1、強膨脹性泥巖巷道底鼓治理技術

1、<p>　　摘 要: 為了解決亭南礦井西翼軌道大巷底板揭露鋁質(zhì)泥巖、底鼓變形嚴重、巷道底板難以控制的</p><p>　　問題，通過對巷道圍巖位移量觀測分析變化規(guī)律，結(jié)合礦井生產(chǎn)實際，經(jīng)過反復論證采用底角錨 桿、反底拱控制技術進行底板加固，使底鼓量由 500 mm 降低到 10 mm。試驗結(jié)果表明: 采用膨脹 性泥巖底鼓治理技術能夠有效控制巷道兩幫收斂和底板鼓起、封閉水源，提高了巷道圍巖整

2、體穩(wěn)定 性，使巷道底板變形量得到了有效控制，為礦井進一步研究無底煤開采技術提供了基礎技術數(shù)據(jù)。 關鍵詞: 膨脹性泥巖; 底鼓; 底角錨桿; 反底拱; 巷道</p><p>　　中圖分類號: TD353 文獻標志碼: A 文章編號: 0253 － 2336 ( 2010) 09 － 0054 － 03</p><p>　　Fl

3、oor Heave Governance Technology to Gateway with</p><p>　　High Swelling Mudstone Floor</p><p>　　WANG Hong-tao，L Qiang，HAN Guo-an，CHEN Fang-ming，DU Lin</p><p>　　( Shaanxi Changwu Tin

4、gnan Coal Mining Corporation Ltd． ，Zibo Mining Group Corporation Ltd． ，Xianyang 713602 ，China)</p><p>　　Abstract: In order to solve the aluminium mudstone floor serious deformation and the floor hard to

5、control problems in the railway roadway at the west wing of Tingnan Mine，with the surrounding rock displacement observation and measurement of the mine roadway applied to an- alyze the variation law，in combination

6、with the mine actual production，after the several verifications，the floor corner bolt and the re- versed floor arch control technology was applied to the floor reinforcement．</p><p>　　Key words: swelli

7、ng mudstone; floor heave; floor corner bolt; reversed floor arch; gateway</p><p>　　隨著煤礦采深的增加，使得軟巖巷道底鼓面臨</p><p>　　的問題 越 來 越 復 雜。長 期 以 來，國內(nèi)對軟巖的物 理、水理、力學性質(zhì)、巷道變形與底鼓的力學機制 及控制底鼓的技術措施進行了相關研 究， 康

8、紅</p><p>　　普［1］分析底鼓產(chǎn)生的原因在于失 穩(wěn)的底板巖層向 巷道內(nèi)壓曲、偏應力作用下的擴容、巖石自身的遇</p><p>　　水膨脹，并建立了求解底板巖層破壞范圍的動態(tài)模</p><p>　　型，提出 了 估 算軟巖巷道底鼓量的公 式。 何 滿 潮［2 － 5］運用工程地質(zhì)學和現(xiàn)代大變形力學相結(jié)合的 方法，提出了軟巖巷道非線性大變形理論與設計方<

9、/p><p>　　法。本文結(jié)合亭南礦井西翼軌道大巷軟巖底鼓治理 的實踐，通過采用底角錨桿、反底拱控制技術加固</p><p>　　底板，有效地控制了巷道圍巖變形。</p><p>　　基金 項 目: 國家重點基礎研究發(fā)展計劃 ( 973 計 劃 ) 資 助 項 目 ( 2006 CB202200 )</p><p>　　1 巷道地質(zhì)

10、與生產(chǎn)條件</p><p>　　亭南礦井西翼軌道大巷埋深 463 m，由于該巷 道底板無支護，且巷道底板巖層暴露后容易風化， 遇水極 易 軟 化 膨 脹，底 鼓 嚴 重，最大底鼓量達到 </p><p>　　500 mm。多次對巷道進行挖底返修，仍 不 能 有 效 控制底鼓變形。西翼軌道大巷在 8 號煤層中掘進。 煤層厚度 11. 00 m，平均傾角 4°，煤層普氏系數(shù)為&l

11、t;/p><p>　　2 ～ 3。煤層偽 頂 為 泥 巖，厚 0. 75 m; 直 接 頂 為 砂</p><p>　　質(zhì)泥巖，厚 4. 68 m; 基本頂為粉砂巖， 厚 12. 00 m; 直接底 為 鋁 質(zhì) 泥 巖， 厚 2. 30 m; 基 本 底 為 泥 巖，厚 8. 16 m; 巖石普氏系數(shù)為 3 ～ 5。底板鋁質(zhì) 泥巖暴露后，容易風化、軟化及裂隙化，遇水極易<

12、/p><p>　　發(fā)生膨脹，巖體泥化，比較破碎。經(jīng)測試，西翼軌 道巷頂 板砂質(zhì)泥巖黏土礦物質(zhì)量 分 數(shù) 為 39. 9% ， 底板鋁質(zhì)泥巖黏土礦物質(zhì)量分數(shù) 50. 9% 。頂 板 砂</p><p>　　王洪濤等: 強膨脹性泥巖巷道底鼓治理技術 2010 年第 9 期</p><p>　　質(zhì)泥巖黏 土 礦 物 中 伊 / 蒙 混 層 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 29.

13、0% ，</p><p>　　高嶺石和伊利石質(zhì)量分數(shù)分別為 54. 0% 和 12. 0% ， 屬于弱 膨 脹 性 軟 巖; 8 號煤非晶質(zhì)質(zhì)量 分 數(shù) 高 達</p><p>　　96. 7% ，對巷道兩幫的穩(wěn)定不利; 底板鋁質(zhì)泥巖黏 土礦物中伊 / 蒙混層質(zhì)量分數(shù)為 18. 0% ，高嶺石質(zhì) 量分數(shù)高 達 71. 0% ，屬 于 中 膨 脹 性 軟 巖，膨 脹 性 較強，在巷道開

14、挖后，遇水易膨脹、泥化，巖體破 碎，對軟巖巷道支護十分不利。</p><p>　　2 巷道底板破壞因素和機理分析</p><p>　　1 ) 膨脹性底板泥巖中蒙脫石、高 嶺 石 含 量 高，浸水后膨脹性礦物在內(nèi)部及外部膨脹機制的作 用下，水分子進入晶胞層間和顆粒間形成層間膨脹 和粒間膨脹。巷道開挖后，水溝積水加速了鋁質(zhì)泥 巖的強度降低和體積膨脹，在兩幫巖柱的壓模效應 和地應力的作用

15、下，底板泥巖產(chǎn)生塑性變形、流變 和擴容，向巷道內(nèi)擠壓流動，造成底鼓量增大。</p><p>　　2 ) 深部高應力條件下，較為軟弱的層 狀 物 質(zhì)，如泥巖、破碎帶巖石及散體結(jié)構(gòu)，在應力超過 其屈服強度時，軟弱的塑性物質(zhì)沿最大應力梯度方 向向鄰空區(qū)擠出，發(fā)生流動性破壞。巷道幫部的收 斂鼓出變形，很大程度上是由于軟弱的泥巖在深部 高、動靜荷載作用下，發(fā)生的塑性流動造成的。直 接底板為軟弱破碎鋁質(zhì)泥巖，而兩幫和頂板巖

16、體強 度大于底板巖體強度，在兩幫巖柱的壓模效應和遠 地應力場的作用下，底板軟弱破碎巖體產(chǎn)生塑性變 形及流變，向巷道內(nèi)擠壓流動，造成巷道底鼓。</p><p>　　3) 巷道開挖后，圍巖應力重新分布，引起巷 道頂?shù)装鍘r層卸載產(chǎn)生強塑 性變形并向巷道內(nèi)鼓 起，巷道內(nèi)壁的巖石幾乎處于單向應力狀態(tài)，強度 下降。因此，對于深部巷道來說，圍巖一方面受到 強大地應力場的作用處于應變軟化狀態(tài)，承載能力 下降; 另一方面由于軟巖本

17、身的不均勻性，出現(xiàn)應 力集中，使巖石應變軟化的趨勢加強。處于應變軟 化狀態(tài)的 圍 巖 有 一 定 的 范 圍，這個范圍叫做軟化 區(qū)，即松動區(qū)。當巷道底板巖石中的應力超過巖石 極限強度時，在兩幫巖柱的壓膜效應和水平應力場 擠壓的作 用 下，底板軟弱巖體產(chǎn)生塑性變形及流 變，向巷道內(nèi)擠壓流動，造成巷道底鼓。在巷道積 水的情況下，當巷道周圍存在松動區(qū)時，水不僅能 與暴露的巖石發(fā)生接觸，而且能通過裂隙滲入圍巖 內(nèi)部，增加了水與巖石的接觸面積，加

18、劇了水與巖</p><p>　　石的物理化學作用，圍巖體膨脹速度與強度喪失的</p><p>　　速度加快，此時松動區(qū)內(nèi)圍巖強度降低，或者完全 喪失，導致松動區(qū)的進一步擴大，遇水使巖石進一 步受到軟化，強度、彈性模量明顯降低，黏聚力幾 乎喪失，圍巖進一步從底板鼓出，造成惡性循環(huán)。</p><p>　　4 ) 巷道原有支護形式為底板開放式支 護， 頂、幫部錨桿為

19、18 mm × 2 100 mm 的樹脂螺紋鋼 錨 桿， 間 排 距 為 700 mm × 700 mm; 錨 索 采 用</p><p>　?、i15. 2 mm × 6 500 mm 高強低松弛鋼絞線，排距為</p><p>　　1 600 mm; 鋪設 6. 5 mm 鋼筋網(wǎng)，噴層厚 150 mm ( C30 混凝土) 。從整個巷

20、道的變形來看，錨 索 的 設置有效控制了頂板變形，幫部支護強度小，使得 幫部有一 定 的 收 斂 變 形，底板未采取任何支護措 施，使得底板變形沒有得到及時控制。</p><p>　　5) 采用直墻半圓拱形狀，由于底板不能形成 穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)而使底鼓量加大。</p><p>　　3 底鼓治理支護設計</p><p>　　1) 由于巷道底板中含有較多的膨脹性礦

21、物成 分和大量的黏土礦物，遇水膨脹軟化引起底鼓，采 用鋪設隔水層，以避免底板遇水膨脹。巷道底鼓通 常是由于底板巖層強度低，不能承載巷道圍巖應力 而產(chǎn)生的，可以通過底角錨桿、混凝土反底拱、加 固巷道幫角支護等加固支護 措施進行治理巷道底 鼓。根據(jù)以上分析，對于西翼軌道大巷底鼓的控制 采用反底拱 + 底角錨桿 + 補打幫部錨桿的支護和鋪 設隔水層防治水措施，支護布置如圖 1 所示。</p><p>　　圖 1

22、西翼軌道大巷支護布置</p><p>　　2010 年第 9 期 煤 炭 科 學 技 術 第 38 卷</p><p>　　2) 西翼軌道大巷支護材料及參數(shù)。幫部補打</p><p>　　錨桿采用左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，布置在底板 以上 200 mm，錨桿規(guī)格 18 mm × 2 100 mm，間排 距 700 mm × 70

23、0 mm; 底角錨桿采用管縫 式 錨 桿，</p><p>　　內(nèi)插螺紋鋼錨桿，平行布置，錨桿規(guī)格 43 mm ×</p><p>　　1 600 mm，間排距 500 mm × 700 mm; 混凝土采用 普通硅 酸 鹽 水 泥，強 度 等 級 C30， 厚 度 200 mm; 采用 焊 接 鋼 筋 網(wǎng)， 鋼 筋 直 徑 6. 5 mm， 網(wǎng) 格

24、 尺 寸</p><p>　　100 mm × 100 mm，網(wǎng)片尺寸 1 500 mm × 3 200 mm。</p><p>　　3) 現(xiàn)場施工采用短挖短修方式進行返修，每 段挖底長 度 為 5 m， 可根據(jù)現(xiàn)場具體情況調(diào)整長 </p><p>　　度，最長不超過 8 m。具體施工過程為挖底→及時 鋪干石灰→補打幫錨桿→掛幫網(wǎng)→打底角錨

25、桿→掛</p><p>　　底網(wǎng)→鋪混凝土，中間加鋼筋網(wǎng)→鋪爐灰渣→礦壓 監(jiān)測→鋪設底板混凝土實施永久支護。</p><p>　　4 現(xiàn)場監(jiān)測及支護效果分析</p><p>　　1) 巷道表面位移。在西翼軌道大巷試驗段共 設置了 4 個測站進行表面位移礦壓觀測，通過對觀 測數(shù)據(jù)整理，可得出巷道表面位移量，1 號、3 號 測站觀測曲線如圖 2 所示。由圖 2 可

26、以看出巷道返 修后的前 3 ～ 20 d 為圍巖變形的活躍期，該期間內(nèi) 圍巖的移近量占圍巖移近總量的 80% 以 上; 返 修</p><p>　　20 ～ 60 d 為 過 渡 期，圍 巖 移 近 逐 漸減小并趨于穩(wěn) 定; 返修 60 d 之后圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。試驗 段巷道表面位移兩幫累計位移最大值為 7 mm，頂</p><p>　　圖 2 圍巖位移與時間關系曲線&l

27、t;/p><p>　　板下沉累計最大值為 2 mm，底鼓量最大值只有 10</p><p>　　mm，整體而言， 巷道的頂板和底鼓控制得很好， 兩幫移近量也較小。</p><p>　　2) 錨桿受力分析。在西翼軌道巷試驗段共設 置了 4 個測點進行了錨桿錨托力的礦壓觀測，錨桿 受力隨時間的變化關系如圖 3 所示。</p><p>　　圖 3

28、 錨桿受力隨時間的變化</p><p>　　從圖 3 可知，錨桿受力一般在支護后前 5 ～ 8 d 增長較快，10 d 后 趨 于 穩(wěn) 定。頂板錨桿受力較小 主要是因為錨索發(fā)揮了主要的承載力，減小了錨桿 上的荷載; 對于幫部錨桿，左幫比右?guī)褪艿降睦?要大，這正好與實際條件吻合，是煤層傾斜具有不 對稱性緣故造成。錨桿受力最大值在幫部，錨桿受 力為 45 kN，單根錨桿的錨固力為 150 kN，與實測 錨桿工作

29、阻力相比，錨桿的設計是安全合理的。</p><p>　　5 結(jié) 論</p><p>　　1) 試驗結(jié)果表明采用反底拱 + 底角錨桿 + 補 打幫部錨桿的支護和鋪設隔水層防治水措施對提高 圍巖強度、承載圍巖應力效果明顯。整體而言，巷 道頂板和底鼓控制得很好，兩幫位移、頂板下沉和 底鼓量較小，提高了圍巖整體穩(wěn)定性，有效解決松 動區(qū)軟弱巖體產(chǎn)生塑性變形及流變的支護問題。<

30、;/p><p>　　2) 并通過現(xiàn)場礦壓觀測巷道圍巖位移場、錨 桿受力及支護體受力情況，兩幫累計位移最大值為</p><p>　　7 mm，頂板下沉累計最大值為 2 mm，底鼓量最大 值只有 10 mm，結(jié)果表明該支護技術控制巷道底鼓 和保持巷道整體穩(wěn)定具有可行性和可靠性。</p><p>　　3) 分析了亭南礦軟巖巷道底板泥巖水理作用 及強度軟化特征，鋪設隔水層進行

31、封閉水源，避免 出現(xiàn)底板泥巖產(chǎn)生塑性變形，有效控制底鼓變形， 實現(xiàn)巷道長期有效維護。</p><p>　　4) 巷道底鼓治理試驗結(jié)果查清了發(fā)生破壞的 主控因素，確定了底鼓變形力學機理，對綜采工作 面少留底煤或無底煤開采技術具有指導意義。</p><p>　　( 下轉(zhuǎn)第 93 頁)</p><p>　　汝長青: 基于 DTC 的大傾角帶式輸送機控制系統(tǒng)設計 20

32、10 年第 9 期</p><p>　　是在一定的啟動時間內(nèi)，通過控制啟動加速度值來</p><p>　　確保帶式輸送機按所要求的速度曲線平穩(wěn)啟動，并 達到額定的運行速度; 同時使電動機的啟動電流和 啟動輸送帶的動張力控制在允許范圍內(nèi)，既減少啟 動時輸送帶的動張力，降低輸送帶的安全系數(shù)，也 降低對輸送機元部件機械強度的要求。</p><p>　　實踐運行測得的三相

33、電機繞組變化曲線如圖 4 所示，直接轉(zhuǎn)矩控制技術能夠使電機在整個啟動過 程中，轉(zhuǎn)速上升非常平穩(wěn)，機械噪聲很小。啟動轉(zhuǎn) 矩響應非?？欤趩娱_始極短的時間內(nèi)達到最大 限幅轉(zhuǎn)矩值，當轉(zhuǎn)速開始上升時，啟動轉(zhuǎn)矩保持恒 定，使帶 式輸送機獲得穩(wěn)定的加速度。啟 動 結(jié) 束 后，電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩保持平衡，帶式輸送機進 入穩(wěn)態(tài)運行階段。</p><p><b>　　參考文獻:</b></p>

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38、與配套等方面的工 作。 Tel: 021 －</p><p>　　64382344 － 8154 ，E － mail: ruchangqing@ 163. com</p><p>　　收稿日期: 2010 － 03 － 28; 責任編輯: 趙 瑞</p><p>　　CH1 —CH3 為電機轉(zhuǎn)子 a 相、b 相、c 相; CH4 為電機定

39、子繞組</p><p>　　圖 4 啟動過程中電機繞組變化曲線</p><p>　　實踐發(fā)現(xiàn)，在帶速不大于 2. 5 m / s、加速度不 大于 0. 3 m / s2 時，輸送機在各種工況 ( 滿載啟動、 滿載運行 及 停 車) 下運行相對比較平穩(wěn)，雖 然 表 面有 煤 塊 滾 動 現(xiàn) 象 發(fā) 生， 但 不 嚴 重; 當 帶 速 為</p><p>

40、　　3. 15 m / s 時，表 面 煤 塊 滾 動 現(xiàn) 象 加 劇，輸 送 機 運</p><p>　　行情況較差。另外當輸送量很小或很大時，帶式輸 送機無法正常輸送物料。通過實踐檢驗，帶速應控</p><p>　　制在 2. 5 m / s 以內(nèi)比較合適。</p><p><b>　　4 結(jié) 論</b></p><

41、p>　　1) 通過實踐應用證明，將直接轉(zhuǎn)矩控制法合 理地應用在大傾角帶式輸送機中，具有快速的轉(zhuǎn)矩 響應和低頻時較高轉(zhuǎn)矩，在輕載、半載及滿載裝料 時，無論在啟動過程、運行階段、制動過程及靜止 狀態(tài)，都能 使 物 料 在 35° 傾角的輸送帶上保持穩(wěn) 態(tài)，尚未出現(xiàn)物料下滑和滾料現(xiàn)象。</p><p>　　2) 該機的成功研制，拓展了大傾角帶式輸送 機的最大輸送角度 35°，增加了大傾角帶式輸

42、送機 的使用范圍，為煤礦主斜井運輸系統(tǒng)箕斗提升改為</p><p>　　大傾角上運帶式輸送機提供可靠的技術保障。</p><p>　　檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶</p><p>　　( 上接第 56 頁)</p><p><b>　　參考文獻:</b></p><p>　?。?］

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47、J］． 煤礦安全，2005 ，36 ( 8 ) : 43 － 45 ．</p><p>　　作者簡介: 王洪濤 ( 1974 － ) ，男，山東濱州人，工程師，現(xiàn) 任陜西長武亭南煤業(yè)有限責任公司任生產(chǎn)技術科長。聯(lián)系人: 韓國 安，Tel: 13892991952 ，E － mail: shanxi711503 @ 163. com</p><p>　　收稿日期: 2