3、巷道底板泥化機(jī)理與加固措施

1、<p>　　文章編號!1671-0118!2005"05-0299-03</p><p>　　巷道底板泥化機(jī)理與加固措施</p><p>　　樊少武 l! 蔡美峰 l! 王秀榮 2</p><p>　　1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院 北京 100083 2.大同大學(xué) 理工學(xué)院 山西 大同 037003 </p>&l

2、t;p>　　摘 要!針對掘進(jìn)巷道底板存在的泥化問題 依靠 X 射線衍射 XRD 掃描電鏡 SEM 等實驗分析 了泥巖的礦物成分 有機(jī)質(zhì)作用 對泥巖泥化作用機(jī)理及影響因素進(jìn)行了研究 得出了泥巖的黏土礦物 成分主要是由伊/蒙混層 伊利石 蒙脫石 高嶺石和綠泥石等組成 泥巖中的有機(jī)質(zhì)加劇了泥化趨勢 巷 道積水 裂隙水 層間水 結(jié)構(gòu)水等降低了泥巖的強(qiáng)度 泥巖的泥化是水 裂隙 動載荷 有機(jī)質(zhì)等共同作 用的結(jié)果 最后提出了泥巖巷道泥化

3、治理的措施 </p><p>　　關(guān)鍵詞! 泥巖 有機(jī)質(zhì) 黏土礦物 泥化機(jī)理 地質(zhì)聚合體</p><p>　　中圖分類號!TD322文獻(xiàn)標(biāo)識碼!A</p><p>　　Research of muddy mechanism and reinforce measure for tunnel s underground</p><p>

4、　　FAN Shaowul CAI Meifengl WANG Xiurong2</p><p>　　1. Civil & Environment Engineering school, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083 China </p><p>　　2. Department of

5、 Machinery & Electronic Engineering of Datong University Datong 037003, China </p><p>　　Abstract The paper is aimed at eiiminating the probiem of pedestai muddy arising in excavation tunneis. Site inve

6、stigation and theoreticai anaiysis and X-ray derivation XRD scanner eiectron microscope</p><p>　　SEM experimentation anaiysis of minerai composition of shaie, the effect of organism, and the study of sha

7、ie s muddy mechanism and affecting factor are combined to point to the conciusion that ciay minerai of shaie is made of I/S iieite montmoriiionite Kaoiing turguoise and so on and organism aggravates shaie s mu

8、ddy tendency, accumuiative water, crack water, stratum water, structurai water detract intensity of shaie, the resuit of which is water, crack, moving ioad,</p><p>　　Key words shaie; org

9、anism; iay minerai; muddy mechanism; geo-pioymer</p><p>　　在我國 由于成煤時期和沉 積 環(huán) 境 的 影 響 煤 層</p><p>　　底板多為泥質(zhì)沉積物或沉積泥巖 分布廣 泛 幾乎遍 及全國含煤地區(qū) 泥巖對巷道支護(hù)和底板 加 固 造 成 的危害極大 嚴(yán)重影響了煤礦的安全 生產(chǎn) 給煤炭行 業(yè)帶來不可估計的經(jīng)濟(jì)損失

10、 國內(nèi)許多科研院所 高 等院校及煤礦對泥巖巷道支護(hù)進(jìn)行了深入 的 探 索 研 究 在泥化機(jī)理研究方面取得了一 定成效 但是 對 泥化治理和加固措施方面還 存在不足 尚 需 作 進(jìn) 一 步的探討 以期完善泥巖泥化治理技術(shù) </p><p>　　收稿日期 2005-07-2l</p><p><b>　　l概述</b></p><

11、p>　　!"!巷道概況及泥化原因</p><p>　　近十年來 隨著掘進(jìn)巷道先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)和研制 國內(nèi)許多煤炭企業(yè)加快高產(chǎn)高效礦井建設(shè)步伐 連采 工作面掘進(jìn)速度顯著提高 如神東礦區(qū)的連采隊 巷道 寬度 5~6 m 高度 4.0~4.5 m 采用連續(xù)掘進(jìn)機(jī) 梭車和 膠輪車運輸 進(jìn)口澳大利亞錨桿機(jī)等設(shè)備 運輸平巷鋪 設(shè)皮帶 輔助運輸平巷鋪設(shè) l5 cm 厚混凝土 施工中 </p>

12、<p><b>　　300</b></p><p>　　黑龍江科技學(xué)院學(xué)報</p><p><b>　　第 l5 卷</b></p><p>　　進(jìn)尺快時可達(dá) 5 000 m/月 而泥化嚴(yán)重時進(jìn)尺卻只有</p><p>　　1 500 m/月左右 </p>

13、<p>　　底板泥化給施工帶來極大的困難 造成泥化的因 素主要有下列幾點 </p><p>　　1 巷道開挖后底板灰色泥巖卸荷后極易風(fēng)化崩 解 </p><p>　　2 掘進(jìn)頭積水嚴(yán)重 從實際情況看 水主要來源 于煤壁滲水 泥化夾層以上涌水量小 泥化夾層以下滲 水在剛開挖后滲水嚴(yán)重 泥化夾層滲透性低隔水效果 好 底板泥巖裂隙滲水 連采機(jī)掘進(jìn)時噴霧灑水等 </

14、p><p>　　3 連采機(jī)和梭車或膠輪運輸車頻繁調(diào)度 這種動 載荷加重了底板泥化程度 </p><p>　　!"# 底板泥化的影響</p><p>　　現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn) 積水少的地方底板泥化程度輕 對 掘進(jìn)影響小 由于泥化造成的后果是增加了清理和排 除淤泥兩道工序 設(shè)備輪胎破損 機(jī)械零件破壞 電纜 破壞 工作環(huán)境差 影響打錨桿和混凝土底板工序 </p&

15、gt;<p>　　從現(xiàn)場看在清除淤泥后還要進(jìn)行放炮起底 排矸 回填料石 最后打混凝土路面 這些影響因素不僅增加 了工作量 也給安全生產(chǎn)帶來了困難 </p><p>　　2 泥巖的礦物 巖相和類型</p><p>　　自 然 界 中 泥 巖 的 有 機(jī) 質(zhì) 比 較 豐 富 Weiss 1990 Huunt 1979 1996 泥巖礦物的組成是黏土礦物 原生 礦物

16、碳酸巖和含鐵礦物 石英和長石等陸原碎屑 其 中黏土礦物是構(gòu)成泥巖的主體 </p><p>　　黏土礦物是一種硅酸鹽或鋁硅酸鹽礦物 l 有非晶 質(zhì)和結(jié)晶質(zhì)兩種 其中結(jié)晶質(zhì)礦物可分為層狀和鏈層 狀結(jié)構(gòu) 黏土礦物由于結(jié)構(gòu)的不同可分為蒙皂石 伊利 石 伊/蒙混物 高嶺石 綠泥石等各種類型 各類黏土礦 物的電荷數(shù) 比表面積吸水膨脹性以及礦物層間含水 量均有差異 </p><p>　　#&q

17、uot;! 礦物特征</p><p>　　根據(jù) XRD 分析(鄧宏文 錢凱 1993) 國內(nèi)沉積泥巖 由黏土礦物 原生礦物和其他礦物組成 l 黏土礦物是組 成泥巖的主要礦物 但含量變化范圍較大 大致在 20%~</p><p>　　70% 反映了不同沉積環(huán)境 不同成煤時期的差異性 </p><p>　　泥巖中的黏土礦物 中國礦業(yè)大學(xué)何滿潮教授等 人 通過

18、對泥巖的黏土礦物的 XRD 分析發(fā)現(xiàn) 黏土礦 物以蒙脫石 伊利石/蒙脫石層間礦物為主 含量高達(dá)</p><p>　　50% 其次是伊利石含量達(dá) 20% 高嶺石和綠泥石的含 量一般較低 尤其是綠泥石含量不到 10% 2 但由于不</p><p>　　同地域的差異性 在鄂爾多斯煤田的神東礦區(qū)泥巖中 </p><p>　　以伊利石和伊利石/蒙脫石層間礦物含量

19、為主 達(dá)到</p><p>　　60% 4# 底板泥巖綠泥石含量 15% 山西大同石炭 二 疊紀(jì)泥巖中的黏土礦物則以伊利石和高嶺石為主 蒙 脫石 伊利石/蒙脫石層間礦物次之 少有綠泥石 </p><p>　　原生礦物 原生礦物主要是硅酸鹽類礦物 氧化類 礦物 硫化物類及磷酸鹽類礦物 泥巖中普遍含碎屑礦 物如石英和長石 </p><p>　　其他礦物 泥巖中

20、發(fā)育大量的碳酸鹽 黃鐵礦和硫 酸鹽等礦物 表現(xiàn)特征各異 </p><p>　　#"# 泥巖的巖相</p><p>　　煤系地層的底板泥巖巖相 多 為 水 平 層 理 泥 頁 巖 相 鈣質(zhì)紋層頁巖相 碳質(zhì)泥巖及雜質(zhì)泥巖 主要由灰 色 淺綠灰色泥巖組成 </p><p>　　#"$ 泥巖的類型</p><p>

21、　　一般依照黏土礦物成分的差異 I/S 間層值的變化 </p><p>　　把泥巖劃分為三種類型 </p><p>　　!類泥巖的 I/S 間層值為 45%~50% 黏土礦物的 性質(zhì)以蒙脫石為主 具有很強(qiáng)的膨脹性和變形特點 </p><p>　　"類泥巖的 I/S 間層值為 10%~50% 黏土礦物的 性質(zhì)為脫石含量降低 伊利石含量上升 膨脹性較弱 &

22、lt;/p><p>　　#類泥巖的 I/S 間層值小于 10% 黏土礦物的性質(zhì) 以伊利石為主 高嶺石次之 泥巖強(qiáng)度較高 膨脹性小 </p><p>　　3 泥巖中的有機(jī)質(zhì)</p><p>　　$"! 分布及保存形式</p><p>　　根據(jù)顯微熒光分析 泥巖中的有機(jī)質(zhì)以分散 順層 富集 局部富集和生物碎屑等形式分布 </

23、p><p>　　泥巖中的黏土礦物 碳酸鹽含量較高時 有機(jī)質(zhì)分 布集中 以無定性可溶有機(jī)質(zhì)為主 隨原生礦物的增 加 有機(jī)質(zhì)趨于分散 且以生物有機(jī)質(zhì)為主體 根據(jù)前 人的研究成果 泥巖中的有機(jī)質(zhì)主要有生物有機(jī)質(zhì) 溶 解有機(jī)質(zhì)和聚合有機(jī)質(zhì) 以無定形形式 這些有機(jī)質(zhì) 都是碳水化合物 蛋白質(zhì) 脂肪和木質(zhì)素等生物體分解 產(chǎn)物 表明泥巖中可以保存大量的有機(jī)質(zhì) 這對泥巖的 軟化 泥化 崩解影響具有重要的意義 </p&g

24、t;<p>　　$"# 有機(jī)質(zhì)對黏土礦物的影響</p><p>　　根據(jù)對黏土礦物層間有機(jī)質(zhì)的 XRD 熱失量 差 熱 差熱 色譜等研究發(fā)現(xiàn) l 正常濕度下蒙脫石層間 含有兩個水分子時 蒙脫石層間距一般為 1.5O nm 當(dāng) 層間只含一個水分子時層間距為 1.25 nm 經(jīng)過加熱脫 水后 層間距一般收縮到 1.00 nm 而伊利石不論在自 然干燥還是加熱處理 層

25、間距均不發(fā)生變化 固定在</p><p>　　1.00 nm 伊利石/蒙脫石層間礦物的層間距達(dá) 2.7O nm 當(dāng)加熱 550 C后 層間距變?yōu)?1.00 nm 說明層間吸附有 水分子 </p><p>　　4 泥巖泥化機(jī)理</p><p>　　泥巖自然狀態(tài)下強(qiáng)度較高 單軸抗壓強(qiáng)度在 50~62</p><p>　　Mpa 抗拉

26、強(qiáng)度為 2.0~8.7 Mpa,凝聚力 5.5~11.5 Mpa 內(nèi) 摩擦角 34 ~36 但浸水以后 1 1 內(nèi)崩解成碎塊狀 基</p><p><b>　　第 5 期</b></p><p>　　樊少武,等 巷道底板泥化機(jī)理與加固措施</p><p><b>　　30l</b></p><p

27、><b>　　本失去強(qiáng)度 2 O</b></p><p>　　前面的研究成果為了解泥巖風(fēng)化崩解 泥化機(jī)理 提供了實驗依據(jù)和啟示O 巷道開挖以前泥巖處于力學(xué) 平衡狀態(tài),開挖后,受人類活動影響,圍巖發(fā)生擾動,底 板泥巖可能出現(xiàn)四種情況 一是巖層沿層面或節(jié)理裂 隙面開裂;二是底板卸荷后,圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化 為二向應(yīng)力狀態(tài),受采動影響出現(xiàn)底板破裂帶;三是暴 露在大氣中很容易風(fēng)化崩解, 這與

28、泥巖的成分組成有 密切關(guān)系;四是巷道和頂?shù)装逵克人饔肙 這些情 況 導(dǎo) 致 泥 巖 經(jīng) 歷 失 水-加 載 -吸 水-崩 解 -泥 化 過 程O</p><p><b>　　4.1水的作用</b></p><p>　　巖石是多空隙結(jié)構(gòu), 天然賦存的泥巖中含有層間 水 結(jié)構(gòu)水 裂隙空隙水O 其中裂隙空隙水通過裂隙容 易排除,而層間水和結(jié)構(gòu)水很難排除O 根據(jù)實驗研

29、究發(fā) 現(xiàn),當(dāng)溫度達(dá)到 250 C時層間水排除,當(dāng)溫度達(dá)到 500~</p><p>　　600 C時結(jié)構(gòu)水方能排除,所以巷道掘進(jìn)后泥巖中能保 存大量的水O 由于泥巖的滲透性低,巷道開挖時,人工</p><p>　　排水和通風(fēng)風(fēng)干作用, 使得泥巖下部水向表層滲流速 度遠(yuǎn)小于表層水分蒸發(fā)速度, 這就造成表層巖體失水</p><p>　　收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力, 當(dāng)拉應(yīng)力

30、大于表層巖體的抗拉強(qiáng)度 時將出現(xiàn)拉裂破壞 3 O</p><p>　　由于煤層賦存起伏不定,巷道底板高低不平,上覆</p><p>　　巖層和地表水滲流影響,經(jīng)常造成巷道局部積水,泥巖 在水作用下,底板比壓大大降低,抗壓強(qiáng)度明顯下降O</p><p><b>　　4.2裂隙的作用</b></p><p>　　泥巖中裂隙

31、一般分原生裂隙和次生裂隙, 其中次 生裂隙按生成機(jī)理又可分為風(fēng)化裂隙 脹縮裂隙 卸荷 裂隙以及構(gòu)造裂隙O 巷道掘進(jìn)時, 底板泥巖應(yīng)力重布 后,底板形成低應(yīng)力區(qū),機(jī)械設(shè)備的往返運行更加速了 卸荷裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展O 隨后,暴露的泥巖受通風(fēng)影響 開始產(chǎn)生風(fēng)化裂隙,當(dāng)積水滲入卸荷和風(fēng)化裂隙后,導(dǎo) 致巖體礦物成分的結(jié)構(gòu)改變而發(fā)生脹縮, 產(chǎn)生脹縮裂 隙O 對巷道泥化影響較大的是脹縮裂隙O</p><p><b>

32、　　4.3有機(jī)質(zhì)作用</b></p><p>　　已往對泥化機(jī)理研究側(cè)重于水和裂隙作用, 而忽 視有機(jī)質(zhì)對泥化的影響O 中國礦業(yè)大學(xué)何滿潮教授在 軟巖工程力學(xué)和軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究中, 注意到有 機(jī)質(zhì)對巷道膨脹變形的影響 2 O但是國內(nèi)對有機(jī)質(zhì)作用 在泥巖泥化機(jī)理研究較少O 根據(jù)前面研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì) 含量 層間結(jié)構(gòu)對沉積泥巖性質(zhì)影響較大,泥巖中有機(jī) 質(zhì)夾層在原巖應(yīng)力狀態(tài)時,不發(fā)生變化,一旦巷道開掘

33、后,在水和動載共同作用下,就構(gòu)成強(qiáng)度缺陷,促進(jìn)泥化 的發(fā)展O</p><p><b>　　4.4動載作用</b></p><p>　　掘進(jìn)巷道使用的設(shè)備越來越重型化,連續(xù)掘進(jìn)機(jī) </p><p>　　錨桿機(jī) 梭車 運煤膠輪車等都是大噸位設(shè)備, 自重多</p><p>　　在 20 t 左右,這些設(shè)備頻繁的在巷道中運行碾

34、軋,促進(jìn) 裂隙的擴(kuò)展,激活了黏土礦物和有機(jī)質(zhì)作用,因此加重 了泥巖的泥化程度O</p><p>　　綜上所述,泥巖泥化是多因素共同作用的結(jié)果O</p><p>　　5 巷道泥化治理措施</p><p>　　目前國內(nèi)在泥化嚴(yán)重的巷道底板處理時, 多采用 清理淤泥-排水-起底-回填毛石-混凝土硬化-養(yǎng) 護(hù)O 這種方法成本高 效率低 工期長,影響掘進(jìn)工作面 進(jìn)度,不能

35、從根本上解決泥化和對設(shè)備影響等問題O</p><p>　　根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研,結(jié)合泥化機(jī)理和影響因素,對泥化 嚴(yán)重區(qū)域,建議采用綜合措施O 通過潛水泵和泥漿泵強(qiáng) 排 疏干巷道積水,降低水的影響;設(shè)置液壓移動式鋼 模板,減少設(shè)備對底板的動載作用;選擇人工織物鋪設(shè) 路基,利用加筋作用改變泥巖受力狀態(tài);鋪設(shè)三合土和 人工防滲材料; 添加高強(qiáng)速凝劑提高混凝土強(qiáng)度等措 施,達(dá)到治理泥化的目的O</p><p&

36、gt;　　由于前述兩種方法成本較高 速度慢,不能滿足高 產(chǎn)高效礦井和連采巷道掘進(jìn)要求, 根據(jù)實驗室實驗和 巖石力學(xué)分析,提出泥巖泥化治理新技術(shù),即新型地質(zhì) 聚合體和固結(jié)材料加固技術(shù)O 該方法的實質(zhì)是直接利 用現(xiàn)有掘進(jìn)設(shè)備破碎底板, 添加地質(zhì)聚合體或高效泥 巖固結(jié)粉,現(xiàn)場拌合 碾軋 養(yǎng)護(hù)O</p><p><b>　　6 結(jié)束語</b></p><p>　　對泥巖巷

37、道的泥化控制,治水是關(guān)鍵O 采用泥巖泥 化治理新技術(shù)后的底板達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度 滿足行車要求, 可以減少清淤泥和起底工程量,大大降低工程造價,成 本比原有方法降低 30%以上,并能確保施工工期O</p><p>　　隨著機(jī)械化程度的提高, 泥巖泥化對礦井安全和 效益的影響趨于明顯, 國內(nèi)在泥化機(jī)理研究方面取得 了成效,但在泥化治理方面還存在諸多問題,一些新型</p><p>　　材料和硬化技術(shù)還

38、處在試驗階段,沒有推廣應(yīng)用,今后 應(yīng)加大工業(yè)性試驗,完善泥巖泥化治理技術(shù)O</p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　l 蔡進(jìn)功.泥質(zhì)沉積物和泥巖中有機(jī)黏土復(fù)合 M .北京 科學(xué)出 版社,2004.</p><p>　　2 何滿潮 , 景 海 河 , 孫 曉 明. 軟 巖 工 程 力 學(xué) M . 北 京

39、科 學(xué) 出 版 社,2003.</p><p>　　3 蔡美峰,何滿潮,李東燕,等.巖石力學(xué)與工程 M .北京 科學(xué)出 版社,l998.</p><p>　　作者簡介 樊少武 1964- ,男,山西省臨猗縣人,副教授, 北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院博士研究生,主要從事采礦 和安全教學(xué)及科研工作,先后發(fā)表采礦 安全 經(jīng)濟(jì) 管理以及 教育理論等方面研究論文 10 余篇,E-maiI

40、fswemaiI@163.netO</p><p>　　巷道底板泥化機(jī)理與加固措施</p><p>　　作者：樊少武， 蔡美峰， 王秀榮， FAN Shaowu， CAI Meifeng， WANG Xiurong</p><p>　　作者單位：樊少武,蔡美峰,FAN Shaowu,CAI Meifeng(北京科技大學(xué),土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京,100083)，

41、 王秀榮,WANG Xiurong(大同大學(xué),理工學(xué)院,山西,大同,037003)</p><p>　　刊名：黑龍江科技學(xué)院學(xué)報</p><p>　　英文刊名：JOURNAL OF HEILONGJIANG INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)：2005,15(5)</p><p><b>　　被引用次

42、數(shù)：1次</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)(3條)</b></p><p>　　1.何滿潮;景海河;孫曉明 軟巖工程力學(xué) 2003</p><p>　　2.蔡進(jìn)功 泥質(zhì)沉積物和泥巖中有機(jī)黏土復(fù)合 2004</p><p>　　3.蔡美峰;何滿潮;李東燕 巖石力學(xué)與工程 1998</p>