1、泥化巷道底板控制技术摘要：泥岩对巷道支护和底板加固的危害极大，随着煤矿开采向深部发展，原岩应力与构造应力不断升高，使得软岩巷道支护问题就越来越突出，底板泥化给施工带来极大的困难。本文通过对泥岩的矿物成分及泥化机理的分析，进行了现场调查和数值模拟，研究了巷道开挖过程中底板应力分布和破坏情况，总结出了巷道底鼓的机理、影响因素及防治方法，对泥化巷道底鼓的矿压显现规律及其支护技术形成了系统的认识。关键词：泥化巷道；底板；锚注一体化；泥化机理；底鼓1 绪论1.1 问题的提出和研究意义中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，我国煤炭探明总储量在9000亿t以上，位居世界前列，已知含煤面积55万
2、多平方千米，煤种齐全，煤层赋存条件多种多样，煤矿开采条件复杂。据我国最新公布的煤炭工业“十二五”发展规划显示：“煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中占70%左右。在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。”因此，进一步发展煤炭资源的开采技术，合理开采、有效利用煤炭资源，提高煤炭资源回采率，实现煤炭资源的可持续发展，是国内外煤炭行业急需解决的问题。在借鉴国外煤层开采技术的基础上，我国经过近20年的不断探索、试验和研究，综放开采技术得到了长足的进步，取得了良好的经济效益，大大提高了厚煤层开采的采出率，延长了矿井寿命，综放开采已经成为我
3、国煤矿实现高产高效的主要途径。站在新世纪之初，纵观世界，可以发现局部地区的武装冲突多集中于能源问题。能源作为一个国家经济发展的动力之源，能源不足必然会受制于能源供应国，因此，一个能源困乏的国家也就不可能成为真正意义上的大国、强国。可以预测，在不久的将来，国与国之间的竞争焦点会更多地集中在能源的竞争与抢夺上。改革开放以来，特别是进入21世纪以来，我国国民经济的飞速发展对能源的需求量与日俱增，对能源的需求量是生态环境所不能承受的。据了解，2003年我国原煤产量为16.67 亿t，2004年原煤产量为19.56 亿t，2005年原煤产量为21.10 亿t，2006年原煤产量为23.80 亿t，201
4、0年原煤产量则已达到32.40 亿t，同时，净进口煤炭1.46亿t。然而，现如今的形势是我国煤炭生产与消费布局间的矛盾也日益加剧。东部地区作为经济发展的“火车头”，同时也是煤炭资源的主要消费地区，但是东部地区煤炭资源日渐枯竭，产量萎缩；中部受资源与环境约束的矛盾加剧，煤炭净调入省增加；资源开发加速向生态环境脆弱的西部转移，不得不过早动用战略后备资源。北煤南运、西煤东调的压力增大，煤炭生产和运输成本上升。在这样的大背景下，东部地区浅部资源随着不断地开采已日益枯竭，必须转入深部开采。20世纪50年代，我国的立井深度平均不到200 m，而90年代平均深度已达600 m，平均每年以812 m的速度向深
5、部延伸。其中东部矿井的向下延伸速度更快，平均每年延伸速度达1025 m。截止2010年，我国矿井开采深度超过1000 m的已达39对。对于国外主要采煤国家，如英国、德国、独联体、波兰等都有深部开采矿井。英国煤矿的平均采深为700 m，最深达1000 m；德国煤矿矿井的平均采深约为947 m，最深达1713 m；独联体己有许多矿井采深达12001400 m；波兰煤矿的平均采深为690 m，最深的达到1300 m。另外，“对先前技术经济上开采不合理的资源块段，通过科学技术的进步予以回收，最大限度的延长矿井服务年限，提高资源采出率”同样受到学术界越来越多的关注。根据围岩松动圈支护理论，松动圈Lp1.
6、5 m的各类巷道围岩统称为软岩，它是各类支护难度较大的巷道围岩的总称，可分为三大类：遇水膨胀型、碎胀型及复合型软岩。目前我国煤炭行业每年巷道掘进量约6000 km，软岩巷道约600 km，其中相当多的一部分巷道需要进行返修。特别是在一些老矿区，由于开采深度相对较大，深部软岩巷道维护问题更为突出，成为制约煤炭开采、影响矿井经济效益的一大难题，同时也成为许多专家学者致力研究的领域。我国由于成煤时期和沉积环境的影响，全国含煤地区煤层底板几乎多为泥质沉积物或沉积泥岩。泥岩对巷道支护和底板加固造成的危害极大，严重影响了煤矿的安全生产，给煤炭行业带来难以估量的经济损失。国内许多科研院所、高等院校及煤矿都对
7、泥岩巷道支护进行了深入的探索研究，在泥化机理研究方面取得了一定成效。但对于泥化治理和加固措施方面依然存在不足，尚需作进一步的探讨，来完善泥岩泥化治理技术。在巷道支护的研究中，巷道底鼓问题一直是煤矿开采等地下工程中难以解决的问题。随着采深的增加和巷道断面的增大，巷道底鼓现象越来越为突出。为控制巷道底鼓，国内外许多学者对其力学机制及控制技术开展了大量的研究工作，提出了许多底鼓控制技术。各种防治底鼓的工程措施按照机理的不同，可分为三大类型，即：支护加固法、联合支护法及卸压法。泥化巷道底板钻孔成孔质量差、易塌孔，底板施工水更是加剧了巷道底鼓，导致巷道底鼓愈加严重，在这样的形势下，迫切需要研究出适合泥化
8、巷道的底板加固技术。1.2 国内外研究现状对泥岩泥化巷道进行合理的支护，需要正确的支护理论做指导。软岩巷道支护在煤矿开采过程中尤为重要。随着煤矿开采深度的不断增加，软岩巷道支护问题越来越为突出。目前软岩巷道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。一、软岩巷道支护理论的研究现状软岩支护理论研究相比较于软岩支护的技术研究相对较弱，因此对支护技术的进一步发展有所限制，给工程支护带来了很大的盲目性。1、国外研究现状由俄国学者普罗托吉雅可诺夫1907年提出的普氏冒落拱理论认为：在松散介质中开挖巷道，其上方会形成一个抛物线形的自然平衡拱，下方冒落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。该理
9、论的最大贡献是提出巷道具有自承能力。19世纪初开始，人们常常用试验方法来探讨地下巷道中的问题。到20世纪初，人们开始用古典的材料力学和结构力学的理论来分析地下工程中的问题。以海姆（A.Haim）、朗金（W.J.M.RanLkine）和金尼克理论为代表的古典压力理论认为：作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量h，其不同之处在于对侧压系数认识不同。从20世纪50年代开始，人们又将弹塑性力学引入地下工程的岩石力学分析中，解决了许多地下工程中的问题，其中最著名的是芬纳（R.Fener）和卡斯特纳（H.Kasterner）公式。到了60年代，刚性试验机的应用，揭示了岩石变形破坏的特性和弹塑性断裂破坏理
10、论。20世纪60年代，奥地利工程师Lv.Rabcewicz总结前人的经验，提出了一种新的隧道设计、施工方法，即新奥法。新奥法是目前地下工程的主要设计施工方法之一。新奥法的理论是建立在岩石的刚性压缩特性的岩石三轴压缩应力应变特性以及莫尔（M。hr）学说基础上的，并考虑到隧道掘进的空间和时间效应所提出的新理论。这一新理论集中体现在支护结构种类贯穿在不断变更的设计施工过程中。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支承隧道，使围岩成为支护结构的一部分而与支护体共同形成支承环。同期，日本也进行了一些研究，主要是山地宏和樱井春辅提出的围岩支护的应变控制理论。他们认为，巷道围岩的应变随支护结构的增加而减少，而允
11、许应变则随支护结构的增加而增大，因此，通过加强支护结构可较容易地将围岩的应变控制在允许应变范围内。20世纪70年代，萨拉蒙（M D.Salamn）等人提出了能量支护理论。他们认为，支护与围岩的相互作用、共同变形，在共同变形过程中围岩释放一部分能量，而支护则吸收一部分能量，但总的能量没有变化，因此，主张利用支护结构来使其自动调节围岩释放的能量和支护体吸收的能量，使其相互调节平衡作用。2、国内研究现状20世纪50年代末期，我国开始研究软岩巷道支护问题，起初仅在巷道断面、支护形式及施工工艺等方面取得些初步经验。到20世纪80年代以后，我国对软岩问题的理论研究进入一个新的阶段，并取得较大发展。到目前我
12、国软岩工程支护主要有以下理论：（1）岩性转化理论由我国著名岩土工程专家陈宗基院士在20世纪60年代从大量实践中总结出岩性转化理论。该理论认为：同样矿物成分、同样结构形态，在不同的工程环境工程条件下，会产生不同的应力应变，以形成不同的本构关系。（2）轴变论理论和系统开挖理论由于学馥等人（1981年）提出的轴变理论和系统开挖控制理论认为：巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限所致，坍塌是改变巷道轴比，导致应力重新分布，高应力下降低应力上升，直至自稳平衡，应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。而开挖系统控制理论认为是开挖扰动了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。（3）联合支护理
13、论冯豫、郑雨天、陆家梁、朱效嘉等人在总结新奥法支护的基础上提出了联合支护技术，其观点认为：对于软岩巷道支护，不能一味强调支护刚度，要“先柔后刚、先抗后让、柔让适度、稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网技术、锚喷网架支护技术、锚带网架、锚带喷架等联合支护技术。（4）锚喷一弧板支护理论以郑雨天、孙钧和朱效嘉教授为代表的学者提出了锚喷一弧板支护理论，该理论认为：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，即联合支护理论的先柔后刚的刚性支护形式采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板，坚决限制和顶住围岩向中空的位移。该理论是对联合支护理论的发展。（5）围岩松动圈理论由董方庭教授等人提出的围岩松动圈理
14、论，其主要观点为：凡是坚硬围岩裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难，因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。（6）主次承载区支护理论由方祖烈教授提出的主次承载区理论认为：巷道开挖后，在围岩中形成拉压区域；围岩深部的压缩域，具有自撑能力，是维护巷道稳定的主承载区。张拉域形成于巷道周围，通过加固也有一定的承载能力，但与主承载区相比只能起到辅助作用，故称为次承载区。支护对象为张拉域，支护强度原则上要一次到位。（7）应力控制理论此理论方法源于前苏联，也称为围岩弱化法、卸压法等。其基本原理是通过一定的技术
15、手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分布，人为降低支撑压力区围岩的承载能力，使支撑压力向围岩深部转移，以此来提高围岩稳定的一种方法。（8）软岩工程力学支护理论软岩工程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出了以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的软岩巷道支护理论。它涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、软岩的连续性概化，到软岩变形力学机制的确定、软岩支护荷载的确定和软岩非线性大变形力学的设计方法等内容。二、软岩巷道支护技术研究现状软岩巷道支护一直是煤矿开采过程中的十分重要问题，随着煤矿开采向深部发展，原岩应力与构
16、造应力不断升高，使得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，也有少部分的工程试验。现在，随着科学技术的进步以及对软岩巷道围岩控制理论的研究，在软岩巷道支护方面，形成了U型钢可缩性支架支护、锚索支护、锚喷支护、砌碹支护、巷帮围岩卸压及联合支护等多种方式，但应用最广范的仍然是锚喷支护及U型钢可缩性支架支护。1、U型钢可缩性支架支护U型钢可缩性支架具有比较好的几何参数和断面形状，很容易实现搭接后的缩让，当围岩变形压力超过U型钢接头的摩擦阻力时，接头就会发生收缩，此时围岩释放能量，巷道断面收敛减少，围岩应力降低，U型钢支架停止收缩。因此U型钢可缩性支架既有足够支护阻力能及时尽早支护，又有与围岩变形位移相适应的可缩性，以释放围岩能量减小围岩的压力，有效控制了围岩的变形，具有较好的支护作用，所以U型钢可缩性支架在软岩支护中具有很大的市场。但是，U型钢的使用状况并不能
