技术领域
[0001] 本
发明涉及井巷工程，尤其涉及防治岩巷道底鼓的技术方法。
背景技术
[0002] 在开掘巷道中，巷道底鼓是一种常见的矿压显现，尤其在强吸水膨胀软岩中开掘巷道，底鼓现象更为突出。底鼓的原因是巷道开掘后，围岩由三向受
力状态转变为二向受力状态，在原岩
应力、采动应力、水及
底板岩性等多因素的共同作用下，巷道底板围岩呈现拉伸破坏，并向巷道内压曲和膨胀形成底鼓。据大量实测表明，巷道底鼓约占顶底板移近量的60％-70％，底鼓主要危害是缩小巷道断面，影响矿井中的运输、通
风及行人等，甚至因巷道底鼓致使巷道报废，严重制约矿井的安全高效生产。
[0003] 目前，针对巷道底鼓问题主要采取的控制措施有：封闭金属
支架、底板锚杆(索)加固、巷旁充填及切缝等，虽然这些方法对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从巷道发生底鼓的力学机理对底板进行控制，且控制效果有限，而没有考虑巷道软岩吸水膨胀对底鼓的影响，因而控制巷道底鼓效果差，经济成本高，并且治理底鼓劳动强度大。
[0004] 中国
专利申请号201010225781.6公开了一种用于矿井软岩巷道底板底鼓治理的施工方法。施工方法主要分为以下两个部分进行：首先进行微型碎石管注桩的设置和施工，同时进行降水工作，然后在二次支护时进行底板浇注。其缺点为：虽然该方法能够在一定程度上对控制巷道底鼓取得一定的效果，(1)由于底板软岩中水多含于孔隙和裂隙之中，抽出的水量较为有限，耗费工时，且注浆
浆液中含部分水分，因而该方法对底板软岩含水控制较差，难以对软岩巷道底鼓防治起到较好的效果。(2)该方法未对底板岩层含水率进行测定，且未对启动机器进行排水时的钻孔
含水量及钻孔数量进行量化(即由于钻孔与钻孔之间含水量具有一定的差异，钻孔含水量达到多少时可进行排水，未进行说明)，运用该技术方法进行底板钻孔排水具有一定的盲目性。(3)该方法未考虑顶板淋水等对软岩巷道底板的影响，致使巷道底板钻孔排水作用大大降低；(4)该方法中采用向钻孔微管中充填碎石的方法，提高底板岩性，由于碎石颗粒之间仅仅通过浆液胶结在一起，其粘结力和致密程度较小，所形成的碎石整体能够承载的抗压及抗剪强度极为有限，且软岩巷道多为回采巷道或准备巷道，为一个工作面或多个工作面服务，受顶板多次断裂运动及放炮震动等的复合影响，因而该方法对软岩巷道底鼓控制效果较差。
发明内容
[0005] 为弥补上述技术的不足，本发明基于强吸水膨胀软岩巷道底鼓特征，提出了一种防治强吸水膨胀软岩巷道底鼓的方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0007] 一种防治强吸水膨胀软岩巷道底鼓的方法，其特征在于，步骤如下：
[0008] 第一步，首先按照巷道所处
位置的水文地质情况，分段对底板岩层进行含水率的测定，根据含水率对底板岩层膨胀性进行分类；
[0009] 第二步，钻孔设计：按照测定的含水率，计算分段底板岩层含水量，根据含水量和膨胀性分类，计算分段巷道底板的钻孔总数、间排距和钻孔直径，该钻孔用于填充吸水的生石灰粉和用于注浆形成固定桩，所以钻孔总数应至少满足填充足够的生石灰粉，以达到底板岩层无膨胀性要求；
[0010] 第三步，将巷道底板进行超挖，超挖至设计深度的250mm深度，形成新的巷道底板；
[0011] 第四步，在新的巷道底板上布置钻孔，应按照设计的间排距均匀布置；
[0012] 第五步，施工钻孔后在孔内下放布满微孔的
钢管，该钢管作为今后的注浆管，以便形成钻孔固定桩；
[0013] 第六步，在钢管内和钢管与孔壁缝隙中填充生石灰粉，化学反应后，消耗掉底板岩层中的水分，降低底板岩层含水率，以改良底板岩性，提高底板强度；
[0014] 第七步，经过一段时间后，生石灰与钻孔围岩水完全反应使底板岩层含水率降低，再采用注浆
泵按照传统注浆方法通过钢管进行注浆，注浆泵的压力控制在3-4MPa范围内，当注浆泵压力达到最大控制值时，需等待2-3分钟再注浆，待浆液
凝固后形成钻孔固定桩；
[0015] 第八步，采用
钢带将每排的钻孔固定桩进行连接，再采用
钢筋将排与排间斜拉连接，形成菱形
钢筋网结构，从而把所有钻孔固定桩形成一个整体；连接时要求钢带与钢筋网紧贴底板岩面；
[0016] 第九步，在巷道底板铺设
混凝土，埋住钢带与钢筋网，再铺设50mm厚度的生石灰粉并
覆盖上具有抗
腐蚀性和
耐磨性的双层塑料膜，以对顶板淋水等进行隔离，并防止底板岩层受空气风化；
[0017] 第十步，在塑料膜上浇筑混凝土，使巷道底板达到原设计高度。
[0018] 进一步，在第一步中，分段测定巷道底板岩层含水率ω的方法如下：
[0019] 对每段巷道，取两个以上巷道断面，分别测定它们的底板岩层含水率，取其平均值作为该段巷道底板岩层含水率ω；测定时，在巷道断面的底板左侧、中部及右侧分别钻垂直钻取岩芯，将三个岩芯称湿重；对三个岩芯进行烘干处理，测得其干重，通过湿重和干重计算岩芯的含水量与岩芯干重量之比，得出每个分段巷道断面底板
岩石含水率ω1、ω2…ωn；求取均值，即为分段巷道底板岩层含水率ω＝(ω1+ω2+…+ωn)/n。
[0020] 在第一步中，对分段巷道底板岩层进行膨胀性分类如下：
[0021] 若巷道底板岩层含水率ω＜20％，则该分段巷道为弱膨胀性软岩；若巷道底板岩层含水率20％≤ω＜50％，则该分段巷道为中膨胀性软岩；若巷道底板岩层含水率ω≥50％，则该分段巷道底板岩层为强膨胀性软岩。
[0022] 进一步，在第二步中，钻孔设计方法如下：
[0023] 第2.1步：确定影响分段巷道底鼓岩层中主要含水量m：
[0024] 第2.1.1步：巷道底板岩层中含水总量m1
[0025] m1＝b×c×h×p×ω/(1+ω)
[0026] 式中，b为巷道底板宽度，c为分段巷道长度，h为底鼓深度范围，由于巷道底板仅在h＝3m深度范围内底鼓较为严重，为此h取3m，p为分段巷道底板岩层
密度p，ω为含水率；
[0027] 第2.1.2步：评估影响巷道底鼓主要含水总量m
[0028] m＝0.8(m1/GRQD)
[0029] 式中，GRQD为巷道底板岩层
质量等级，该等级由现有的岩芯质量指标RQD 所确定；0.8为系数，根据目前防治底鼓的经验，认为除去巷道底板岩层中总含水量的80％，即可达到防治水对巷道底鼓的影响；
[0030] 第2.2步：确定分段巷道底板钻孔间距、每排钻孔个数、钻孔直径及钻孔深度：
[0031] 若巷道底板岩层含水率ω＜20％，取底板钻孔间距为1.0m，巷道每排钻孔个数n0＝[(b-1)/1]，钻孔直径取d≤50mm；钻孔深度为3000mm；
[0032] 若巷道底板岩层含水率ω≥20％，取底板钻孔间距为0.8m，巷道每排钻孔个数n0＝[(b-1)/0.8]，钻孔直径取d≥100mm；钻孔深度为3000mm。
[0033] 第2.3、确定分段巷道底板钻孔总数N：
[0034] N＝[m/(km0)]
[0035] 上式中m0为单一钻孔含水量，m0＝V0×p×ω/(1+ω)，式中V0为钻孔体积，p 为岩层密度，ω为分段巷道底板岩层含水率；k为钻孔影响半径范围内围岩体积与钻孔体积之比；
[0036] 第2.4步、确定分段巷道底板钻孔排距L：
[0037] L＝[a/N1]
[0038] 式中a分段巷道长度，N1为分段巷道底板钻孔排距数目，N1＝N/n0，N、n0意义同上。
[0039] 进一步，在第五步中施工钻孔时，巷道两侧最边缘处钻孔向外侧偏离15°；
[0040] 进一步，在第六步中，生石灰粉填充量应为钻孔影响半径范围内围岩含水量的3倍，并对填充进钻孔内的生石灰粉进行
压实处理；因为由化学方程式 CaO+H2O＝Ca(OH)2可知，生石灰(CaO)与水(H2O)完全反应摩尔比为1:1，生石灰相对分子质量56，水相对分子质量18，所以需生石灰与水质量之比为 56/18＝3。
[0041] 确定钻孔内填充生石灰粉量m2＝3×k×m0
[0042] 式中k为钻孔影响范围内围岩体积与钻孔体积之比；m0为单一钻孔含水量。
[0043] 本发明的积极作用是：
[0044] 1、本方法通过测定巷道底板岩层含水率，与巷道布置区水文及底鼓特征相结合的方法，对巷道进行分段划分，为针对性的防治软岩巷道底鼓提供了保证；
[0045] 2、本方法综合考虑了软岩巷道底鼓的力学机理和软岩遇水膨胀机理，通过测定分段巷道底板岩层含水率，确定底板钻孔布置方式及钻孔规格；同时利用含微孔钢管中的生石灰与钻孔水进行物化反应，巷道底板岩性得到改良，从而使软岩巷道底鼓得到有效的控制。
[0046] 3、与目前常用的巷道底鼓防治方法相比，本方法既实现了巷道底鼓加固与治水的目的，又科学设计了底板钻孔布置方式及钻孔规格，避免了由常规经验法主导设计钻孔布置方式的盲目性。
[0047] 4、推广应用前景广阔，随着矿井开采深度的增加，巷道围岩强度低，
地下水较大，且软岩遇水极易膨胀，巷道底鼓问题日益突出。因此，本方法可为软岩巷道底鼓防治提供强有力的技术
支撑。
附图说明
[0048] 图1是巷道支护断面图；
[0049] 图2是巷道底板钻孔布置图；
[0050] 图3是巷道底板钻孔布置俯视图；
[0051] 图4是注浆钢管。
具体实施方式
[0052] 下面以某矿311102工作面辅运顺槽为例，进一步说明技术方法。
[0053] 某矿311102工作面辅运顺槽情况如下：该巷道所在
地层构造形态为单斜构造，在3-1
煤层中掘进，
煤层倾
角1°-2°，煤层平均厚度5.5m，煤层结构稳定，可采系数为1，煤厚变异系数为3％，煤层直接顶和直接底均具有较厚的泥岩，平均厚度分别为12m和13.5m，密度p＝2400kg/m3，深灰色，薄层状。巷道断面为矩形，巷道断面尺寸(宽×高)5.5m×4.0m，断面面积为22.0m2，巷道长度2500m。巷道采用锚网索进行支护：顶板采用直径Φ20mm、长度
2200mm的
螺纹钢锚杆，间排距1000mm×1000mm；顶板锚索规格直径Φ21.6mm、长度6200mm，间排距1600mm×3000mm；巷帮采用直径Φ20mm、长度2200mm的螺纹钢锚杆，间排距1000mm×
1000mm，巷道支护断面如图1所示。掘进期间，底板强度低，遇水易膨胀，导致底鼓量较大，巷道
变形严重，制约矿井安全生产。为此，需对巷道底鼓进行治理，以减小巷道变形量，确保矿井生产的安全高效。
[0054] 按照本发明的方法，具体施工步骤如下：
[0055] 第一步骤：
[0056] 1、巷道分段：由矿井水文地质资料表明，该巷道布置区域及工作面开采范围内，底板岩层属于弱富水性含水层，补给条件差且含水层较为稳定。因此，取分段长度c＝100m，将长度为a＝2500m，宽度为b＝5.5m的软岩巷道等间距划分为25段巷道。
[0057] 2、分段测定巷道底板岩层含水率ω：
[0058] 由于该巷道布置区域含水岩层水文较为稳定，故仅选取其中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)，分别测定其底部岩层含水率；测定时，在每段巷道断面处底板左侧、中部及右侧垂直钻入至设计深度3 个钻孔，取岩芯并称重；其中钻孔直径150mm，钻孔深度3000mm；对钻取的岩芯进行烘干处理，测得其干重，计算岩石含水量与岩石质量之比，得各个巷道断面底板岩石含水率ω1、ω10、ω15、ω25；求4段含水率平均值ω，根据计算ω＝(ω1+ω10+ω15+ω25)/4＝0.9％。
[0059] 3、对分段巷道底板岩层进行膨胀性分类：
[0060] 若巷道底板岩层含水率ω＜20％，则该分段巷道为弱膨胀性软岩；若巷道底板岩层含水率20％≤ω＜50％，则该分段巷道为中膨胀性软岩；若巷道底板岩层含水率ω≥50％，则该分段巷道底板岩层为强膨胀性软岩；
[0061] 根据上述计算ω＝0.9％，该巷道底板岩层为弱膨胀性软岩，但由于底板岩层中裂隙较为发育吸水能力较强，软岩吸水易于膨胀。
[0062] 第二步骤：钻孔设计：按照测定的含水率，计算分段巷道底板岩层含水量，根据含水量和膨胀性分类，计算分段巷道底板的钻孔总数、间排距和钻孔直径，平均布置在分段巷道底板上；该钻孔用于填充吸水的生石灰粉和用于注浆形成固定桩；计算如下：
[0063] 1、确定影响分段巷道底鼓岩层中主要含水量m：
[0064] (1)巷道底板岩层中含水总量m1
[0065] m1＝b×c×h×p×ω/(1+ω)＝5.5×100×3×2400×0.9％/(1+0.9％)＝35322kg。
[0066] 式中，b为巷道底板宽度，c为分段巷道长度，h为底鼓深度范围，由于巷道底板仅在h＝3m深度范围内底鼓较为严重，为此h取3m，p为分段巷道底板岩层密度，ω为含水率；
[0067] (2)评估影响巷道底鼓主要含水总量m
[0068] m＝0.8(m1/GRQD)＝0.8×35322/3＝9419.2kg
[0069] 式中，GRQD为巷道底板岩层质量等级，该等级由岩芯质量指标RQD所确定，确定方法如下：经对巷道底板岩层施工长度为L＝3000mm钻孔，并进行取芯，测得岩芯长度大于100mm的总长度为L1＝1890mm，可得岩石质量指标 RQD＝[∑L0(L0≥10)/L]×100％＝(1890/3000)×100％＝63％，由目前岩石质量指标表1可知，63％在RQD＝50-75范围内，所以巷道底板岩层质量等级GRQD取 3；0.8为系数，根据目前防治底鼓的经验，认为除去巷道底板岩层中总含水量的80％，即可达到防治水对巷道底鼓的影响，；
[0070] 表1岩石质量指标
[0071]RQD ＜25 25-50 50-75 75-90 ＞90
岩石质量描述 很差 差 一般 好 很好
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
[0072] 2、确定分段巷道底板钻孔间距、每排钻孔个数钻孔直径及钻孔深度：
[0073] (1)若巷道底板岩层含水率ω＜20％，取底板钻孔间距为1.0m，巷道每排钻孔个数n0＝[(b-1)/1]，钻孔直径取d≤200mm；钻孔深度为3000mm；
[0074] (2)若巷道底板岩层含水率ω≥20％，取底板钻孔间距为0.8m，巷道每排钻孔个数n0＝[(b-1)/0.8]，钻孔直径取d>200mm；钻孔深度为3000mm，其中巷道两侧最边缘处钻孔向外侧偏离15°；
[0075] 由测得分段巷道底板岩层含水率ω＝0.9％＜20％，故取底板钻孔间距为 1.0m、钻孔直径d＝200mm、钻孔深度为3000mm；巷道每排钻孔个数n0＝[(b-1) /1]＝4(个)；
[0076] 巷道底板钻孔布置如图2所示。
[0077] 3、确定分段巷道底板钻孔总数N：
[0078] N＝[m/(km0)]
[0079] 上式中m0为单一钻孔含水量，m0＝V0×p×ω/(1+ω)，式中V0为钻孔体积，p 为岩层密度，ω为分段巷道底板岩层含水率；所以
[0080] m0＝V0×p×ω＝3.14×0.12×3×2400×0.9％/(1+0.9％)＝2.02Kg；
[0081] k为钻孔影响范围内围岩体积与钻孔体积之比，现场测得钻孔影响半径为 342mm，故k＝V/V0＝Π×r2×h/(Π×(d/2)2×h)＝11.7，k取11.7。
[0082] N＝[m/(km0)]＝[9419.2/(11.7×2.02)]＝399个
[0083] 4、确定分段巷道底板钻孔排距L：
[0084] L＝a/N1，
[0085] 式中a分段巷道长度，N1为分段巷道底板钻孔排距数目，N1＝N/n0，N、 n0意义同上；所以N1＝[399/4]＝100个，N1＝[分段巷道底板钻孔总数N/每排钻孔个数n0]＝100，分段巷道底板钻孔排距L＝[分段巷道长度a/分段巷道底板钻孔排距数目N1]＝1m，故底板钻孔间排距为1000mm×1000mm。
[0086] 第三步骤：
[0087] 将巷道底板进行超挖，超挖至设计深度的250mm深度，形成新的巷道底板；
[0088] 第四步骤：
[0089] 在新的巷道底板上按照设计的间排距均匀布置钻孔；
[0090] 第五步骤：
[0091] 按照第二步骤设计的钻孔参数和第四步骤布置的钻孔采用钻机施工钻孔，施工钻孔后在孔内下放布满微孔的钢管，钢管结构如图4所示，该钢管作为今后的注浆管，以便形成钻孔固定桩；
[0092] 第六步骤，在钢管内和钢管与孔壁缝隙中填充生石灰粉，其填充量应为钻孔影响半径范围内围岩含水量的3倍，即钻孔内填充生石灰粉量为70.9kg，并对填充进钻孔内的生石灰粉进行压实处理；因为由化学方程式CaO+H2O＝Ca(OH)2可知，生石灰(CaO)与水(H2O)完全反应摩尔比为1:1，生石灰相对分子质量 56，水相对分子质量18，所以需生石灰与水质量之比为56/18＝3。
[0093] 钻孔内填充生石灰粉量m2：m2＝3×k×m0＝3×11.7×2.02＝70.9kg
[0094] 式中k为钻孔影响范围内围岩体积与钻孔体积之比；m0为单一钻孔含水量。
[0095] 此外，对填充钻孔内的生石灰粉进行压实处理。化学反应后，可消耗掉底板岩层中的水分，降低底板岩层含水率，以改良底板岩性，从而提高底板强度。
[0096] 第七步骤：
[0097] 经过一段时间后，生石灰与钻孔围岩水完全反应使底板岩层含水率降低，再采用注浆泵按照传统注浆方法通过钢管进行注浆，注浆泵的压力控制在 3-4MPa范围内，当注浆泵压力达到最大控制值时，需等待2-3分钟再注浆，待浆液凝固后形成钻孔固定桩1；
[0098] 第八步骤：
[0099] 采用钢带3将每排的钻孔固定桩1进行连接，再采用钢筋将排与排间斜拉连接，形成菱形钢筋网2结构，从而把所有钻孔固定桩形成一个整体；连接时要求钢带3与钢筋网2紧贴底板岩面；如图3所示；
[0100] 第九步骤：
[0101] 在巷道底板铺设混凝土，埋住钢带3与钢筋网2，再铺设50mm厚度的生石灰粉并覆盖上具有抗腐蚀性和耐磨性的双层塑料膜，以对顶板淋水等进行隔离，并防止底板岩层受空气风化；
[0102] 第十步骤：
[0103] 在塑料膜上浇筑混凝土，使巷道底板达到原设计高度；现场钻孔取芯及监测表明：巷道底板岩层膨胀性和强度得到极大的改善，底鼓变形得到有效的控制，确保了巷道的稳定。
