深部大变形软岩巷道底鼓治理技术
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表1 开挖不同尺寸卸压槽底鼓变形量
顶板下沉量 / mm 14 17 13 17 底鼓量 / mm 73 36 65 32
根据 28 采区轨道下山巷道底鼓变形情况 ， 设计 + 。 采用底板开挖卸压槽 回填注浆的加固技术 3. 1 底板中部开挖卸压槽 在巷道底板中部开槽卸压， 使原来作用于周边 围岩的高应力向卸压区以外的岩体深部转移 。深部 岩体处于三向应力状态， 具有较高的强度。 在应力 增高区内岩体形成自承结构， 承受掘巷引起的集中 应力。同时， 在它的自承和保护下， 卸压区内的岩体 能够保持稳定。另一方面， 结构和完整性并未遭到 完全破坏的卸压区的围岩仍然存在一定的残余强 并向岩体自承结构提供侧向约束力 ， 增加岩体自 度， 承结构的强度和稳定性， 从而使围岩稳定性得到显 著提高。在巷道围岩中开槽， 不仅使应力集中向巷 道深部转移， 从而使巷道处于应力降低区， 卸压槽还 从而使巷道变形 为巷道围岩变形提供了补偿空间， 量减小。通常采用垂直切槽防止底鼓， 其效果取决 b h 。 于卸压槽的宽度 和深度 采取固定卸压槽宽度， 分别对不同深度卸压槽 进行模拟比较， 然后综合择优选取最理想的卸压槽 。 4 种尺寸的卸压槽模拟比较如图 1 所示。
f s = σ1 － σ3
1 + sin φ + 2c 1 － sin φ
c和φ 其中， σ1 、 σ3 分别是最大和最小主应力， 分别是材料内聚力和摩擦角。 当 f s ＜ 0 时， 材料将 发生剪切破坏。在一般低应力状态下， 岩石 （ 煤 ） 是 可根据岩石的抗拉强度判断岩石是 一种脆性材料， 否产生拉破坏。岩石三轴力学试验表明， 岩石峰值 强度和残余强度与围压有关， 当外载荷达到岩石的 岩石的强度随着围压的大小而产生弱 强度极限后， 化现象。
2012 年第 12 期
中州煤炭
总第 204 期
3
底板加固措施
加大 h 将会影响施工质量以及工人的安 以及安全， 全。固定宽度时， 采用 h = 2 m 较为理想。 卸压槽深度较大， 取得的位移变形量的补偿空 ， 。 间越大 底鼓量越小 在卸压槽深度相同的情况下， 宽度为 500 mm 比宽度为 300 mm 卸压效果更为明 显， 主要是应力集中程度向深部进一步转移 ， 位移变 故效果更好， 尤其是底鼓量进一 形量补偿空间更大， 步减小。
槡
1 + sin φ 1 － sin φ
1
28 采区轨道下山概况
车集煤矿 28 采区轨道下山将为车集煤矿整个 28 采区辅助运输、 管路、 供电及进风系统服务， 巷道 服务年限与 28 采区相同。28 采区位于 26 采区下 部， 二2 煤层底板标高在 － 1 060 ～ － 810 m， 在 11 — 15 勘探线之间， 西部浅部以 F5 正断层为界， 深部以 DF024 和 DF025 正断层为界， 东部以 DF082 断层煤柱为 界； 上部临近 26 采区， 下部至井田边界。 28 采区最大主应力呈近水 经现场地应力测试， 平方向， 其数值为 σ1 = 18. 91 MPa， 与铅直方向夹角 为 100. 1° ； 中间主应力 σ2 = 15. 89 MPa， 几乎近水 与铅直方向夹角为 89. 4° ； 最小主应力 σ3 = 9. 42 平， MPa， 近铅垂向， 与铅直方向夹角为 10. 1° 。 实测得 到的水平应力大于垂直应力， 地应力特征属水平应 力场型。 故 在 模 拟 时 取 水 平 方 向 应 力 σ = 18. 9 MPa， 垂直方向应力按上覆岩层所受重力计算 。 采用应变软化模型， 使用莫尔—库仑 （ Mohr— Coulomb） 屈服准则计算：
河南煤化车集煤矿是永煤公司的第 2 对投产矿 井， 现开采深度标高在 － 800 m 以下， 按照我国煤矿 600 ～ 800 m 为准深部， 800 深部开采对采深的界定， ～ 1 200 m 为深部。由此可见， 车集煤矿已进入深部 巷道压力显现明显， 且 开采阶段。 特别是 28 采区， 随着巷道顶部支护强度的不断加强， 巷道底板压力 显现明显， 底鼓严重， 对巷道的使用影响较大， 故车 集煤矿对底鼓控制技术进行了探索尝试 。
收稿日期： 2012 － 10 － 12 1998 年 作者简介： 何东升（ 1973 —） ， 男， 河北吴桥人， 工程师， 硕士， 毕业于中国矿业大学， 现从事煤矿技术管理及企业管理工作 。
2Baidu Nhomakorabea
巷道底鼓变形情况
28 采区轨道下山为穿层巷道， 穿过的岩层主要
有砂岩、 泥岩、 砂质泥岩， 但大部分区段为泥质砂岩， 地层构造非常复杂。 巷道断面形状为直墙半圆拱， 断面规格 3. 8 m × 3. 4 m， 巷道支护采用高强树脂锚 锚索、 金属网等联合支护技术， 锚杆为 20 mm 杆、 × 2 500 mm 高强螺纹钢锚杆， 间排距均为 700 mm； 拱部布置 3 根17. 8 mm × 7 500 mm 锚索， 间排距 均为 2 m（ 当顶板压力大时， 在巷道正顶另增加 1 排 锚索） ， 采用 6 mm 的冷拔点焊钢筋网， 其规格为 2. 0 m × 1. 0 m， 网格长 × 宽 = 100 mm × 100 mm， 网 相邻 2 块网之间要用 间搭接长度不少于 100 mm， 14 # 铁丝连接， 连接点均匀布置， 间距为 200 mm。 现场发现， 该区域巷道局部底鼓突出， 顶板开裂 尤其帮底角处已严重内移， 巷道变形和底鼓并 剥落， 未停止， 断面收缩非常明显， 多数地段不得不重新翻 修， 严重影响了 28 采区开拓延伸工程的正常进行。 这不仅增大了支护和管理费用， 而且延长了建井周 期， 严重影响了矿井生产采区的正常接替 。 · 77·
2012 年第 12 期
中州煤炭
总第 204 期
深部大变形软岩巷道底鼓治理技术
何东升
( 河南煤业化工集团 永煤公司车集煤矿， 河南 永城 476600 ) 摘要： 随着矿井开采深度的增加， 深部岩体的地应力高、 温度高、 渗透压高以及时间效应较强等特征逐渐显 现， 使得其组织结构、 基本行为特征和工程响应均发生根本性变化， 巷道持续变形， 现有的支护技术往往通过 高强度的支护材料和密度来控制巷道帮顶变形， 但是应力通过底板变形表现得尤为突出， 可通过采用底板开 挖卸压槽 + 回填注浆加固新型技术改善底板变形情况 。 关键词： 大变形； 底鼓； 卸压槽； 注浆 中图分类号： TD327． 3 文献标志码： B 文章编号： 1003 － 0506 （ 2012 ） 12 － 0077 － 02
顶板下沉量 / mm 14 17 13 17 底鼓量 / mm 73 36 65 32
根据 28 采区轨道下山巷道底鼓变形情况 ， 设计 + 。 采用底板开挖卸压槽 回填注浆的加固技术 3. 1 底板中部开挖卸压槽 在巷道底板中部开槽卸压， 使原来作用于周边 围岩的高应力向卸压区以外的岩体深部转移 。深部 岩体处于三向应力状态， 具有较高的强度。 在应力 增高区内岩体形成自承结构， 承受掘巷引起的集中 应力。同时， 在它的自承和保护下， 卸压区内的岩体 能够保持稳定。另一方面， 结构和完整性并未遭到 完全破坏的卸压区的围岩仍然存在一定的残余强 并向岩体自承结构提供侧向约束力 ， 增加岩体自 度， 承结构的强度和稳定性， 从而使围岩稳定性得到显 著提高。在巷道围岩中开槽， 不仅使应力集中向巷 道深部转移， 从而使巷道处于应力降低区， 卸压槽还 从而使巷道变形 为巷道围岩变形提供了补偿空间， 量减小。通常采用垂直切槽防止底鼓， 其效果取决 b h 。 于卸压槽的宽度 和深度 采取固定卸压槽宽度， 分别对不同深度卸压槽 进行模拟比较， 然后综合择优选取最理想的卸压槽 。 4 种尺寸的卸压槽模拟比较如图 1 所示。
f s = σ1 － σ3
1 + sin φ + 2c 1 － sin φ
c和φ 其中， σ1 、 σ3 分别是最大和最小主应力， 分别是材料内聚力和摩擦角。 当 f s ＜ 0 时， 材料将 发生剪切破坏。在一般低应力状态下， 岩石 （ 煤 ） 是 可根据岩石的抗拉强度判断岩石是 一种脆性材料， 否产生拉破坏。岩石三轴力学试验表明， 岩石峰值 强度和残余强度与围压有关， 当外载荷达到岩石的 岩石的强度随着围压的大小而产生弱 强度极限后， 化现象。
2012 年第 12 期
中州煤炭
总第 204 期
3
底板加固措施
加大 h 将会影响施工质量以及工人的安 以及安全， 全。固定宽度时， 采用 h = 2 m 较为理想。 卸压槽深度较大， 取得的位移变形量的补偿空 ， 。 间越大 底鼓量越小 在卸压槽深度相同的情况下， 宽度为 500 mm 比宽度为 300 mm 卸压效果更为明 显， 主要是应力集中程度向深部进一步转移 ， 位移变 故效果更好， 尤其是底鼓量进一 形量补偿空间更大， 步减小。
槡
1 + sin φ 1 － sin φ
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28 采区轨道下山概况
车集煤矿 28 采区轨道下山将为车集煤矿整个 28 采区辅助运输、 管路、 供电及进风系统服务， 巷道 服务年限与 28 采区相同。28 采区位于 26 采区下 部， 二2 煤层底板标高在 － 1 060 ～ － 810 m， 在 11 — 15 勘探线之间， 西部浅部以 F5 正断层为界， 深部以 DF024 和 DF025 正断层为界， 东部以 DF082 断层煤柱为 界； 上部临近 26 采区， 下部至井田边界。 28 采区最大主应力呈近水 经现场地应力测试， 平方向， 其数值为 σ1 = 18. 91 MPa， 与铅直方向夹角 为 100. 1° ； 中间主应力 σ2 = 15. 89 MPa， 几乎近水 与铅直方向夹角为 89. 4° ； 最小主应力 σ3 = 9. 42 平， MPa， 近铅垂向， 与铅直方向夹角为 10. 1° 。 实测得 到的水平应力大于垂直应力， 地应力特征属水平应 力场型。 故 在 模 拟 时 取 水 平 方 向 应 力 σ = 18. 9 MPa， 垂直方向应力按上覆岩层所受重力计算 。 采用应变软化模型， 使用莫尔—库仑 （ Mohr— Coulomb） 屈服准则计算：
河南煤化车集煤矿是永煤公司的第 2 对投产矿 井， 现开采深度标高在 － 800 m 以下， 按照我国煤矿 600 ～ 800 m 为准深部， 800 深部开采对采深的界定， ～ 1 200 m 为深部。由此可见， 车集煤矿已进入深部 巷道压力显现明显， 且 开采阶段。 特别是 28 采区， 随着巷道顶部支护强度的不断加强， 巷道底板压力 显现明显， 底鼓严重， 对巷道的使用影响较大， 故车 集煤矿对底鼓控制技术进行了探索尝试 。
收稿日期： 2012 － 10 － 12 1998 年 作者简介： 何东升（ 1973 —） ， 男， 河北吴桥人， 工程师， 硕士， 毕业于中国矿业大学， 现从事煤矿技术管理及企业管理工作 。
2Baidu Nhomakorabea
巷道底鼓变形情况
28 采区轨道下山为穿层巷道， 穿过的岩层主要
有砂岩、 泥岩、 砂质泥岩， 但大部分区段为泥质砂岩， 地层构造非常复杂。 巷道断面形状为直墙半圆拱， 断面规格 3. 8 m × 3. 4 m， 巷道支护采用高强树脂锚 锚索、 金属网等联合支护技术， 锚杆为 20 mm 杆、 × 2 500 mm 高强螺纹钢锚杆， 间排距均为 700 mm； 拱部布置 3 根17. 8 mm × 7 500 mm 锚索， 间排距 均为 2 m（ 当顶板压力大时， 在巷道正顶另增加 1 排 锚索） ， 采用 6 mm 的冷拔点焊钢筋网， 其规格为 2. 0 m × 1. 0 m， 网格长 × 宽 = 100 mm × 100 mm， 网 相邻 2 块网之间要用 间搭接长度不少于 100 mm， 14 # 铁丝连接， 连接点均匀布置， 间距为 200 mm。 现场发现， 该区域巷道局部底鼓突出， 顶板开裂 尤其帮底角处已严重内移， 巷道变形和底鼓并 剥落， 未停止， 断面收缩非常明显， 多数地段不得不重新翻 修， 严重影响了 28 采区开拓延伸工程的正常进行。 这不仅增大了支护和管理费用， 而且延长了建井周 期， 严重影响了矿井生产采区的正常接替 。 · 77·
2012 年第 12 期
中州煤炭
总第 204 期
深部大变形软岩巷道底鼓治理技术
何东升
( 河南煤业化工集团 永煤公司车集煤矿， 河南 永城 476600 ) 摘要： 随着矿井开采深度的增加， 深部岩体的地应力高、 温度高、 渗透压高以及时间效应较强等特征逐渐显 现， 使得其组织结构、 基本行为特征和工程响应均发生根本性变化， 巷道持续变形， 现有的支护技术往往通过 高强度的支护材料和密度来控制巷道帮顶变形， 但是应力通过底板变形表现得尤为突出， 可通过采用底板开 挖卸压槽 + 回填注浆加固新型技术改善底板变形情况 。 关键词： 大变形； 底鼓； 卸压槽； 注浆 中图分类号： TD327． 3 文献标志码： B 文章编号： 1003 － 0506 （ 2012 ） 12 － 0077 － 02