本發(fā)明涉及井巷工程，尤其涉及防治巖巷道底鼓的技術方法。
背景技術：
：在開掘巷道中，巷道底鼓是一種常見的礦壓顯現，尤其在強吸水膨脹軟巖中開掘巷道，底鼓現象更為突出。底鼓的原因是巷道開掘后，圍巖由三向受力狀態(tài)轉變?yōu)槎蚴芰顟B(tài)，在原巖應力、采動應力、水及底板巖性等多因素的共同作用下，巷道底板圍巖呈現拉伸破壞，并向巷道內壓曲和膨脹形成底鼓。據大量實測表明，巷道底鼓約占頂底板移近量的60％-70％，底鼓主要危害是縮小巷道斷面，影響礦井中的運輸、通風及行人等，甚至因巷道底鼓致使巷道報廢，嚴重制約礦井的安全高效生產。目前，針對巷道底鼓問題主要采取的控制措施有：封閉金屬支架、底板錨桿(索)加固、巷旁充填及切縫等，雖然這些方法對巷道底鼓具有一定的控制效果，但由于上述底鼓控制方法均只從巷道發(fā)生底鼓的力學機理對底板進行控制，且控制效果有限，而沒有考慮巷道軟巖吸水膨脹對底鼓的影響，因而控制巷道底鼓效果差，經濟成本高，并且治理底鼓勞動強度大。中國專利申請?zhí)?01010225781.6公開了一種用于礦井軟巖巷道底板底鼓治理的施工方法。施工方法主要分為以下兩個部分進行：首先進行微型碎石管注樁的設置和施工，同時進行降水工作，然后在二次支護時進行底板澆注。其缺點為：雖然該方法能夠在一定程度上對控制巷道底鼓取得一定的效果，(1)由于底板軟巖中水多含于孔隙和裂隙之中，抽出的水量較為有限，耗費工時，且注漿漿液中含部分水分，因而該方法對底板軟巖含水控制較差，難以對軟巖巷道底鼓防治起到較好的效果。(2)該方法未對底板巖層含水率進行測定，且未對啟動機器進行排水時的鉆孔含水量及鉆孔數量進行量化(即由于鉆孔與鉆孔之間含水量具有一定的差異，鉆孔含水量達到多少時可進行排水，未進行說明)，運用該技術方法進行底板鉆孔排水具有一定的盲目性。(3)該方法未考慮頂板淋水等對軟巖巷道底板的影響，致使巷道底板鉆孔排水作用大大降低；(4)該方法中采用向鉆孔微管中充填碎石的方法，提高底板巖性，由于碎石顆粒之間僅僅通過漿液膠結在一起，其粘結力和致密程度較小，所形成的碎石整體能夠承載的抗壓及抗剪強度極為有限，且軟巖巷道多為回采巷道或準備巷道，為一個工作面或多個工作面服務，受頂板多次斷裂運動及放炮震動等的復合影響，因而該方法對軟巖巷道底鼓控制效果較差。技術實現要素：為彌補上述技術的不足，本發(fā)明基于強吸水膨脹軟巖巷道底鼓特征，提出了一種防治強吸水膨脹軟巖巷道底鼓的方法。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：一種防治強吸水膨脹軟巖巷道底鼓的方法，其特征在于，步驟如下：第一步，首先按照巷道所處位置的水文地質情況，分段對底板巖層進行含水率的測定，根據含水率對底板巖層膨脹性進行分類；第二步，鉆孔設計：按照測定的含水率，計算分段底板巖層含水量，根據含水量和膨脹性分類，計算分段巷道底板的鉆孔總數、間排距和鉆孔直徑，該鉆孔用于填充吸水的生石灰粉和用于注漿形成固定樁，所以鉆孔總數應至少滿足填充足夠的生石灰粉，以達到底板巖層無膨脹性要求；第三步，將巷道底板進行超挖，超挖至設計深度的250mm深度，形成新的巷道底板；第四步，在新的巷道底板上布置鉆孔，應按照設計的間排距均勻布置；第五步，施工鉆孔后在孔內下放布滿微孔的鋼管，該鋼管作為今后的注漿管，以便形成鉆孔固定樁；第六步，在鋼管內和鋼管與孔壁縫隙中填充生石灰粉，化學反應后，消耗掉底板巖層中的水分，降低底板巖層含水率，以改良底板巖性，提高底板強度；第七步，經過一段時間后，生石灰與鉆孔圍巖水完全反應使底板巖層含水率降低，再采用注漿泵按照傳統(tǒng)注漿方法通過鋼管進行注漿，注漿泵的壓力控制在3-4MPa范圍內，當注漿泵壓力達到最大控制值時，需等待2-3分鐘再注漿，待漿液凝固后形成鉆孔固定樁；第八步，采用鋼帶將每排的鉆孔固定樁進行連接，再采用鋼筋將排與排間斜拉連接，形成菱形鋼筋網結構，從而把所有鉆孔固定樁形成一個整體；連接時要求鋼帶與鋼筋網緊貼底板巖面；第九步，在巷道底板鋪設混凝土，埋住鋼帶與鋼筋網，再鋪設50mm厚度的生石灰粉并覆蓋上具有抗腐蝕性和耐磨性的雙層塑料膜，以對頂板淋水等進行隔離，并防止底板巖層受空氣風化；第十步，在塑料膜上澆筑混凝土，使巷道底板達到原設計高度。進一步，在第一步中，分段測定巷道底板巖層含水率ω的方法如下：對每段巷道，取兩個以上巷道斷面，分別測定它們的底板巖層含水率，取其平均值作為該段巷道底板巖層含水率ω；測定時，在巷道斷面的底板左側、中部及右側分別鉆垂直鉆取巖芯，將三個巖芯稱濕重；對三個巖芯進行烘干處理，測得其干重，通過濕重和干重計算巖芯的含水量與巖芯干重量之比，得出每個分段巷道斷面底板巖石含水率ω1、ω2…ωn；求取均值，即為分段巷道底板巖層含水率ω＝(ω1+ω2+…+ωn)/n。在第一步中，對分段巷道底板巖層進行膨脹性分類如下：若巷道底板巖層含水率ω＜20％，則該分段巷道為弱膨脹性軟巖；若巷道底板巖層含水率20％≤ω＜50％，則該分段巷道為中膨脹性軟巖；若巷道底板巖層含水率ω≥50％，則該分段巷道底板巖層為強膨脹性軟巖。進一步，在第二步中，鉆孔設計方法如下：第2.1步：確定影響分段巷道底鼓巖層中主要含水量m：第2.1.1步：巷道底板巖層中含水總量m1m1＝b×c×h×p×ω/(1+ω)式中，b為巷道底板寬度，c為分段巷道長度，h為底鼓深度范圍，由于巷道底板僅在h＝3m深度范圍內底鼓較為嚴重，為此h取3m，p為分段巷道底板巖層密度p，ω為含水率；第2.1.2步：評估影響巷道底鼓主要含水總量mm＝0.8(m1/GRQD)式中，GRQD為巷道底板巖層質量等級，該等級由現有的巖芯質量指標RQD所確定；0.8為系數，根據目前防治底鼓的經驗，認為除去巷道底板巖層中總含水量的80％，即可達到防治水對巷道底鼓的影響；第2.2步：確定分段巷道底板鉆孔間距、每排鉆孔個數、鉆孔直徑及鉆孔深度：若巷道底板巖層含水率ω＜20％，取底板鉆孔間距為1.0m，巷道每排鉆孔個數n0＝[(b-1)/1]，鉆孔直徑取d≤50mm；鉆孔深度為3000mm；若巷道底板巖層含水率ω≥20％，取底板鉆孔間距為0.8m，巷道每排鉆孔個數n0＝[(b-1)/0.8]，鉆孔直徑取d≥100mm；鉆孔深度為3000mm。第2.3、確定分段巷道底板鉆孔總數N：N＝[m/(km0)]上式中m0為單一鉆孔含水量，m0＝V0×p×ω/(1+ω)，式中V0為鉆孔體積，p為巖層密度，ω為分段巷道底板巖層含水率；k為鉆孔影響半徑范圍內圍巖體積與鉆孔體積之比；第2.4步、確定分段巷道底板鉆孔排距L：L＝[a/N1]式中a分段巷道長度，N1為分段巷道底板鉆孔排距數目，N1＝N/n0，N、n0意義同上。進一步，在第五步中施工鉆孔時，巷道兩側最邊緣處鉆孔向外側偏離15°；進一步，在第六步中，生石灰粉填充量應為鉆孔影響半徑范圍內圍巖含水量的3倍，并對填充進鉆孔內的生石灰粉進行壓實處理；因為由化學方程式CaO+H2O＝Ca(OH)2可知，生石灰(CaO)與水(H2O)完全反應摩爾比為1:1，生石灰相對分子質量56，水相對分子質量18，所以需生石灰與水質量之比為56/18＝3。確定鉆孔內填充生石灰粉量m2＝3×k×m0式中k為鉆孔影響范圍內圍巖體積與鉆孔體積之比；m0為單一鉆孔含水量。本發(fā)明的積極作用是：1、本方法通過測定巷道底板巖層含水率，與巷道布置區(qū)水文及底鼓特征相結合的方法，對巷道進行分段劃分，為針對性的防治軟巖巷道底鼓提供了保證；2、本方法綜合考慮了軟巖巷道底鼓的力學機理和軟巖遇水膨脹機理，通過測定分段巷道底板巖層含水率，確定底板鉆孔布置方式及鉆孔規(guī)格；同時利用含微孔鋼管中的生石灰與鉆孔水進行物化反應，巷道底板巖性得到改良，從而使軟巖巷道底鼓得到有效的控制。3、與目前常用的巷道底鼓防治方法相比，本方法既實現了巷道底鼓加固與治水的目的，又科學設計了底板鉆孔布置方式及鉆孔規(guī)格，避免了由常規(guī)經驗法主導設計鉆孔布置方式的盲目性。4、推廣應用前景廣闊，隨著礦井開采深度的增加，巷道圍巖強度低，地下水較大，且軟巖遇水極易膨脹，巷道底鼓問題日益突出。因此，本方法可為軟巖巷道底鼓防治提供強有力的技術支撐。附圖說明圖1是巷道支護斷面圖；圖2是巷道底板鉆孔布置圖；圖3是巷道底板鉆孔布置俯視圖；圖4是注漿鋼管。具體實施方式下面以某礦311102工作面輔運順槽為例，進一步說明技術方法。某礦311102工作面輔運順槽情況如下：該巷道所在地層構造形態(tài)為單斜構造，在3-1煤層中掘進，煤層傾角1°-2°，煤層平均厚度5.5m，煤層結構穩(wěn)定，可采系數為1，煤厚變異系數為3％，煤層直接頂和直接底均具有較厚的泥巖，平均厚度分別為12m和13.5m，密度p＝2400kg/m3，深灰色，薄層狀。巷道斷面為矩形，巷道斷面尺寸(寬×高)5.5m×4.0m，斷面面積為22.0m2，巷道長度2500m。巷道采用錨網索進行支護：頂板采用直徑Φ20mm、長度2200mm的螺紋鋼錨桿，間排距1000mm×1000mm；頂板錨索規(guī)格直徑Φ21.6mm、長度6200mm，間排距1600mm×3000mm；巷幫采用直徑Φ20mm、長度2200mm的螺紋鋼錨桿，間排距1000mm×1000mm，巷道支護斷面如圖1所示。掘進期間，底板強度低，遇水易膨脹，導致底鼓量較大，巷道變形嚴重，制約礦井安全生產。為此，需對巷道底鼓進行治理，以減小巷道變形量，確保礦井生產的安全高效。按照本發(fā)明的方法，具體施工步驟如下：第一步驟：1、巷道分段：由礦井水文地質資料表明，該巷道布置區(qū)域及工作面開采范圍內，底板巖層屬于弱富水性含水層，補給條件差且含水層較為穩(wěn)定。因此，取分段長度c＝100m，將長度為a＝2500m，寬度為b＝5.5m的軟巖巷道等間距劃分為25段巷道。2、分段測定巷道底板巖層含水率ω：由于該巷道布置區(qū)域含水巖層水文較為穩(wěn)定，故僅選取其中4段巷道(第1段巷道、第10段巷道、第15段巷道及第25段巷道)，分別測定其底部巖層含水率；測定時，在每段巷道斷面處底板左側、中部及右側垂直鉆入至設計深度3個鉆孔，取巖芯并稱重；其中鉆孔直徑150mm，鉆孔深度3000mm；對鉆取的巖芯進行烘干處理，測得其干重，計算巖石含水量與巖石質量之比，得各個巷道斷面底板巖石含水率ω1、ω10、ω15、ω25；求4段含水率平均值ω，根據計算ω＝(ω1+ω10+ω15+ω25)/4＝0.9％。3、對分段巷道底板巖層進行膨脹性分類：若巷道底板巖層含水率ω＜20％，則該分段巷道為弱膨脹性軟巖；若巷道底板巖層含水率20％≤ω＜50％，則該分段巷道為中膨脹性軟巖；若巷道底板巖層含水率ω≥50％，則該分段巷道底板巖層為強膨脹性軟巖；根據上述計算ω＝0.9％，該巷道底板巖層為弱膨脹性軟巖，但由于底板巖層中裂隙較為發(fā)育吸水能力較強，軟巖吸水易于膨脹。第二步驟：鉆孔設計：按照測定的含水率，計算分段巷道底板巖層含水量，根據含水量和膨脹性分類，計算分段巷道底板的鉆孔總數、間排距和鉆孔直徑，平均布置在分段巷道底板上；該鉆孔用于填充吸水的生石灰粉和用于注漿形成固定樁；計算如下：1、確定影響分段巷道底鼓巖層中主要含水量m：(1)巷道底板巖層中含水總量m1m1＝b×c×h×p×ω/(1+ω)＝5.5×100×3×2400×0.9％/(1+0.9％)＝35322kg。式中，b為巷道底板寬度，c為分段巷道長度，h為底鼓深度范圍，由于巷道底板僅在h＝3m深度范圍內底鼓較為嚴重，為此h取3m，p為分段巷道底板巖層密度，ω為含水率；(2)評估影響巷道底鼓主要含水總量mm＝0.8(m1/GRQD)＝0.8×35322/3＝9419.2kg式中，GRQD為巷道底板巖層質量等級，該等級由巖芯質量指標RQD所確定，確定方法如下：經對巷道底板巖層施工長度為L＝3000mm鉆孔，并進行取芯，測得巖芯長度大于100mm的總長度為L1＝1890mm，可得巖石質量指標RQD＝[∑L0(L0≥10)/L]×100％＝(1890/3000)×100％＝63％，由目前巖石質量指標表1可知，63％在RQD＝50-75范圍內，所以巷道底板巖層質量等級GRQD取3；0.8為系數，根據目前防治底鼓的經驗，認為除去巷道底板巖層中總含水量的80％，即可達到防治水對巷道底鼓的影響，；表1巖石質量指標RQD＜2525-5050-7575-90＞90巖石質量描述很差差一般好很好等級ⅠⅡⅢⅣⅤ2、確定分段巷道底板鉆孔間距、每排鉆孔個數鉆孔直徑及鉆孔深度：(1)若巷道底板巖層含水率ω＜20％，取底板鉆孔間距為1.0m，巷道每排鉆孔個數n0＝[(b-1)/1]，鉆孔直徑取d≤200mm；鉆孔深度為3000mm；(2)若巷道底板巖層含水率ω≥20％，取底板鉆孔間距為0.8m，巷道每排鉆孔個數n0＝[(b-1)/0.8]，鉆孔直徑取d>200mm；鉆孔深度為3000mm，其中巷道兩側最邊緣處鉆孔向外側偏離15°；由測得分段巷道底板巖層含水率ω＝0.9％＜20％，故取底板鉆孔間距為1.0m、鉆孔直徑d＝200mm、鉆孔深度為3000mm；巷道每排鉆孔個數n0＝[(b-1)/1]＝4(個)；巷道底板鉆孔布置如圖2所示。3、確定分段巷道底板鉆孔總數N：N＝[m/(km0)]上式中m0為單一鉆孔含水量，m0＝V0×p×ω/(1+ω)，式中V0為鉆孔體積，p為巖層密度，ω為分段巷道底板巖層含水率；所以m0＝V0×p×ω＝3.14×0.12×3×2400×0.9％/(1+0.9％)＝2.02Kg；k為鉆孔影響范圍內圍巖體積與鉆孔體積之比，現場測得鉆孔影響半徑為342mm，故k＝V/V0＝Π×r2×h/(Π×(d/2)2×h)＝11.7，k取11.7。N＝[m/(km0)]＝[9419.2/(11.7×2.02)]＝399個4、確定分段巷道底板鉆孔排距L：L＝a/N1，式中a分段巷道長度，N1為分段巷道底板鉆孔排距數目，N1＝N/n0，N、n0意義同上；所以N1＝[399/4]＝100個，N1＝[分段巷道底板鉆孔總數N/每排鉆孔個數n0]＝100，分段巷道底板鉆孔排距L＝[分段巷道長度a/分段巷道底板鉆孔排距數目N1]＝1m，故底板鉆孔間排距為1000mm×1000mm。第三步驟：將巷道底板進行超挖，超挖至設計深度的250mm深度，形成新的巷道底板；第四步驟：在新的巷道底板上按照設計的間排距均勻布置鉆孔；第五步驟：按照第二步驟設計的鉆孔參數和第四步驟布置的鉆孔采用鉆機施工鉆孔，施工鉆孔后在孔內下放布滿微孔的鋼管，鋼管結構如圖4所示，該鋼管作為今后的注漿管，以便形成鉆孔固定樁；第六步驟，在鋼管內和鋼管與孔壁縫隙中填充生石灰粉，其填充量應為鉆孔影響半徑范圍內圍巖含水量的3倍，即鉆孔內填充生石灰粉量為70.9kg，并對填充進鉆孔內的生石灰粉進行壓實處理；因為由化學方程式CaO+H2O＝Ca(OH)2可知，生石灰(CaO)與水(H2O)完全反應摩爾比為1:1，生石灰相對分子質量56，水相對分子質量18，所以需生石灰與水質量之比為56/18＝3。鉆孔內填充生石灰粉量m2：m2＝3×k×m0＝3×11.7×2.02＝70.9kg式中k為鉆孔影響范圍內圍巖體積與鉆孔體積之比；m0為單一鉆孔含水量。此外，對填充鉆孔內的生石灰粉進行壓實處理?；瘜W反應后，可消耗掉底板巖層中的水分，降低底板巖層含水率，以改良底板巖性，從而提高底板強度。第七步驟：經過一段時間后，生石灰與鉆孔圍巖水完全反應使底板巖層含水率降低，再采用注漿泵按照傳統(tǒng)注漿方法通過鋼管進行注漿，注漿泵的壓力控制在3-4MPa范圍內，當注漿泵壓力達到最大控制值時，需等待2-3分鐘再注漿，待漿液凝固后形成鉆孔固定樁1；第八步驟：采用鋼帶3將每排的鉆孔固定樁1進行連接，再采用鋼筋將排與排間斜拉連接，形成菱形鋼筋網2結構，從而把所有鉆孔固定樁形成一個整體；連接時要求鋼帶3與鋼筋網2緊貼底板巖面；如圖3所示；第九步驟：在巷道底板鋪設混凝土，埋住鋼帶3與鋼筋網2，再鋪設50mm厚度的生石灰粉并覆蓋上具有抗腐蝕性和耐磨性的雙層塑料膜，以對頂板淋水等進行隔離，并防止底板巖層受空氣風化；第十步驟：在塑料膜上澆筑混凝土，使巷道底板達到原設計高度；現場鉆孔取芯及監(jiān)測表明：巷道底板巖層膨脹性和強度得到極大的改善，底鼓變形得到有效的控制，確保了巷道的穩(wěn)定。當前第1頁1 2 3