以看出,加固角部围岩对于巷道的稳定是最有效的,这是因为角部围岩最近接塑性区,关键是角部往往是松动圈内围岩稳定的支撑点,所以打角部锚杆一定要够长,能固结到松动圈外的硬岩中。从分析中,我们也得出,在设计巷道断面时,应该尽量设计成近似圆形或椭圆形,避免尖部应力集中。(7)一对于软岩巷道而言,松动圈内的围岩是弹塑性交杂的复合体,根据巷道不同的用途,应该具体分析。对于受动区影响越大的软岩巷道,其底鼓的发展实际上是一个动态变形过程,应该考虑动荷载对底板岩石的影响。3.2膨胀型底鼓膨胀型底鼓主要是由于受水理性质的影响,引起巷道底板岩层膨胀和岩体应变软化造成的。底板泥岩中蒙脱石、伊利石含量高,在高应力地质条件下,浸水后膨胀性矿物在内部及外部膨胀机制的作用下,水分子进入晶胞层间和颗粒间形成层间膨胀和粒间膨胀。而随着巷道的掘进,底板岩体受力逐渐增大,岩体中的微裂隙不断扩展、贯通,在应力扩容机制下产生剧烈的体积增大,从而引起巷道膨胀型底鼓。典型的膨胀型软岩有粘土岩、页岩、泥岩、蛇蚊岩、泥灰岩、片岩以及受热液化变质作用的花岗岩、片麻岩、安山岩等。在工程实践中这些岩石会引起诸如边坡岩体吸水膨胀而导致失稳,建筑物地基不均匀缩胀变形而造成开裂,巷道、隧道开挖后围岩吸水膨胀使岩体塑性挤出或底板隆起而导致巷道与铜室的破坏,工作面底板断层软弱带吸水膨胀软化而造成底板突水等,膨胀型软岩对工程具有极大危害。当岩体受到扰动影响,特别是湿度条件发生变化时,膨胀围岩的工程特征会发生很大的变化,产生体积膨胀,对支护结构产生膨胀压力,严重影响工程稳定。目前人们对膨胀软岩的膨胀力学机制和本构关系的认识还不完善,不能针对性地控制膨胀性软岩问题,所以膨胀型软岩仍然是工程中难以解决的工程难题。3.2.1膨胀型底鼓的主要影响因素膨胀岩是与水的物理化学反应有关的随时间而发生体积增大的一类岩石。因此,膨胀型底鼓主要原因是受水理作用。煤矿中的巷道经常积水,而软岩遇水后性质会有很大改变,特别是在水浸泡过后,然后干燥,反复这样的过程,软岩将发生不可逆的物理化学变化,使得底板岩层软化泥化。软岩巷道掘进与支护论文集中指出:在最细的裂隙中,毛细水的楔压可达1500k沙mZ。受强大的毛细水楔劈作用,软岩发生强烈的吸水膨胀和崩解,产生膨胀变形与膨胀应力。软岩遇水膨胀性能与软岩含膨胀性矿物的多少及胶结程度有很大关系,这类岩石含有蒙脱石、伊利石及伊蒙混层,硬石膏与无水芒硝等矿物。前者有极强的亲水性,能将水分子吸附在晶格表面,而形成水化层,水化层的楔入引起岩石的膨胀;后者遇水后,直接与水发生化学反应,水分子加入原来矿物分子而形成结晶水,引起岩石的膨胀。天然不受扰动的软岩岩石并不一定遇水崩解、膨胀破坏,而此破坏往往是在一定的活化作用下发生的。巷道掘进过程中,或者投入使用以后,存在很多活化因素。比如温度的变化,引起湿度的变化,而这种温度变化反复交替发生,形成活化作用。温度的变化可能由通风,以及春夏秋冬四季变化和昼夜变化等引起。另外,通风的风流对底板围岩也具有风化作用,巷道受到行人、车辆及附近工作面放炮震动等机械影响,也会加剧底板的裂隙,使得水理作用更容易发生。软岩在水的物理化学作用下发生膨胀、崩解、泥化等破坏,体现在力学指标上的变化有:孔隙率明显增大,强度明显降低,弹性模量也降低,粘结力几乎丧失,摩擦系数减小,残余强度降低,自然含水状态下软岩膨胀应力增大等。所以水理作用主要表现在以下三点:(1)底板含水会减小岩层节理以及节理与裂隙间的摩擦力,形成岩层滑移面,致使岩体结构变松散,岩体强度降低,在地层应力作用下,底板发生底鼓。(2)岩石一般都具有一定吸水率,实验表明,粘土页岩饱含水时,单向抗压强度会降低62%-85%,由于水的影响,底板变得松软,裂隙发育加速,且成倍增加。(3)对于含膨胀性矿物成分较多的软岩巷道,具有极强的亲水性,在裂隙水断层水以及施工用水的浸泡作用下,会发生岩层泥化、崩解、破裂现象,最终导致底板岩层的碎胀和膨胀性底鼓。3.2.2膨胀型底鼓发生的过程软岩巷道周围存在一个塑性区,巷道开挖以后,围岩在应力重新分布的过中,产生过破裂和扩容,裂隙比较严重。在巷道积水的情况下,水不仅与暴露岩石发生接触,而且能通过裂隙渗流进入围岩内部,增加了水与岩石的接触面积,加剧了水与岩石的物理化学作用,围岩体膨胀速度与强度丧失的速度便会加快。此时,底板围岩的强度变得更低,或者完全丧失,导致塑性区不断扩大。另一方面,岩石除了自身了孔隙加大以外,还受到强大地压作用,特别是水平地压的作用下,使得底板产生扩容,形成更大的裂隙。施工用水在孔隙、裂隙中进行自由渗流,当底板积水达到一定量时,底板形成水的饱和区和非饱和区及自然含水区。饱和区内岩石几乎完全破坏,并随时间的推移饱和区不断扩大。扩大范围不仅是底板,而且扩展到两侧。非饱和区内尽管与岩石接触的水量不大,但其引起的破坏也不能忽视。非饱和区内强大的毛细压力破坏岩体的结构,使岩体的孔隙率开始增大,有利于水的进一步渗流。非饱和区内岩体还具有承载能力,但非饱和区强度已经严重下降,并且范围不断扩大,自然含水区由于饱和区、非饱和区的增大而向深部进一步转移。随着水的进一步作用,底板岩石具有很大的流变性,随时间的推移,使底板岩层完全处于饱和状态,底板发生膨胀变形以及蠕变变形。软岩随着浸水一干燥过程的反复进行,受到机械活化作用与流变作用,每次膨胀变形都比上次加大,一直到底板岩石被挤进巷道内,发生底鼓。所以对于底板富含膨胀性矿物岩石时,一定要及时防水,否则底板将持续进行,直至影响生产。3.3塑性挤出型底鼓塑性挤出型底鼓也是由于应力作用下产生的,但由于它具有一定的特殊性,因此,区别于底板为完整性较好的块状、层状结构。深部高应力条件下,较为软弱的层状物质,如破碎带岩石、泥岩和其它散体结构,在应力超过其屈服强度时,软弱的塑性物质沿最大应力梯度方向向临空区挤出,发生流动性破坏。如软弱的泥岩在深部高动、静载荷作用下,发生的塑性流动。直接底板为软弱破碎粘土岩,而两帮和顶板岩体强度大于底板岩体强度。在两帮岩柱的压模效应和远场应力作用下,底板软弱破碎岩体挤压流动到巷道内,造成巷道底鼓量增大。当巷道底板处于松软破碎的岩体中,这时巷道周边的围岩松动圈很大,两帮的应力集中转移到岩体深部,从而不存在压模效应。底鼓主要是在远场地应力作用下挤压底板破碎岩体向巷道内整体溃散。不封底时底鼓速度比两帮及顶板收敛速度大得多,封底时底鼓发展速度慢一些,但增加了两帮的收敛速度。4软岩巷道底鼓防治措施研究底鼓机理的目的在于选择合理的防治措施,目前出现的防治底鼓的措施,按照机理的不同,可分为三大类型,即:支护加固法、卸压法及联合支护法。本章在前面理论分析的基础上,对这些措施进行评述,分析其防治底鼓的机理、合理参数的选择、适用范围及施工方法等,为解决工程实际提供合理的防治底鼓的方法。4.1支护加固法支护加固法就是对具有底鼓趋势的软岩巷道底板岩层进行支护或增强其强度,从而提高底板岩层的稳定性,减小底鼓量。它包括底板锚杆、底板注浆及封闭式支架等形式。4.1.1底板锚杆锚杆支护作为一种行之有效的支护方式已广泛应用于煤矿开采等地下工程的维护领域。在适当的条件下,它对巷道围岩有良好的控制效果。底板锚杆能否有效地控制软岩巷道底鼓,不仅取决于底板岩层性质及应力状态,而且与锚杆的布置方式、参数、安装时间及安装质量等多种因素有关。因此,只有全面考虑各种因素,才能正确评价底板锚杆的支护效果。1底板锚杆控制底鼓的机理底板锚杆在岩层中的工作原理归纳起来它主要有两个方面:一是将软弱底板岩层与其下部稳定岩层连接起来,抑制因软弱岩层扩容、膨胀引起裂隙张开及新裂隙的产生,阻止软弱岩层向上鼓起。其次是把几个岩层连接在一起,作为一个组合梁,起承受弯矩的作用。此组合梁的极限抗弯强度比各个单一岩层的抗弯强度的总和大。一般地,如锚杆能深入到坚固、稳定的岩层内部。则以发挥第一种作用为主。相反,如果锚杆只布置在软弱者层内,则锚杆的加固作用占主导地位。2底板锚杆的适用条件及设计底板锚杆在一定条件下可以有效地控制软岩巷道底鼓,但是这种方式并不能运用于所有的情况。一般地,当巷道底板岩层内含有软弱岩层,但其下部有稳定岩层存在,而且底板锚杆可深入其中,巷道所受的采动影响不很强烈的条件下,底板锚杆的使用效果较好。另外它也适用于某些高地应力岩层。对于节理裂隙非常发育、含有大量粘土矿物、温水膨胀的软弱岩层,不适宜用底板锚杆控制底鼓。所以在采用底板锚杆之前,必须对底板岩层的可锚性进行详细论证。确定采用底板锚杆之后,就可按照软岩巷道的地质及生产条件确定锚杆支护形式及参数,包括锚杆的种类、长度、密度,锚杆的直径及破坏载荷,锚杆的锚入方向及埋头深度等。(l)锚杆种类目前出现的锚杆种类很多。按锚固长度可分为端头锚固和全长锚固锚杆;而按锚固方式可分为机械式锚固及粘结式锚固锚杆;按锚杆材质可分为木锚杆、竹钳杆、钢锚杆及玻璃钢锚杆等;按作用原理可分为非预应力及预应力锚杆;按工作特性可分为刚性锚杆及可拉伸锚杆;按联系方式可分为单一锚杆及组合锚杆。端锚式锚杆只能将底板浅部岩层连接在深部岩层上,不适合锚固松软破碎的底板。采用全长锚固锚杆,可将锚杆与岩层连成一体,有利于底板岩层的稳定。采用全长锚固锚杆加固底板时,可使用非预应力锚杆。这种锚杆只要有轻微的岩层移动就能承受载荷,而且可不安装锚杆端部垫板。对于服务年限长、底鼓比较强烈的软岩巷道,锚杆材料应采用钢材。对于服务年限短、底鼓量较小的回采巷道,可采用木锚杆、竹锚杆及其他它的经济型锚杆。当底板有积水时,不宜采用锚固力及杆体性能受水影响严重的锚杆。目前,一般采用水泥砂浆作为底板锚杆的粘结剂。当水泥砂浆从锚孔挤入周围的岩层后,有裂隙的岩层也可起到加固作用。在底鼓严重的软岩巷道中,可采用可拉伸锚杆。这种锚杆能提供足够的拉伸以适应底板岩层的变形,使得锚杆在大变形的情况下不致于拉断或与岩层脱离,去对底鼓的控制作用。为了提高底板锚杆的整体支护效果,可采用组合锚杆。这种支护方式把锚杆连成一体,具有比单一锚杆更优越的性能。(2)锚杆长度底板锚杆的长度取决于软岩巷道底板可能鼓起的范围和深度。一般认为,底板锚杆应穿透全部可能鼓起的岩层。根据以前相似材料模型试验及现场实测的研究成果知,底板岩层的破坏深度一般为巷道宽度的0.5-0.75倍,最大可达1倍的巷道宽度,所以底板锚杆的长度至少应等于这个值。否则,锚杆阻止底鼓产生的效果不很明显。(3)锚杆密度在一定的条件下,即使采用较小的锚杆密度,也可以有效地控制底鼓。但在某些情况下,虽然采用了较高的锚杆密度,但支护效果并不一定明显。关键在于底板岩层的完整程度及所需的支护阻力。过高的锚杆密度只能在松软破碎及高地应力的底板岩层中使用,否则会增加支护费用。(4)支护阻力对于锚杆的支护阻力、锚杆的破断载荷及锚杆密度之间存在以下关系,Pi=PdDb(2-1)式中:Pi锚固的阻力,kN;Pd锚杆的破断载荷,kN;Db锚杆密度,根/m2;与锚杆长度、岩层性质及锚固方式等有关的系数。当根据所需的支护阻力、锚杆密度及值计算出的载荷大于锚杆杆体的破坏载荷时,应适当加大锚杆密度。(5)锚杆的锚入方向由于底鼓时软岩巷道底板岩层层面会出现相对滑动,所以垂直片岩层面安装的锚杆主要承受剪切力,而处于受拉状态下的锚杆会产生较大的阻止底板岩层移动的抗力。从理论上讲,当锚杆的锚入方向与岩层层面成锐角时,锚杆可以承受破坏载荷。现场底板锚杆一般按竖向或与竖向成60、75、85布置。(6)锚杆埋头深度锚杆埋头深度是指锚杆尾端到巷道底板的的距离。一般情况下,埋头深度为0.60.8m。这种布置方式的优点在于,底板中虽然安装有锚杆,但需要时还可以卧底。3底板锚杆的施工与检测正确的底板锚杆设计是取得良好的防治底鼓的必要条件,但它还与锚杆的安装质量密切相关。最有利的锚杆安装时间是软岩巷道还没有出现破坏区的时候,所以钻孔设备应设置在掘进工作面。目前,底板锚杆的最大问题是打底板锚孔比较困难,所需的操作时间很长,满足不了巷道掘进速度的要求。所以有必要改进或研制新的锚杆钻机,以便在较短的时间内完成钻孔和安装锚杆的工作。底板锚杆安装完毕后,需要对其安装质量进行检测,因为由于操作工人缺乏经验或不负责任,很可能造成一部分锚杆没有起到应有的作用。检测一般有锚杆拉拔利试验、锚固剂取样捡查等内容。4.1.2底板注浆底板注浆适用于加固比较破碎的底板岩层。这种方法控制软弱岩层巷道底鼓的效果与底板岩层性质、破碎程度、注浆材料、注浆压力、注浆深度及注浆时间等诸多因素有关。1底板注浆控制底鼓的机理底板注浆必须当底板岩层承受的应力超过岩层本身的强度而产生裂隙和裂缝时才能进行。当底板岩层破碎以后,其残余强度一般为原始强度的25%-50%。底板注浆后,浆液渗透到岩层裂隙之间,增加了破碎岩石之间的粘接力,在底板中形成一个强度比加固以前大的整体结构。该区内岩层的扩容、弯曲等位移都会减小,岩层的抗变形能力得以提高,从而在一定程度上阻止了下部岩层向上鼓起。底板注浆的效果可分为二种情况,如图1所示,图中max为岩层原始的峰值强度,max为加固后岩层的峰值强度。min为岩层原始的残余强度,min为加固后岩层的残余强度。图1注浆对岩层强度的影响第一种情况:当注浆压力过小、浆液粘度太大以及钻孔布置不当时,有可能使得注浆后岩层的强度只稍大于其残余强度。在这种情况下,注浆控制底鼓的效果不明显。第二种情况:当破碎岩层中比较细小的裂纹也由浆液充满,则底板岩层可以通过注浆得到充分加固。加固后岩层的强度能够达到岩层破坏以前的原始强度。在这种条件下,注浆控制底鼓的效果明显。第三种情况:注入底板岩层的浆液包围破碎的岩块,并将其粘结成一体,岩层的整体强度得到提高。注浆后岩层的强度高于其原始强度,这对底板岩层的稳定件更为有利。2注浆材料的选择注浆材料是影响注浆岩层力学性能的重要因素。采用聚氨酷作为注浆材料时,岩层间的加固强度较高,注浆岩层的峰值强度与残余强度相差较小。但是,当底板含水时,其粘结强度会减小,而且由于聚氨醋成本高,所以采用这种材料加固底板岩层的费用较高。采用水泥砂浆作为注浆材料时,注浆岩层的残余强度比其峰值强度小得多,层间粘结力较小,但这种材料成本较低。在选择注浆材料时,必须综合考虑软弱岩层巷道底鼓的强烈程度、服务年限及加固成本等因素。在服务年限长而且底鼓较严重的巷道中,可以采用成本较高的注浆材料。而在服务年限短、底鼓不十分严重的巷道中,宜采用水泥砂浆等费用低的注浆材料。3底板注浆的适用条件实施底板注浆加固时,会遇到两种不同的使用条件:(1)在底鼓尚未达到最终深度的底板岩层中注浆。这种条件通常出现在回采巷道或正在掘进的其它类型的软弱岩层巷道中。此时巷道底板在两帮围岩的挤压下开始鼓起,底板岩层中产生裂隙与离层,但底鼓还没有停止,未达到最终破坏深度。底板注浆后,虽然注浆范围内的岩层得到加固,但由于注浆加固的岩层抗拉能力小,所以很难阻止注浆范围以外的深部岩层继续鼓起。在这种情况下,注浆对底鼓的控制作用不明显。(2)在底鼓己达到最终深度的底板岩层中注浆。该种条件一般出现在已掘好的软弱岩层巷道中。虽然进行过卧底,但底鼓还没有停止,或者卧底后底鼓虽然停止,但受到附近回采工作面的采动影响,底鼓又重新发生。在这种巷道的底板中,弯曲断裂范围内岩层的水平应力大大减弱。注浆加固后的底板岩层不再承受因深部岩层鼓起而引起的拉应力,只承受两帮相对移近而导致的水平挤压力,因而底鼓就会显著减小,在这种情况下如果不进行注浆,底板将会继续破坏。4底板注浆的实施在井下实施底板注浆加固时,注浆范围应限定在底板岩层的三个严重破坏带内。第一就是底板岩层的弯曲断裂带。该带内注浆孔应垂直底板布置,使得浆液能压入到断裂面中。这个范围的岩层得到充分加固后,对阻止两帮的移近是十分有效的。另外两个是巷道两帮下方的裂隙带和楔形破坏带。根据相似材料模型试验的结果,该范围的最大宽度约为巷道两帮移近量的45倍。在这两个区域注浆时,钻孔应以与水平面成500左右的夹角向巷道两帮下方打入。加固该区域可阻止楔形破坏区的进一步扩大和两帮下方的岩层向巷道内移动。4.1.3封闭式支架利用封闭式支架防治软岩巷道底鼓是一种较常见的方法。它的有效性与固岩性质、应力状态、支架工作特性及架设时间等有关。1封闭式支架控制底鼓的机理在不同的生产及地质条件下,支架对底板位移的控制作用是不同的。有的资料表明,使用阻力为5060kN/m2的支架可使软岩巷道底鼓量减小40%。为了改善支架作为防治底鼓手段的效果,必须增加支架的初撑力,并使支架与巷道整个周边的围岩或者在均匀分布部位的围岩相接触。另外,只有在底板岩层发生破坏之前架设支架,才能对底板岩层的移动起到很重要作用。如果在支架安设之前底鼓量就有很大的数值,那么再架设支架对底板岩层的破坏和鼓起已作用很小。归纳起来,封闭式支架对底板岩层有以下作用:(1)支架底梁施于底板岩层反力,从而在一定程度上改变了底板附近岩层的应力状态,减小了作用在底板岩层以上的应力偏量,对岩层在大偏应力下产生扩容变形有一定的控制作用。(2)在含有膨胀岩的底板岩层中,岩层遇水膨胀后会导致其强度降低、体积增加。架设支架后,可以起到约束膨胀的作用,减小岩层强度的损伤程度,有利于底板岩层的稳定。(3)底板岩层的弯曲断裂是由两帮岩层挤压及下部岩层向上移动引起的。支架底梁可以平衡一部分作用在底板岩层上的垂直分布力,同时也能起到减小两帮移近量的作用,因而能在一定程度上阻止底板岩层发生弯曲断裂。(4)架设支架不但可以减小底板附近岩层的扩容、膨胀及弯曲等变形,而且能够延迟底板破坏区的发展。当支架阻力增大时,支架的作用就影响到深部岩层,表现为距巷道底板不同距离的岩层开始移动的时间都比较晚。改变支架阻力就可使底板岩层的移动发生变化,随着支架阻力的增大,底鼓量逐渐减小。这种趋势在工作面远离巷道时不明显,而当工作面在巷道附近时表现得很强烈。2防治底鼓的封闭式支架型式软岩巷道底板的破坏形式及底鼓程度在不同条件下是各式各样的,因此必须采用不同形式的支架防治底鼓。对于不受采动影响的基本巷道,由于其压力比较稳定,底鼓量相对较小,所以一般采用承载能力大的刚性支架。而在受采动影响的采准巷道中,底鼓量通常较大,为适应底板变形,须采用可缩性支架。必要时还可以加设中柱,作为加强支护。(1)封闭式可缩性支架金属圆形可缩性支架。这种支架可根据巷道断面尺寸的不同分为4节、5节、6节等不同类型。由于支架节长度不能很大,当巷道断面加大时,支架节数也随之增加。4节圆形支架结构图,各节节长相同,可以通用。节与节之间用连接件连接,垫底水平面一般达到底梁端部。5节、6节圆形支架两段底梁可用连接件连接,也可用刚性连接。金属马蹄形可缩性支架。这是一种由拱形支架加弯曲底梁构成的支架。从加工制造简便的角度考虑,宜采用直腿拱形支架与弯曲底梁相结合的形式。如果要提高支架柱腿与底梁之间有多种连接方式。可采用铰接,如将柱腿插入底梁中;采用螺栓或销子铰接等。还可以使用螺栓连接件连接。根据巷道断面和侧压的大小,底梁可以是整梁,也可以是两段梁,两梁间用连接件或钢性连接。垫底水平面一般达到柱腿与底梁相接处。金属方(长)环形可缩性支架。该种支架是由中国矿业大学和徐州矿务局共同研制的。方环形支架的形状介于正方形与圆形之间。长环形支架的形状介于长方形与椭圆形之间。两种支架的结构基本相同,均由四节相同的支架节构成,各节通用。每节含有大、小两种曲率半径的不同弧线。两种支架的区别是方环形支架的小圆弧段位于支架节的正中,长环形支架的小因弧段则偏于支架节的一侧。连接件布置在支架上下左右的正中。钢筋混凝土环形支架。它是由8根丁字形或梯形断面的钢筋混凝土弧形件组成。支架的弧形构件在4个对接处用垫板及螺栓连接,而另外4个对接处用小段型钢、卡箍及垫板连接,支架的可缩性是由支架构件沿型钢滑动及木垫板压缩提供的。混凝土砌块环形可缩件支架。它适用于地质条件复杂的软岩巷道。(2)封闭式刚性支架封闭式刚性支架一般均为圆形或椭圆形。根据巷道断面大小,支架可由数节构成,而且每节支架的长度通常相同。金属圆形节刚性支架。支架可有3节或4节弧形构件组成,支架构件之间用夹板和螺栓对接。钢筋混凝土环形刚性支架。支架由5节、6节具有相同曲率的构件组成,构件可为丁字形等断面。构件两瑞可以浇灌成矩形,用螺栓连接,也可将构件端部做成球形,并用一段型钢和卡兰连接。混凝土砌块刚性支架。该种支架由若干块楔形混凝土块组成。支架可在刚性和可缩状态下工作。它适用于地质条件复杂、高地应力的水平开拓巷道。4.1.4底板防治水软弱岩层的物理性质决定了其强度特征与变形特征受水的影响十分严重。无论采取何种措施防治底鼓,只要底板岩层长期处于浸水状态,它的维护效果肯定会受到明显的影响。所以软弱岩层巷道中防治水对提高底板岩层的稳定性、减小底鼓量有着十分重要的意义。1疏干与封堵当底板有积水时应及时排掉。对于含水量大,渗透性强的强含水层,则多采用疏干措施。疏干包括开挖前地面打钻排水和巷道打钻排水。地面打钻排水多采用大孔径潜水泵排水。巷道打钻排水则是在掘进工作面向前打钻排水。前者对某些可疏性好的岩层(如砂岩、粉砂岩等)可显著提高巷道开挖时岩层的稳定性。对于后者,则能有效地控制岩层的膨胀变形。在含有粘土矿物的膨胀性岩层中,它是减小底鼓量的有效措施。在含水量不大或渗透性较差的岩层中,一般采用及时封闭的措施。它既可以保持岩层的原始状态,又不致使岩层表面被水软化。同时对于易风化的岩层,及时封闭也是一种防止岩层强度降低的有效措施。为了更大程度地减小底板岩层的含水量,可在底板灌入一些生石灰或采取注浆措施。2综合治水水是软岩巷道的“大敌”。能否治好水是软岩巷道支护和治理软岩巷道底成能否成功的关性,因此要做到:用水必管、有水必治、无水要防。4.2卸压法卸压法与支护加固法控制软岩巷道底鼓的机理不同,它的实质是采用一些人为的措施改变巷道围岩的应力状态,使底板岩层处于应力降低区,从而保证底板岩层的稳定状态。它特别适用于控制高地应力的巷道底鼓。目前出现的卸压法有切缝、打钻孔、爆破及掘巷卸压等形式。4.2.1切缝卸压法1切缝卸压的机理切缝将最大应力向围岩深部转移,这与软岩巷道周边出现松动区、塑性区后应力内移是完全不同的。此种应力转移不仅控制了巷道浅部围岩的变形和破坏,而且使得围岩的承载范围显着增加,充分利用了深部围岩的承载能力。切缝的卸压能力与切缝方向、切线深度、宽度、形状及切缝与开巷的间隔时间等有关。用切缝卸压法防治软岩巷道底鼓通常有两种布置方式,即底板切缝及侧帮切缝。2底板切缝在底板切缝有两种形式,如图2所示。一种是在底扳中部垂直切缝,另一种是在巷道基角处倾斜切缝。图2底板切缝的形式底板中部切缝(左)巷道基角切缝(右)底板切缝可使软岩巷道边缘处的水平应力向岩层内部转移,使底板岩层的水平应力得以解除,底板中可能发生弯曲由断裂的范围也向底板深部推移。底板切缝有以下特点:(l)底板切缝后,底板岩层移动方向指向切缝空间,底鼓量明显减小,但两帮移近量有所增加。当缝既长又宽时,这种现象尤为明显。所以底板切缝对两帮位移的控制是不利的。(2)切缝深度是影响其卸压效果最重要的因素。当切缝深度小于巷道底板宽度的一半时,切缝控制底撇的效果不明显,因此切缝深度应尽量大于底板宽度的一半。(3)切缝应有一定的宽度,因为随着两帮围岩的不断移近,切缝会逐渐闭合,闭合后底板会重新鼓起。为了防止切缝完全闭合,软岩巷道底板切缝的最大宽度应在500-600mm范围内。(4)切缝应以适当的材料充填。这样既可以减小软岩巷道围岩变形,又可阻止底板水渗入到深部岩层中。切缝用材料充填后,其宽度可以适当减小。充填材料的强度不应大于底板岩层强度的50%-70%。(5)切缝与开巷的时间间隔是影响其卸压能力的一个重要因素。显然,当软岩巷道开掘出很长时间之后再切缝是不合理的。最好是掘巷和切缝同时进行,即把切缝当作开巷道的一部分,这样才能充分发挥缝的卸压作用。3侧帮切缝侧帮切缝通过弱化侧帮,使巷道两帮的垂直应力峰值向其深部围岩转移,从而使底板处于应力降低区。侧帮切缝最明显的副作用是引发顶板下沉,因而有必要对节缝闭合有所控制,否则利用切缝获得的效果将会被顶板下沉量的增加而抵消。4切缝的使用条件在底板切缝时,切缝的使用条件主要与底板岩层的强度有关。当岩层强度较高时,切缝会增加很多费用,因此底板切缝在含有软弱岩层的条件下比较有利。它一般适用于永久性软料巷道的底鼓防治。但在深度大、维护围岩的其它软岩巷道中,也可以考虑这种方法。侧帮切缝适用于煤层巷道及侧帮岩层软弱的情况。在这种条件下切缝的费用比较低。4.2.2钻孔卸压在软岩巷道围岩内打钻孔也可以起到卸压作用。当钻孔打出以后,与巷道开挖一样,钻孔周围应力重新分布,产生松动区和塑性区,围岩向孔内移动。当钻孔间距很小时,孔间的岩层在其两侧围岩挤压作用下会发生破坏,形成一个充填切缝式的卸压带。打钻孔后,软岩巷道周边附近的高应力将向围岩深部转移。在开孔区域内形成一个卸压区。在开孔区域外形成一个高压区,使更大范围内的岩层承载。钻孔卸压法防治软岩巷道底鼓的效果取决于钻孔的布置方式及其参数,如钻孔位置、方向,钻孔长度、直径及间距等。一般随着孔深
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