巷道壓曲性底臌的機(jī)理與控制

摘 要：巷道圍巖控制是深部資源開采中的關(guān)鍵問(wèn)題，而要攻克深井軟巖巷道支護(hù)的難關(guān)，就必須首先研究底臌的機(jī)理及其防治措施。巷道底臌有擠壓、壓曲、膨脹和剪脹等形式，壓曲底臌是最常見的一種形式。根據(jù)巷道圍巖本構(gòu)關(guān)系,建立了壓曲底臌力學(xué)模型及分析計(jì)算簡(jiǎn)圖,根據(jù)彈性力學(xué)薄板理論,導(dǎo)出了壓曲臨界載荷計(jì)算式。研究表明, 臨界載荷與厚跨比關(guān)系密切。這對(duì)于控制底板層狀巖體壓曲型底臌有一定的參考作用。分析了防治壓曲底臌的有關(guān)研究成果，最后介紹了2個(gè)防治巷道底臌的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：深部開采；巷道底臌；壓曲；力學(xué)原理；控制方法

中圖分類號(hào)：TD327.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-1098(2008)01-0020-05

收稿日期：2007-01-08

基金項(xiàng)目：安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（070414169)；安徽省教育廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(KJ2007A116ZC)

作者簡(jiǎn)介：高明中（1957-），男，安徽淮南人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事礦山壓力和巖體移動(dòng)方面的研究。

Mechanism of Roadway Floor Heave by Bending under

Pressure and Its Control

GAO Ming-zhong

(School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: Deformation control of surrounding rocks of roadways is one of the key problems in deep mining. In order to solve the difficult problem of roadway support in soft rocks, mechanism of roadway floor heave and its control must be studied at first. There are roadway floor heave types such as extrusion, bending under pressure, expansion and shearing dilation, among them bending under pressure is the most common type. According to constitutive relations of surrounding rocks of roadway, mechanical model and analysis diagram of floor heave by extrusion was established. On the basis of plate theory of elastic mechanics, critical load calculation formula of bending under pressure was derived. Research shows that the critical load is closely relevant to the rate of thickness and span, which has certain reference in control of heave by bending under pressure of roadway floor in layered rock strata. Achievements of researches in prevention of floor heave by bending under pressure were analyzed and 2 examples of roadway floor heave prevention were presented.

Key words:deep mining; roadway floor heave; bending under pressure; mechanical principles; control methods

目前，我國(guó)東部礦井開采深度以每年10～25 m的速度發(fā)展，可以預(yù)計(jì)在未來(lái)20 年內(nèi)我國(guó)很多煤礦將進(jìn)入到1～1.5 km的深度。而深井開采中軟巖及動(dòng)壓巷道底臌是較為常見的現(xiàn)象。通常當(dāng)巷道底臌量小于200 mm時(shí)，對(duì)井下運(yùn)輸和通風(fēng)的影響不大，不需要采取專門的防治措施?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，在底板不支護(hù)的深部開采中，巷道圍巖變形量大(一般在500 mm以上，有些巷道的位移高達(dá)3 000 mm以上，如淮南、鐵法小康等礦區(qū)，金川鎳鉑礦區(qū))，巷道頂?shù)装逡平康?/3～3/4是底臌引起的。造成的巷道維修量占維修總量的50%。底臌導(dǎo)致巷道斷面縮小，阻礙運(yùn)輸和人員行走，妨礙通風(fēng)，甚至造成整個(gè)巷道報(bào)廢，嚴(yán)重影響礦山的生產(chǎn)和安全，成為制約煤礦發(fā)展的主要問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)、外的研究表明，巷道圍巖控制是深部煤炭開采中的關(guān)鍵問(wèn)題，而要攻克深井軟巖巷道支護(hù)的難關(guān)，就必須首先研究底臌的機(jī)理及其防治措施。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、物理模擬和數(shù)值模擬的研究結(jié)果［1-8］，深井軟巖巷道底臌的機(jī)理可歸結(jié)為4種基本類型：擠壓流動(dòng)性底臌、撓曲褶皺性底臌、剪切錯(cuò)動(dòng)性底臌、遇水膨脹性底臌。引起巷道底臌的因素很多，其中，影響最大的有底板巖層性質(zhì)、圍巖應(yīng)力、水理作用和支護(hù)強(qiáng)度等。底臌的原因在于失穩(wěn)的底板巖層向巷道內(nèi)壓曲、偏應(yīng)力作用下的擴(kuò)容、巖石自身的遇水膨脹等。層狀巖石底板在應(yīng)變能釋放過(guò)程中，在水平應(yīng)力作用下淺部巖層發(fā)生離層或彎曲變形；在二次水平應(yīng)力作用下發(fā)生壓曲破壞。底板巖層壓曲引起的底臌量占總底臌量的60%以上。因而，對(duì)層狀巖體的壓曲性底臌機(jī)理和控制進(jìn)行研究，對(duì)于改善巷道支護(hù)效果，提高礦井安全生產(chǎn)的可靠性，具有重要意義。

1 彈性薄板力學(xué)分析

底板巖層在水平應(yīng)力作用下發(fā)生壓曲破壞時(shí)，應(yīng)力小于其強(qiáng)度，巖層仍處于彈性狀態(tài)，但將沿著原生裂隙的方向發(fā)生斷裂。借此，可以把底板巖層看成是多層合矩形板（見圖1）。在水平應(yīng)力作用下，底板巖層的節(jié)理面閉合，連續(xù)傳遞壓應(yīng)力，故可將底板巖層視為連續(xù)的。當(dāng)?shù)装鍘r層厚度小于0.4 m時(shí)，巖層一般不具有穩(wěn)定性。而我國(guó)煤礦巷道跨度多為3~6 m，這樣，層厚與跨度之比小于1/5。因此可將底板巖層視為薄板。

圖1 底板巖層賦存情況

考慮最不利條件，首層底板的四邊已經(jīng)斷裂，故將板看成為四邊簡(jiǎn)支的薄板。 設(shè)板厚為玸1， s2…s璶； 板沿著巷道橫斷面方向的折斷長(zhǎng)度為a， 受力為f瓁； 板沿著巷道軸向折斷長(zhǎng)度為b， 受力為ξf瓁， ξ為側(cè)壓系數(shù)。因此將巷道底板簡(jiǎn)化為四周簡(jiǎn)支的彈性薄板（見圖2）。

圖2 底板巖層力學(xué)模型

設(shè)玸1層板中面內(nèi)力為T瓁,T瓂,T﹛y，由圖2可知

T瓁=-f瓁玞os α,T﹛y=0,T瓂=-ξf瓁(1)

根據(jù)彈性力學(xué)中的薄板理論，玸1層板壓曲方程為

D4w=T瓁2w祒2+2T﹛y2w祒祔+T瓂2w祔2(2)

式中：D為板的抗彎剛度;s為巖層的分層厚度，且D=Es312(1-μ2)。

將式(1) 代入式(2)得

D4w=-f瓁(玞os α2w祒2+ξ2w祔2)(3)

取薄板的撓度表達(dá)式為雙重的納維三角級(jí)數(shù)：

w=∑∞m=0∑∞n=0A﹎n玸in玬π玿a玸in玭π珁b

（玬、n為正整數(shù)） (4)

將式(4)代入式(3)中得

∑∞m=0∑∞n=0A﹎n玸in玬π玿a玸in玭π珁b［D(m2a2+n2b2)2-f瓁π2(玞os αm2a2+ξn2b2)］=0(5)

底板巖層的破壞是在一定的載荷作用下發(fā)生的，此時(shí)載荷為臨界載荷，即底板巖層在此載荷作用下，即將發(fā)生壓曲，進(jìn)而產(chǎn)生底臌。從而由式(5)解得臨界載荷。

F瓁=π2Da2［m2+n2(ab)2］2m2玞os α+ξn2(ab)2(6)

在式(6)中， 因所求的是板中臨界載荷，故只需取納維三角級(jí)數(shù)的第一項(xiàng)，即玬=n=1，若再令式（6）中巷道底板的長(zhǎng)寬比k=ab，將式(5)代入得

F瓁=π2Es3(1+k2)212a2(1-μ2)玞os α+ξk2)(7)

由式(7)可知，底板巖層被壓曲的臨界載荷與底板巖層的彈性模量獷、分層厚度s、泊松比μ、長(zhǎng)寬比k、傾角α、側(cè)壓系數(shù)ξ有關(guān)。

由式(7)可計(jì)算出在臨界載荷作用下的玸1巖層的臨界應(yīng)力為

σ瓁=F瓁s1=π獷s21(1+k2)212a2(1-μ2)(玞os α+ξk2)

σ瓂=ξF瓁s1=ξπ獷s21(1+k2)212a2(1-μ2)(玞os α+ξk2)

τ﹛y=0(8)

當(dāng)玸1層二次水平應(yīng)力滿足式（8）時(shí)，底板就產(chǎn)生壓曲，如二次水平應(yīng)力進(jìn)一步增大，達(dá)到底板巖層的屈服極限時(shí)，底板將被折斷。s1層發(fā)生壓曲破壞后與s2層分離，s2層成為表面層受力狀態(tài)與s1層相似，主要受水平應(yīng)力作用，如滿足壓曲破壞條件將發(fā)生壓曲破壞，s3層又成為表面層。如此循環(huán)，直到某一巖層不滿足壓曲破壞條件為止。一般地，在s1層被破壞后，s2的邊界條件與s1層相似，但是由于巷道底角處兩幫巖層的夾持作用,ξ減?。淮送猓?dāng)s1巖層破斷以后，在巷道兩幫的擠壓作用下，使得s2巖層的折斷長(zhǎng)度a減小，所以巷道的長(zhǎng)寬比k減小。這樣，從而使底板發(fā)生斷裂所需的臨界載荷增大，水平應(yīng)力也增大，那么，s3、s4…等巖層也一樣，即隨著底板巖層深度的增加，巖層發(fā)生折斷越來(lái)越困難，發(fā)生底臌的可能性越小。也就是說(shuō)，隨著深度的增加，巖層折斷越困難，這與底臌的實(shí)測(cè)是一致的。

2 壓曲臨界應(yīng)力與底板巖層厚跨比

當(dāng)巷道底臌段長(zhǎng)度與巷道跨度相比足夠大(玝→∞，k→0)時(shí)，則為平面壓曲狀態(tài)；并令i=s1a為底板巖層的厚跨比，則式（8）可以改寫為

σ瓁=F瓁s1=π獷i212(1-μ2)玞os α（9）

壓曲臨界應(yīng)力σ瓁與巷道底板巖層厚跨比i的關(guān)系如圖3所示。圖3 厚跨比與臨界應(yīng)力的關(guān)系

圖（3）中曲線1的獷大于曲線2的E。底板巖層越堅(jiān)硬（E越大），σ瓁越大，越難以發(fā)生底臌；無(wú)論E如何，隨i增大，σ瓁增大。i對(duì)σ瓁的影響十分明顯。換句話說(shuō)，巷道埋深,跨度越大，底板巖層分層厚度、巖層強(qiáng)度越小，越容易發(fā)生壓曲破壞。

當(dāng)臨界應(yīng)力超過(guò)巖石單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，底板巖層將發(fā)生剪脹破壞。因此厚跨比與臨界應(yīng)力(或強(qiáng)度)實(shí)際關(guān)系曲線為玜bc或ade（見圖3）。bc和de段應(yīng)力值等于巖層單軸抗壓強(qiáng)度。以abc曲線為例, ab段表示的是壓曲底臌，bc段表示的是剪脹底臌。

此外，式（9）中σ瓁與cos α成反變關(guān)系。所以當(dāng)巖層傾角α增大時(shí)，cos α減小，而σ瓁則增大。故傾斜巖層相對(duì)于水平巖層來(lái)說(shuō)，發(fā)生壓曲底臌時(shí)的臨界應(yīng)力較大。

圖3的分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)的底臌現(xiàn)象是一致的，說(shuō)明上述底板壓曲臨界應(yīng)力公式符合實(shí)際情況?？傊?層狀底板的變形破壞是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，除了上述厚跨比的影響以外，還受巖層的賦存狀態(tài)、圍巖應(yīng)力情況、巖層性質(zhì)、巷道開挖的形狀等諸多因素的影響。維護(hù)層狀底板的穩(wěn)定要結(jié)合具體的情況，綜合考慮各個(gè)因素的影響。

對(duì)式（9）分析可得出控制巷道壓曲性底臌的途徑為：

(1) 改變圍巖力學(xué)特性，提高圍巖強(qiáng)度及彈性模量獷，減小泊松系數(shù)μ；

(2) 加強(qiáng)頂板和兩幫支護(hù)，縮小圍巖塑性區(qū)，減少斷裂寬度玜，增大厚跨比i；

(3) 采用錨桿或注漿支護(hù)，加大底板巖層厚度玸，提高厚跨比i；

(4) 開卸壓槽，減少斷裂寬度玜，增大厚跨比i。

3 控制壓曲性底臌的方法

控制巷道底臌的方法，總體上可概括為加固和卸壓兩大類。加固方法中包括帶底拱的U型鋼可縮性支架、混凝土碹和弧板等全斷面支護(hù)法以及底板錨桿、底板注漿和錨注結(jié)合等。基本原理是相對(duì)增大底板巖層厚度以及改變圍巖的力學(xué)性質(zhì)。卸壓方法有巷道周邊卸壓法，如幫底開卸壓槽和底板深部松動(dòng)爆破等，前蘇聯(lián)在這面研究較多，但研究發(fā)現(xiàn)，用巷道周邊卸壓來(lái)防治底臌的現(xiàn)場(chǎng)效果并不理想，且實(shí)施困難；另一類卸壓法為降低整個(gè)巷道圍巖應(yīng)力，如利用煤層開采引起圍巖應(yīng)力重新分布的規(guī)律，或者在巷道和硐室頂部開槽卸壓，從而減少受采動(dòng)的影響，使巷道位于卸壓區(qū)內(nèi)。實(shí)踐證明，該類卸壓法是行之有效的,但工程量較大。下面重點(diǎn)介紹加固法的運(yùn)用。

3.1 全封閉U型鋼可縮性支架

淮北蘆嶺煤礦的8煤回采巷道，圍巖極為松散破碎，巷道底臌速率長(zhǎng)期高達(dá)8～12 mm/d。底板為軟弱破碎巖體，主要是巖層產(chǎn)生擠壓流動(dòng)，用打底板錨桿的方法來(lái)控制底臌效果不理想。底錨桿可錨性極差，雖然可降低掘巷初期的底臌速率，但不能有效防治底臌。后來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用4項(xiàng)措施［9］(見表1)：①因地制宜選擇合理的架型：沿底掘進(jìn)的巷道采用方環(huán)形支架，預(yù)采頂分層放頂煤沿底掘進(jìn)的巷道采用圓形支架、沿頂掘進(jìn)的巷道中使用馬蹄異形支架；②采用大壓茬、多卡纜，提高單個(gè)棚子的工作阻力；③使用多路固定拉桿提高型棚整體穩(wěn)定性，使封閉式支架和底梁均成為整體結(jié)構(gòu)；④架后鋪網(wǎng),防止漏頂造成局部集中載荷。表1 各不同支護(hù)方式的圍巖移近情況

支架形式初期移近速度

/(mm?d-1)初期變形量

/mm穩(wěn)定移近速度

/(mm?d-1)流變變形量

/mm總變形量

/mm底臌比

/%半圓拱29~34320~36011310~360630~72050~60封閉式支架18~30170~2806~8170~350340~67030~40

由表1可以看出：從變形速度上看，巷道屬于典型的持續(xù)流變極難維護(hù)類型。但封閉式支架的高剛度和高工作阻力特征，可以有效地控制圍巖流變速度；從移近量上看，封閉式形支架對(duì)圍巖的控制效果明顯優(yōu)于半圓拱支架，尤其對(duì)底臌的控制明顯。

研究表明：無(wú)論采用何種全封閉可縮性金屬支架，均不能改變圍巖性質(zhì)。通過(guò)觀測(cè)，圍巖變形量與觀測(cè)時(shí)間均近似呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。同一巷道采用不同架型，盡管變形規(guī)律均服從某一規(guī)律，但在控制巷道變形速度和最終移近量上有較大的區(qū)別。

3.2 “三錨”支護(hù)控制底臌

底板巖性直接決定著底板錨桿控制底臌的成敗。當(dāng)?shù)装鍨橹杏矊訝顜r層時(shí)，在平行于層理方向的壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生撓曲褶皺。這時(shí)通過(guò)打底板錨桿防治底臌效果良好。但松軟底板臌起的深度一般為巷寬的0.75倍，因此，短錨桿難以阻止底臌。而實(shí)際工程中，寬度為5 m的巷道，必須采用4 m左右的錨桿，由于施工工藝復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)，需尋求新的支護(hù)方式。

新集劉莊煤礦第一水平井底車場(chǎng)垂深790 m，井底車場(chǎng)以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，占地層總厚的90%以上，普式硬度系數(shù)玣=2~6，其中泥巖類巖石層理發(fā)育，強(qiáng)度較低，風(fēng)化速度快，遇水易泥化而且自穩(wěn)性差，自穩(wěn)的時(shí)間短，總體看來(lái)，巖體穩(wěn)定性差，節(jié)理化明顯。車場(chǎng)巷道，底臌變形為主，頂和幫變形相對(duì)較小。顯現(xiàn)出深井軟巖巷道的特征，即首先在無(wú)支護(hù)的底板形成較大范圍的破碎區(qū)和塑性區(qū)，然后開始底臌，巖層移動(dòng)帶動(dòng)兩幫變形和頂板下沉。在支護(hù)設(shè)計(jì)中，確定采用以“三錨”技術(shù)為核心內(nèi)容的分步（針對(duì)圍巖變形的階段性）、動(dòng)態(tài)（針對(duì)圍巖非線性力學(xué)響應(yīng)）加固圍巖的技術(shù)路線。主要技術(shù)措施有［10］：①設(shè)計(jì)和研制了小直徑光爆藥管結(jié)構(gòu)，保證了周邊眼徑向空氣間隙不耦合裝藥，使周邊眼的眼痕率取得70%以上的光爆效果。掏糟眼孔內(nèi)分層裝藥、分段起爆的“孔內(nèi)分段爆破漏斗掏糟方式”設(shè)計(jì)合理，可有效確保炮眼利用率在90%以上；②有效地運(yùn)用了及時(shí)噴錨、補(bǔ)強(qiáng)錨索、適時(shí)滯后注漿等分步加固技術(shù)；③錨桿支護(hù)為基礎(chǔ)（以錨為主、以噴為輔）；④錨索支護(hù)為輔助（關(guān)鍵部位二次補(bǔ)強(qiáng)）；⑤錨注支護(hù)為關(guān)鍵（全斷面錨注）；⑥底臌明顯地段，在底板預(yù)定深度進(jìn)行松動(dòng)爆破，再向底板鉆眼注漿，在巷道底板巖層深處形成卸壓區(qū)，淺部形成強(qiáng)度較大的碎石反拱，與澆灌混凝土反拱相比，其承載能力更高而成本明顯降低?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明：在深井軟巖巷道中維持著不同量值的持續(xù)流變，“三錨”支護(hù)有效地控制了圍巖變形速率和變形量，將錨噴、錨索、錨注有機(jī)地結(jié)合起來(lái)并與圍巖進(jìn)行有效耦合，可以彌補(bǔ)各自的不足具有廣泛的實(shí)用性。

4 主要結(jié)論

（1） 從對(duì)不同厚跨比層狀底板巖層變形破壞力學(xué)分析來(lái)看：底板巖層的厚跨比是影響壓曲性底臌的關(guān)鍵因素；底板巖層的變形性質(zhì)和底板巖層的傾角是影響壓曲性底臌的重要因素；底板巖層的強(qiáng)度性質(zhì)是影響底板破壞形式的決定性因素。

（2） 層狀底板在水平應(yīng)力作用下，當(dāng)厚跨比小于臨界厚跨比時(shí)為壓曲破壞；大于臨界厚跨比時(shí)為剪脹破壞。

（3） 臨界應(yīng)力與厚跨比關(guān)系密切，而這又取決于底板層理和節(jié)理分布以及巷道跨度。因此，底板巖體結(jié)構(gòu)和工程尺寸是其穩(wěn)定狀態(tài)的決定性因素之一。

（4） 根據(jù)臨界應(yīng)力公式可定性解釋控制底臌措施的機(jī)理為改變力學(xué)性質(zhì)和厚跨比作用。底板巖性決定著控制底臌措施的成敗。底板錨桿和“三錨”支護(hù)，對(duì)于中硬層狀巖層的壓曲性底臌控制較為有效；而松散破碎底板采用全封閉式支架，是一理想選擇。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華)