巷道非對(duì)稱底鼓的力學(xué)解析

摘要：探討深部開采條件下非對(duì)稱底鼓現(xiàn)象的影響因素和形成機(jī)制，為巷道底鼓的防治提供理論依據(jù)。根據(jù)郎肯土壓力理論，建立了非對(duì)稱底鼓的力學(xué)模型及分析計(jì)算簡(jiǎn)圖，得到了4種非對(duì)稱底鼓的破壞形式，導(dǎo)出了巷道底壓的計(jì)算公式。通過給定部分參數(shù)，得到了極限破壞深度、底壓、底壓偏移角分別與松散巖體折算摩擦角和巷道寬度的關(guān)系。研究表明，巖性較差或者較為破碎的圍巖以及寬度較大的巷道受非對(duì)稱荷載比值的影響較大，且巷道底壓會(huì)有一定的偏轉(zhuǎn)。研究結(jié)果對(duì)于控制深井非對(duì)稱底鼓有一定的參考作用。最后介紹了1個(gè)防治巷道底鼓的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：深部開采；巷道底鼓；非對(duì)稱；力學(xué)解析

中圖分類號(hào)：TD327.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

[WT]文章編號(hào)：1672-1098（2012）04-0038-06

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

隨著我國(guó)煤礦開采深度的不斷加大，開采強(qiáng)度的增加和無煤柱開采的大量使用，加之部分礦井資源枯竭開始回收邊角煤柱，導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力惡化，巷道底鼓現(xiàn)象日趨普遍，嚴(yán)重影響了此類巷道的運(yùn)輸和正常使用。在兩幫壓模效應(yīng)、原巖應(yīng)力、采動(dòng)支承應(yīng)力、水及底板巖性等單個(gè)或多個(gè)因素綜合影響下，底板巖層向巷道內(nèi)壓曲、擴(kuò)容、膨脹，形成底鼓。巷道所處的地質(zhì)條件、底板圍巖性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)各不相同，底鼓的方式及其機(jī)理也有所不同，一般可分為以下4類：擠壓流動(dòng)性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓及膨脹性底鼓[1]。依巷道與回采工作面的空間位置關(guān)系，采動(dòng)巷道可分為實(shí)體煤巷道、煤柱巷道、沿空巷道，而在相同條件下，煤柱巷道的底鼓最嚴(yán)重[2]，維護(hù)難度最大。因此，針對(duì)回采巷道的擠壓流動(dòng)性底鼓機(jī)理進(jìn)行深入研究，尋求經(jīng)濟(jì)有效的控制技術(shù)，對(duì)巷道底鼓的控制具有一定的參考價(jià)值。

1巷道底板應(yīng)力的分布

巷道底鼓不但與巷道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且和圍巖的應(yīng)力分布有關(guān)，特別是底板巖層的應(yīng)力分布有關(guān)。采空側(cè)巷道底鼓比相同條件下的實(shí)體煤巷道的底鼓量要大得多，而且巷道底鼓呈現(xiàn)不對(duì)稱性。這些差異是由于巷道的應(yīng)力重新分布的特殊性造成的。對(duì)于擠壓流動(dòng)性底鼓，將圍巖視為松散體，即忽略底板巖層的內(nèi)聚力，可以引入郎肯土壓力理論[3]來解釋軟巖巷道底鼓的原因。

為了便于計(jì)算，假設(shè)巷道底板兩側(cè)在均布荷載p和q的作用下發(fā)生破壞，巷道底板兩側(cè)的應(yīng)力分布如圖1所示。

2巷道非對(duì)稱底鼓力學(xué)解析

先取巷道右側(cè)底板進(jìn)行分析，底板巖體在均布荷載q的作用下，CIJ區(qū)域巖體處于主動(dòng)塑性壓力狀態(tài)，而MCJ區(qū)域巖體處于被動(dòng)塑性壓力狀態(tài)，當(dāng)MCJ區(qū)域巖體達(dá)到了被動(dòng)塑性壓力狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生向上的底板圍巖壓力，當(dāng)其超過了巖體的極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致底板MC范圍的破壞，向上隆起或者擠入巷道，造成底鼓（見圖2）。

在J點(diǎn)以上的CJ范圍內(nèi)，因?yàn)棣襛>σp，底板巖體處于塑性狀態(tài)；在J點(diǎn)以下，σa<σp，底板巖體處于彈性狀態(tài)；在J點(diǎn)處，σa=σp，底板巖體處于極限平衡狀態(tài)。

假設(shè)q大于p，故右側(cè)的極限破壞深度以及底板破壞面都是大于左側(cè)的，底板兩側(cè)在外力作用下產(chǎn)生的滑移體向巷道內(nèi)部擠壓，除了造成底鼓以外，還會(huì)產(chǎn)生底壓（見圖4）。

為了分析非對(duì)稱性底鼓時(shí)的底壓大小和底鼓偏移方向，進(jìn)行如下計(jì)算：

關(guān)于圖4c和圖4d中的巷道底壓，雖然滑移體受到巷道幫部的阻礙，但是依然可以按照?qǐng)D4b的底壓計(jì)算方法來獲取，其結(jié)果比實(shí)際結(jié)果會(huì)略大一些。

3底板破壞參數(shù)分析

根據(jù)普氏理論可知，巷道開挖以后，巷道頂部會(huì)形成壓力拱，其高度a為

1）分別給定參數(shù)值。b=4m，h=1.6m，γ=25kN/m3，n取2個(gè)值，依次為1.2和1.6，則可以分別得到Y(jié)與φ，P0與φ，以及θ與φ的關(guān)系（見圖5）。

當(dāng)n=1時(shí)，極限破壞深度即為y1，當(dāng)n>1時(shí)，極限破壞深度為y′1。

由圖5a可知，y與φ的關(guān)系：從總體趨勢(shì)上看，隨著φ的增大，極限破壞深度是在不斷減小的，隨著荷載比值的增大，相同的φ所對(duì)應(yīng)的破壞深度也是不斷增大的。

由圖5b可知，P0與φ的關(guān)系：從變化趨勢(shì)上來看，基本同破壞深度與φ的關(guān)系一致。但是當(dāng)φ較小時(shí)，底壓是隨φ的減小而增大的幅度非常劇烈，底壓的比值最大可以達(dá)到10倍以上，可見在巖體較為破碎的時(shí)候，如果不能及時(shí)有效的支護(hù)，隨著巖體的進(jìn)一步破壞，底壓會(huì)急劇增大，從而造成難以控制的劇烈底鼓。

由圖5c可知，θ與φ的關(guān)系：兩側(cè)荷載相同時(shí)，θ為0，底壓方向是垂直與巷道底板向上的，不會(huì)受φ的影響；當(dāng)荷載不同時(shí)，φ會(huì)使得θ增大，隨著荷載比值的增大，相同的φ所對(duì)應(yīng)的θ是不斷增大的，只是增加的幅度有所減小。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，巷道寬度b的范圍取2～6m，分別給定下述參數(shù)的值：φ=40°，h=1.6m，γ=25kN/m3，n依然取如上所述的2個(gè)值，則可以分別得到y(tǒng)與b，P0與b，以及θ與b的關(guān)系（見圖6）。

由圖6a可知，y與b的關(guān)系：隨著b的增大，極限破壞深度是在不斷增大的，隨著荷載比值的增大，相同的巷道寬度所對(duì)應(yīng)的破壞深度也是不斷增大的。

由圖6b可知，P0與b的關(guān)系：兩側(cè)荷載相同時(shí)，隨著b的增大，底壓變化略有增大；兩側(cè)荷載不同時(shí)，隨著b的增大，底壓越來越大，同時(shí)，荷載比值的增大，使得同等寬度下的巷道的底壓變得更大，在寬度較大的情況下，增長(zhǎng)的幅度相對(duì)于寬度較小時(shí)是非常大的。

由圖6c可知，θ與b的關(guān)系：巷道寬度的變化，并不會(huì)改變底壓的偏移角，而兩側(cè)荷載不同才會(huì)影響θ，荷載比值的越大，θ越大，但是相對(duì)于荷載比值增大的幅度，θ增大的幅度減緩了。

4非對(duì)稱底鼓控制對(duì)策及應(yīng)用效果

1）非對(duì)稱底鼓的控制方法[4-6]。從力學(xué)模型中可以看出，為了減小底壓，減輕底鼓的程度，應(yīng)通過以下4個(gè)途徑：一是加固巷道肩、幫部這樣的關(guān)鍵部位，改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，減小幫部荷載；二是主動(dòng)控制底鼓，即采用足夠長(zhǎng)的扎腳錨桿或者錨索穿透巷道底板破壞的主動(dòng)區(qū)，并固結(jié)在穩(wěn)定巖層中，不僅可以阻礙底板兩側(cè)載荷向下傳遞以及主動(dòng)破壞區(qū)向下擠壓移動(dòng)，同時(shí)相當(dāng)于增大了內(nèi)摩擦角φ，減小了主動(dòng)壓力，從而降低底壓，減輕巷道底鼓的程度；三是被動(dòng)控制底鼓，即采用足夠長(zhǎng)的底板錨桿，將底板松散巖體固結(jié)在穩(wěn)定巖層中，阻礙被動(dòng)區(qū)向上運(yùn)動(dòng)，增大被動(dòng)區(qū)的φ，減小滑塊的有效滑動(dòng)力，從而減小和平衡底壓；四是固結(jié)松散巖體，即注漿加固巷道圍巖，實(shí)際是也就是增大了圍巖的φ。

2）非對(duì)稱底鼓的控制對(duì)策。某礦第一水平大巷垂深830m，由于煤層埋藏較深、地質(zhì)構(gòu)造的影響以及巷道布置方面的原因，造成圍巖松軟破碎，風(fēng)化或遇水泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道維護(hù)難度很大。

2009年施工以來，由于其附近綜采工作面開采，雖然留設(shè)了80m的保護(hù)煤柱，但是巷道還是發(fā)生嚴(yán)重的非對(duì)稱底鼓破壞，相對(duì)底鼓量可達(dá)0.7～1.5m。其主要破壞形式為下肩頂板開裂、幫部鼓出、上幫底板鼓出變形較下幫嚴(yán)重。

在修復(fù)設(shè)計(jì)中，除了采用了以上述控制方法為基礎(chǔ)的組合式支護(hù)措施，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，針對(duì)不對(duì)稱底鼓，采用了不對(duì)稱的支護(hù)形式（見圖7）。

3）支護(hù)效果。根據(jù)修復(fù)后3個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，兩幫累積移近量80mm，頂?shù)装謇鄯e移近量65mm，最大底鼓量50mm，收斂面積0.82m2，收斂率為6.61%，支護(hù)有效的控制了圍巖變形速率和變形量。

5主要結(jié)論

1）松散巖層的折算摩擦角，即巖石的巖性及破碎程度對(duì)于巷道的穩(wěn)定極為重要?？偟膩碚f，折算摩擦角越大，即巖性較好或者圍巖較完整時(shí)，極限破壞深度和底壓都較小，受非對(duì)稱荷載的影響也不會(huì)過大。但是如果巷道圍巖的巖性較差或者非常破碎，在受非對(duì)稱荷載影響時(shí)，底壓值會(huì)增大的非常劇烈。

2）對(duì)稱荷載作用下，底壓的方向是垂直于巷道底板向上的。不對(duì)稱荷載作用下，底壓偏移的角度主要和松散巖層的折算摩擦角動(dòng)壓影響有關(guān)系，隨著他們的增大而不斷偏向受采動(dòng)的巷道一側(cè)。

3）隨著巷道底板寬度的增大，會(huì)使得極限破壞深度和底壓都增大。不對(duì)稱荷載作用下，相對(duì)于寬度較小的巷道，寬度較大的巷道底壓增加的幅度非常大。

4）巖性較差或者較為破碎的圍巖，巷道寬度較大的巷道，它們受荷載比值的影響非常大，底壓增大幅度較大，會(huì)造成劇烈的底鼓。

5）從理論上來說，為了控制底鼓，應(yīng)從其源頭入手，綜合采用下述手段：加固肩部，提高圍巖強(qiáng)度和整體性，降低荷載大??；補(bǔ)打扎腳錨索，斬?cái)嗪奢d傳遞的路徑；底板錨桿加固，阻礙被動(dòng)區(qū)運(yùn)動(dòng)；注漿固結(jié)松散巖體。在底鼓程度較嚴(yán)重時(shí)，可以適當(dāng)采取不對(duì)稱支護(hù)方式，補(bǔ)強(qiáng)荷載大的一側(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳炎光，陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994：463-473.

[2]柏建彪，李文峰，王襄禹，等.采動(dòng)巷道底鼓機(jī)理與控制技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28（1）：1-5.

[3]陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994：114-115.

[4]高明中.巷道壓曲性底臌的機(jī)理與控制[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，28（1）：20-24.

[5]姜耀東，趙毅鑫，劉文崗，等.深部開采中巷道底鼓問題的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（14）：2396-2401.

[6]李開學(xué)，王宏圖，劉正海.巷道底鼓理論與防治技術(shù)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35（3）：86-88.

（責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅）