北阳庄矿采区变电所底板加固技术研究与应用

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[摘 要]北阳庄矿井采区变电所底板位于遇水易软化膨胀的中砂岩层中，施工完毕投入使用后，底板出现了不同程度的底鼓现象，为了彻底治理采区变电所底鼓问题，特开展了专项研究，并将研究结果用于采区变电所底鼓治理中，从目前情况来看，治理效果较为明显。

[关键词]底鼓治理 软化膨胀 中砂岩

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0361-01

1、基本概况

1.1 地理概况

北阳庄矿位于河北省蔚县矿区东南部，行政区划隶属于张家口市蔚县涌泉庄乡和杨庄窠乡管辖，其地理坐标为北纬39°51′37″～39°57′30″，东经114°31′10″～114°39′12″。井田北与德胜庄井田及沙涧堡井田以4424000纬线为界，西为F20断层，纵21勘探线（597号孔～520号孔段）及19勘探线（520号孔以南段）为界与单候井田毗邻，东及东南界分别是5和1煤层剥蚀边界线，南北长约10km，东西宽5～8km，面积约52km2。最大勘探深度为727m。

井田中部的北阳庄村，南至蔚县城直距6km，蔚县西至山西广灵、大同，北至张家口、宣化均有沥青公路相通。京包铁路宣化站距蔚县90km，京原线灵丘站距蔚县50km，大秦运煤专用铁路化稍营站距蔚县50km，正在兴建中的沙城-南留庄地方铁路将横贯矿区，煤炭外运的交通条件较好，惟有井田内北西向冲沟较发育，仅有土路绕行于各村之间，雨季道路泥泞，通行困难。

1.2 采区变电所概况

采区变电所位于岩层中；埋深约为400m～450m；底板位于遇水易软化膨胀的中砂岩。

支护方式为锚喷支护；帮顶喷浆500mm，底板为100mm混凝土；锚杆为Φ18×2000强力树脂锚杆；锚杆间排距为800×800mm；网片为Φ6mm钢筋焊接，网眼规格为100×100mm，喷射混凝土标号为C20。

采区变电所为上部半圆（直径Φ5200mm），下部矩形（5200×3550mm）形状；内尺寸为5200×6150mm，外尺寸为6200×6750mm。

2 巷道底鼓发生原因与防治措施概述

2.1 巷道底鼓特征

巷道的底鼓常常随着时间持续变化，时间越长底鼓越明显。

在软弱岩层和有水的巷道内，底鼓经常成为影响巷道稳定性的主要问题，根据其发生情况需要采取针对性的防治措施。

经多年工作经验，取试块，查阅大量有关书籍，在实验室进行试验，研究结果表明，由于巷道所处的底板围岩性质、地质条件、和应力分布状态的不同，发现底板岩体鼓入巷道的方式和其发生的原因也不同，大致可以分为4大类，分别为：挤压流动性底鼓、遇水膨胀性底鼓、扰曲褶皱性底鼓、剪切错动性底鼓。

2.1.1 挤压流动性底鼓

这种底鼓主要发生在：（1）底板为软弱岩层，顶板和帮部的强度远高于底板的强度，在两帮岩柱的作用下，底板软弱岩层挤压流动到巷道内。（2）巷道处于松软破碎的岩层或者处于煤层中，这种情况下巷道周边的围岩松动圈很大，帮部和顶板的应力集中区转移到岩体深部，这时底鼓现象显现比较快。

2.1.2 遇水膨胀性底鼓

这种底鼓主要发生在具有膨胀性的岩石中，这类岩石中往往含有物理化学性质活泼的蒙脱石，由于巷道底板经常积水，导致膨胀岩浸水后膨胀，而发生底鼓现象。

2.1.3 挠曲摺皱性底鼓

这种底鼓主要发生在底板岩层为层状岩体的巷道中，主要原因是由于底板岩层在受到平行于层理方向的压力，从而向底板巷道内侧方向发生挠曲现象。

2.1.4 剪切错动性底鼓

这种底鼓主要发生在巷道直接底为完整岩层且厚度大于1/3巷道宽度的巷道中。由于底角处存在应力集中现象，导致形成剪切破坏带，随着破坏的发展而形成楔形破坏。

本矿采区变电所主要为遇水膨胀性底鼓。底板遇水软化膨胀造成强度降低，从而导致体积膨胀，造成底板底鼓严重。

2.2 影响底鼓主要因素

影响底鼓因素很多，主要有底板围岩性态、岩层应力、支护强度不足、水作用以及巷道断面形状。

2.2.1 围岩性态

围岩性质及状态对巷道底鼓起着至关重要的作用，底板岩层的软弱程度及结构状态是围岩状态的主要决定方面。

2.2.2 岩层应力

岩层形态是发生底鼓的本质原因，但是没有岩层应力的显现则不会发生底鼓，只有岩层应力显现明显，岩层应力显现越明显，底鼓现象将越严重。

2.2.3 水理作用

在煤矿生产过程中，由于其工作坏境的特殊性，巷道底板经常发生积水现象， 主要表现在：底板浸水后其强度降低；底板粘土岩时，浸水后往往会发生泥化现象，直至强度全丧失；底板为膨胀岩层时往往会发生膨胀，造成底鼓。

2.2.4 支护强度

由于支护设计时考虑经济性，施工难易度、工程量、工期等多方面的原因，一般认为将两帮和顶板加固好，就可以保证安全，所以疏忽了底板支护。

2.2.5 巷道断面形状

为了充分利用巷道的断面，一般均将巷道设计成拱形，底板不能形成稳定的拱形结构，这也是底鼓发生的一个原因之一。

2.3 巷道底鼓综合治理

底板发生底鼓现象，主要有以下危害，影响运输，不利用安全生产 ，不利用行人通过，严重的还导致不能正常生产。经过研究我们认为可以采取以下措施进行防止和治理。

（1）增加底板围岩的变形阻力

主要措施有浇筑反底拱，架设可缩性封闭形可缩性支架、底板桁架等。

（2）提高底板围岩的强度

主要措施有打底板锚杆、反底拱、底板注浆加固等。

（3）联合支护

既提高底板围岩的强度又增加围岩的变形阻力，这是目前最常见的方法。如全封闭喷锚注联合支护。

（4）治水防底鼓措施

众多巷道的底鼓，多因岩石吸水膨胀引起的，所以，治水防底鼓是非常有效的。控制出水点，施行疏排结合的方法，保持各类巷道无存水、积水。所以巷道施工时要采取防水措施，做到防范于未然。

3 底鼓治理措施

经过现场观测和分析，可知北阳崦嚎蟛汕变电所底鼓主要原因为底板岩层遇水膨胀性底鼓，并且一定的地应力和截面面积较大也是可能发生底鼓的因素，因此采用“锚网+混凝土反底拱”的加固方式进行巷道底板底鼓治理。

3.1 锚网+混凝土反底拱加固技术

3.1.1 卧底处理

进行巷道卧底工作，根据实际情况确定卧底量，最少卧底量可为400mm，以出现原岩为准；卧底形状为反底拱形，拱边卧底最少400mm，拱底卧底900mm（可根据实际调节）。

3.1.2 安设锚网和锚杆

建议锚杆采用Φ22×2200mm锚杆，间距800mm，排距800mm；底板两角锚杆与垂直方向约成45°夹角，向内依次约为30°、15°、0°；锚杆外露不大于300mm。

3.1.3 混凝土浇筑反底拱

浇筑混凝土反底拱，拱边最薄400mm，拱底最薄为900mm混凝土拱底板面保持水平。

3.2 技术问题

（1）整体加固

使顶、帮、底形成一个完整的支护体，提高围岩的整体强度和稳定性；保证各锚杆具有相同的预紧力。

（2）施工质量

施工应严格按作业规程要求执行。

被水浸泡的底板岩层必须全部清除干净，反底拱施工过程中，严禁底板浸水，保证底板的干燥；

处理好底板混凝土和两帮底角已浇筑混凝土段的结合。

（3）反底拱施工

反底拱要达到设计的反底拱弧度（两边400mm，拱底900mm），两角锚杆一律为45。

总之，要严格按研究设计方案和作业规程施工，并加强监督、检查和工程验收制度。