北陽莊礦中央水泵房底板加固技術研究

張志偉

(開灤集團蔚州礦業公司 北陽莊礦，河北 張家口 075799)

1 基本概況

1.1 地理概況

北陽莊井田位于河北省蔚縣礦區東南部，行政區劃隸屬于張家口市蔚縣涌泉莊鄉和楊莊窠鄉管轄，其地理坐標為北緯39°51'37″～39°57'30″，東經114°31'10″～114°39'12″。井田北與德勝莊井田及沙澗堡井田以4424000 緯線為界，西以F20斷層，縱21 勘探線(597 號孔～520 號孔段)及19 勘探線(520號孔以南段)為界與單候井田毗鄰，東及東南界分別是5 和1煤層剝蝕邊界線，南北長約10km，東西寬5～8km，面積約52km2。最大勘探深度為727m。

井田中部的北陽莊村，南至蔚縣城直距6km，蔚縣西至山西廣靈、大同，北至張家口、宣化均有瀝青公路相通。京包鐵路宣化站距蔚縣90km，京原線靈丘站距蔚縣50km，大秦運煤專用鐵路化稍營站距蔚縣50km，正在興建中的沙城-南留莊地方鐵路將橫貫礦區，煤炭外運的交通條件較好，惟有井田內北西向沖溝較發育，僅有土路繞行于各村之間，雨季道路泥濘，通行困難。

1.2 泵房概況

泵房位于巖層中;埋深約為400m～450m;底板位于遇水易軟化膨脹的中砂巖。支護方式為錨噴支護;幫頂噴漿500mm，底板為100mm 混凝土;錨桿為Φ18 ×2000 強力樹脂錨桿;錨桿間排距為800 ×800mm;網片為Φ6mm 鋼筋焊接，網眼規格為100 ×100mm，噴射混凝土標號為C20。

泵房為上部半圓(直徑Φ5200mm)，下部矩形(5200 ×3550mm)形狀;內尺寸為5200 ×6150mm，外尺寸為6200 ×6750mm。如圖1.1 所示。

圖1.1 巷道尺寸簡圖

2 巷道底鼓發生原因與防治措施概述

2.1 巷道底鼓特征

基本巷道的底鼓通常具有流變性，底板巖體隨著時間持續地向巷道內鼓出。

在以下3 種情況下底鼓往往成為影響巷道穩定性的主要間題，需要采取專門的防治措施:(1)當巷道為軟弱巖層或巷道位于斷裂帶、風化帶附近時底鼓往往十分強烈;(2)受采動影響的巷道比不受采動影響的巷道底鼓破壞劇烈;(3)有水的巷道底鼓嚴重。

大量的現場觀測和實驗室試驗研究表明，由于巷道所處的地質條件、底板圍巖性質和應力狀態的差異，底板巖體鼓入巷道的方式及其機理也不同，一般可分為4 類:擠壓流動性底鼓、擾曲褶皺性底鼓、遇水膨脹性底鼓和剪切錯動性底鼓。

2.1.1 擠壓流動性底鼓。在下列情況下會發生擠壓流動性底鼓:(1)直接底板為軟弱巖層(如粘土巖、煤等)，兩幫和頂板的強度大大高于底板的強度(如兩幫和頂板為砂巖并進行有效支護)。在兩幫巖柱的壓模效應和遠場地應力的作用下，底板軟弱巖層擠壓流動到巷道內。(2)整個巷道都位于松軟破碎的巖中，這時巷道周邊的圍巖松動圈很大，兩幫的應力集中區轉移到巖體深部，受遠場地應力場擠壓作用周邊破壞巖體向巷道內流動，不封底時底鼓速度通常比頂幫收斂速度大得多。

2.1.2 撓曲摺皺性底鼓。當底板巖層為層狀巖體時，即使是中硬巖體，如果底板與應力狀態滿足一定的關系時也可能發生底鼓。這種底鼓的機理是由于底板巖層在平行于層理方向的壓力作用下向底板臨空方向撓曲摺皺而失穩。

2.1.3 遇水膨脹性底鼓。膨脹巖是指那些與水的物理化學反應有關的隨時間而發生體積增大的巖石，其礦物成分中含有物理化學性質活潑的蒙脫石。由于煤礦巷道底板經常積水，膨脹巖浸水后膨脹受到約束時，則產生膨脹壓力。

2.1.4 剪切錯動性底鼓。當巷道直接底為完整巖層且厚度大于1/3 巷道寬度時，在較高巖層應力作用下，底板一般為剪切破壞，形成楔塊巖體后在水平應力擠壓下產生錯動而使底板鼓出。底板剪切楔塊產生是由底板巖體中的應力狀態所決定。由于底角處存在較高應力集中，因而首先形成剪切破壞帶，隨著破壞的發展剪切帶貫通而形成楔形破壞。當頂板和兩幫的巖性與底板相當時，在頂板和兩幫也同樣會產生楔形破壞。

2.2 影響底鼓主要因素

引起底鼓的因素很多，其中影響最大的是底板圍巖性態和巖層應力，其次是水理作用、支護強度和巷道斷面形狀。

2.2.1 圍巖性態。圍巖性質和結構狀態對巷道底鼓起著決定性作用，底板巖層的結構狀態(破碎結構、薄層結構、厚層結構)決定著巷道底鼓的類型;底板巖層的軟弱程度決定著底鼓量的大小。

2.2.2 巖層應力。巖層性態是巷道底鼓的充分條件，巖層應力則為必要條件。只有巖層應力滿足一定條件時才會底鼓，巖層應力越大，底鼓越嚴重。

2.2.3 水理作用。煤礦生產的特點之一是巷道底板往往積水，水的存在使得底鼓更加嚴重，主要表現在3 個方面:(1)底板巖層浸水后其強度降低，更容易破壞;(2)當底板為高嶺石、伊利石等為主的粘土巖時，浸水后往往會泥化、崩解、破裂，直至強度完全喪失，形成擠壓流動性底鼓;(3)當底板為含蒙脫石和伊蒙混層等膨脹巖層時會產生膨脹性底鼓。底板積水時，水不僅與暴露的底板巖體發生接觸，還要通過裂隙滲入到底板內部，加速底板圍巖的強度喪失和體積膨脹，這又導致裂隙的進一步擴大，形成惡性循環。

2.2.4 支護強度。巷道的底板通常處于敞開不支護狀態是由于以下原因:(1)生產上出于安全考慮，總是加固或支護巷道的頂板和兩幫以防止冒頂和片幫，而認為底板即使破壞也無關緊要;(2)挖底出碴工作量大，澆筑底拱費事;(3)錨固底板施工比較困難;(4)一旦支護控制不住底鼓，臥底時還需要清理損壞的支護，工作量更大等。這是巷道底鼓量一般都大于頂板沉降量的重要原因。

2.2.5 巷道斷面形狀。為了有效利用斷面，煤礦巷道斷面通常采用梯形或直墻拱頂等形狀，由于底板不能形成穩定的拱形結構使得底鼓量加大。

2.3 巷道底鼓綜合治理

底鼓引起巷道圍巖變形，收縮破壞乃至冒落給維護帶來困難，不利安全生產，增加維護費用;因此，如何經濟有效地治理底鼓道工程中迫切需要解決的問題。

巷道發生底鼓的原因極其復雜，有的是巖石遇水膨脹，有的是高地應力的影響，維護極其困難。目前控制巷道底鼓的有效技術措施主要有:

(1)增加底板圍巖的變形阻力。主要措施有澆筑反底拱，架設可縮性封閉形可縮性支架、底板桁架等。

(2)提高底板圍巖的強度。主要措施有打底板錨桿、反底拱、底板注漿加固等。

(3)聯合支護。既提高底板圍巖的強度又增加圍巖的變形阻力，這是目前最常見的方法。如全封閉噴錨注聯合支護。

(4)治水防底鼓措施。眾多巷道的底鼓，多因巖石吸水膨脹引起的，因此，治水防底鼓是非常有效的。控制出水點，施行疏排結合的方法，保持各類巷道無存水、積水。施工巷道要有防水措施，做到預防為主。編制作業規程時，必須考慮治水方法，防水系統、防水設備和防水設施要齊全，做到有備無患。

3 底鼓治理措施

經過現場觀測和分析，可知北陽庒煤礦泵房底鼓主要原因為底板巖層遇水膨脹性底鼓，并且一定的地應力和截面面積較大也是可能發生底鼓的因素，因此采用“錨網+混凝土反底拱”的加固方式進行巷道底板底鼓治理。

3.1 錨網+混凝土反底拱加固技術

3.1.1 臥底處理。進行巷道臥底工作，根據實際情況確定臥底量，借鑒水倉底鼓治理，最少臥底量可為400mm，以出現原巖為準;臥底形狀為反底拱形，拱邊臥底最少400mm，拱底臥底900mm(可根據實際調節)。如圖3.1 所示。

3.1.2 安設錨網和錨桿。建議錨桿采用Φ22 ×2200mm錨桿，間距800mm，排距800mm;底板兩角錨桿與垂直方向約成45°夾角，向內依次約為30°、15°、0°;錨桿外露不大于300mm。如圖3.1 所示。

3.1.3 混凝土澆筑反底拱。澆筑混凝土反底拱，拱邊最薄400mm，拱底最薄為900mm 混凝土拱底板面保持水平。如圖3.1 所示。

圖3.1 底板錨網與反底拱加固斷面示意圖

3.2 技術問題

(1)整體加固。使頂、幫、底形成一個完整的支護體，提高圍巖的整體強度和穩定性;保證各錨桿具有相同的預緊力。

(2)施工質量。施工應嚴格按作業規程要求執行。被水浸泡的底板巖層必須全部清除干凈，反底拱施工過程中，嚴禁底板浸水，保證底板的干燥;處理好底板混凝土和兩幫底角已澆筑混凝土段的結合。

(3)反底拱施工。反底拱要達到設計的反底拱弧度(兩邊400mm，拱底900mm)，兩角錨桿一律為45°。

總之，要嚴格按研究設計方案和作業規程施工，并加強監督、檢查和工程驗收制度。