巷道非對稱底鼓的力學解析

摘要：探討深部開采條件下非對稱底鼓現象的影響因素和形成機制，為巷道底鼓的防治提供理論依據。根據郎肯土壓力理論，建立了非對稱底鼓的力學模型及分析計算簡圖，得到了4種非對稱底鼓的破壞形式，導出了巷道底壓的計算公式。通過給定部分參數，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稱荷載比值的影響較大，且巷道底壓會有一定的偏轉。研究結果對于控制深井非對稱底鼓有一定的參考作用。最后介紹了1個防治巷道底鼓的實例。

關鍵詞：深部開采；巷道底鼓；非對稱；力學解析

中圖分類號：TD327.3文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0038-06

作者簡介：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方面的研究。

隨著我國煤礦開采深度的不斷加大，開采強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，導致巷道圍巖應力惡化，巷道底鼓現象日趨普遍，嚴重影響了此類巷道的運輸和正常使用。在兩幫壓模效應、原巖應力、采動支承應力、水及底板巖性等單個或多個因素綜合影響下，底板巖層向巷道內壓曲、擴容、膨脹，形成底鼓。巷道所處的地質條件、底板圍巖性質和應力狀態各不相同，底鼓的方式及其機理也有所不同，一般可分為以下4類：擠壓流動性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、剪切錯動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系，采動巷道可分為實體煤巷道、煤柱巷道、沿空巷道，而在相同條件下，煤柱巷道的底鼓最嚴重[2]，維護難度最大。因此，針對回采巷道的擠壓流動性底鼓機理進行深入研究，尋求經濟有效的控制技術，對巷道底鼓的控制具有一定的參考價值。

1巷道底板應力的分布

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

為了便于計算，假設巷道底板兩側在均布荷載p和q的作用下發生破壞，巷道底板兩側的應力分布如圖1所示。

2巷道非對稱底鼓力學解析

先取巷道右側底板進行分析，底板巖體在均布荷載q的作用下，CIJ區域巖體處于主動塑性壓力狀態，而MCJ區域巖體處于被動塑性壓力狀態，當MCJ區域巖體達到了被動塑性壓力狀態，會產生向上的底板圍巖壓力，當其超過了巖體的極限強度時，就會導致底板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點以上的CJ范圍內，因為σa>σp，底板巖體處于塑性狀態；在J點以下，σa<σp，底板巖體處于彈性狀態；在J點處，σa=σp，底板巖體處于極限平衡狀態。

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

為了分析非對稱性底鼓時的底壓大小和底鼓偏移方向，進行如下計算：

關于圖4c和圖4d中的巷道底壓，雖然滑移體受到巷道幫部的阻礙，但是依然可以按照圖4b的底壓計算方法來獲取，其結果比實際結果會略大一些。

3底板破壞參數分析

根據普氏理論可知，巷道開挖以后，巷道頂部會形成壓力拱，其高度a為

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

當n=1時，極限破壞深度即為y1，當n>1時，極限破壞深度為y′1。

由圖5a可知，y與φ的關系：從總體趨勢上看，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所對應的破壞深度也是不斷增大的。

由圖5b可知，P0與φ的關系：從變化趨勢上來看，基本同破壞深度與φ的關系一致。但是當φ較小時，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到10倍以上，可見在巖體較為破碎的時候，如果不能及時有效的支護，隨著巖體的進一步破壞，底壓會急劇增大，從而造成難以控制的劇烈底鼓。

由圖5c可知，θ與φ的關系：兩側荷載相同時，θ為0，底壓方向是垂直與巷道底板向上的，不會受φ的影響；當荷載不同時，φ會使得θ增大，隨著荷載比值的增大，相同的φ所對應的θ是不斷增大的，只是增加的幅度有所減小。

2）根據現場實際情況，巷道寬度b的范圍取2～6m，分別給定下述參數的值：φ=40°，h=1.6m，γ=25kN/m3，n依然取如上所述的2個值，則可以分別得到y與b，P0與b，以及θ與b的關系（見圖6）。

由圖6a可知，y與b的關系：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應的破壞深度也是不斷增大的。

由圖6b可知，P0與b的關系：兩側荷載相同時，隨著b的增大，底壓變化略有增大；兩側荷載不同時，隨著b的增大，底壓越來越大，同時，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，增長的幅度相對于寬度較小時是非常大的。

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

4非對稱底鼓控制對策及應用效果

1）非對稱底鼓的控制方法[4-6]。從力學模型中可以看出，為了減小底壓，減輕底鼓的程度，應通過以下4個途徑：一是加固巷道肩、幫部這樣的關鍵部位，改善巷道圍巖結構的力學性能，減小幫部荷載；二是主動控制底鼓，即采用足夠長的扎腳錨桿或者錨索穿透巷道底板破壞的主動區，并固結在穩定巖層中，不僅可以阻礙底板兩側載荷向下傳遞以及主動破壞區向下擠壓移動，同時相當于增大了內摩擦角φ，減小了主動壓力，從而降低底壓，減輕巷道底鼓的程度；三是被動控制底鼓，即采用足夠長的底板錨桿，將底板松散巖體固結在穩定巖層中，阻礙被動區向上運動，增大被動區的φ，減小滑塊的有效滑動力，從而減小和平衡底壓；四是固結松散巖體，即注漿加固巷道圍巖，實際是也就是增大了圍巖的φ。

2）非對稱底鼓的控制對策。某礦第一水平大巷垂深830m，由于煤層埋藏較深、地質構造的影響以及巷道布置方面的原因，造成圍巖松軟破碎，風化或遇水泥化現象嚴重，巷道維護難度很大。

2009年施工以來，由于其附近綜采工作面開采，雖然留設了80m的保護煤柱，但是巷道還是發生嚴重的非對稱底鼓破壞，相對底鼓量可達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重。

在修復設計中，除了采用了以上述控制方法為基礎的組合式支護措施，結合現場實際施工情況，針對不對稱底鼓，采用了不對稱的支護形式（見圖7）。

3）支護效果。根據修復后3個月的連續監測數據，兩幫累積移近量80mm，頂底板累積移近量65mm，最大底鼓量50mm，收斂面積0.82m2，收斂率為6.61%，支護有效的控制了圍巖變形速率和變形量。

5主要結論

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

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

3）隨著巷道底板寬度的增大，會使得極限破壞深度和底壓都增大。不對稱荷載作用下，相對于寬度較小的巷道，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，會造成劇烈的底鼓。

5）從理論上來說，為了控制底鼓，應從其源頭入手，綜合采用下述手段：加固肩部，提高圍巖強度和整體性，降低荷載大小；補打扎腳錨索，斬斷荷載傳遞的路徑；底板錨桿加固，阻礙被動區運動；注漿固結松散巖體。在底鼓程度較嚴重時，可以適當采取不對稱支護方式，補強荷載大的一側。

參考文獻：

[1]陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，1994：463-473.

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

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

[4]高明中.巷道壓曲性底臌的機理與控制[J].安徽理工大學學報：自然科學版，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].巖石力學與工程學報，2004，23（14）：2396-2401.

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

（責任編輯：何學華，吳曉紅）