底板錨桿防控底鼓技術在沿空留巷中的應用

袁慶盟　袁慶帥　張勝功

(1.青島理工大學土木工程學院；2.兗礦集團鮑店煤礦)

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底板錨桿防控底鼓技術在沿空留巷中的應用

袁慶盟1袁慶帥2張勝功2

(1.青島理工大學土木工程學院；2.兗礦集團鮑店煤礦)

針對沿空留巷復用時經常出現底鼓現象，分析了沿空巷道底板巖層的運動情況，給出了各階段底鼓量的構成、最大破壞深度及其位置。以底板錨桿加固法為例，討論了錨桿在防控底鼓方面的作用機理，并結合實踐計算出建議的錨桿長度，供相關應用參考。

沿空留巷底板錨桿底鼓防控

自20 世紀50年代以來，沿空留巷技術一直是我國煤炭開采技術的重要發展方向[1]。沿空留巷技術能夠實現無煤柱開采，有效減少掘進量、緩解采掘接替緊張、減少搬家時間，實現Y型通風、取消孤島工作面、提高煤炭采出率，對于延長礦井服務年限具有重要意義[2]。沿空留巷經受二次采動影響，其礦壓規律和巷道維護均較復雜。幾乎所有沿空留巷均出現不同程度的底鼓現象，隨著采深的增加和巷道斷面的加大，底鼓現象越來越突出。小于 200mm的底鼓對巷道的穩定性、巷道運輸和通風等影響較小，無需采取專門的防治措施。當底鼓量較大時易導致巷道失穩，影響運輸和行人、妨礙通風。強烈的巷道底鼓不僅增加維修工作和維護費用，還嚴重影響了采煤工作面的安全高效生產[3]。沿空巷道的力學環境與普通回采巷道有所區別，巷道一幫為已進入塑性狀態的實體煤壁，另一幫為巷旁支護體。為有效控制沿空留巷巷道底鼓，國內外許多專家學者基于底鼓力學機理提出諸多防控和治理方法[4-9]，主要有加固法、泄壓法和聯合法等。其中，加固法尤其是底板錨桿加固具有降低巷道支護成本、減輕工人勞動強度、簡化支護工藝等明顯優點，應用較廣泛。本研究以加固法為例，著重探討了采用底板錨桿防控沿空留巷底鼓的技術。

1　沿空留巷底板巖層運動

在長壁工作面開切眼附近，煤層底板處于下降或泄壓狀態，巖體處于膨脹變形階段。工作面開采期間和停采后，底板巖層按應力狀態和變形不同[10]，分為底板壓縮區Ⅳ、底板不均勻隆起區Ⅴ和底板均勻隆起區Ⅵ。如圖1所示。

在工作面前方支承壓力作用下，煤壁前方的煤層底板承受KγH的鉛垂應力，呈三向受力狀態，以壓縮變形為主。隨著工作面推進，工作面控頂范圍內煤層底板承受的鉛垂應力幾乎接近于零，進入采空區的煤層底板承受的鉛垂應力至多恢復到γH。

圖1　煤層底板應力及變形區域

長壁工作面控頂范圍內的煤層底板呈膨脹變形狀態，向上隆起出現底鼓，底板巖層中將出現順巖層層理裂隙。

在支承壓力作用下，從工作面煤壁到采空區一定距離和一定深度范圍內的底板中出現水平拉應力，在壓縮區和隆起區，分界處的底板中出現剪應力，拉應力和剪應力使底板出現一系列垂直于層面的裂隙，垂直斷裂和順層斷裂交叉，形成底板破壞帶。底板巖層出現的破壞形式及區域見圖2。

圖2　底板巖層破壞區域分布

2　底鼓量構成分析

2.1彈性階段的底鼓量

彈塑性變形引起的底鼓量可以把原巷道看作圓形巷道來探討[11-18]。當圍巖處于彈性變形階段時，可把巷道看作彈性厚壁筒內壁，原巖應力p作用于無窮遠處，支護壓力(-p1)作用于內半徑周邊(負號表示支護壓力的作用方向指向圓心)。假設原巖應力處于靜水壓力狀態，采用彈性力學方法可求得內壁的徑向位移u1。

巷道內壁徑向和切向的正應力分別為

(1)

式中,a為彈性厚壁筒內徑，m；μ為泊松比。

令a=r，減去巷道在原巖應力p作用下產生的位移，可得內壁徑向位移u1為

(2)

或

(3)

在巷道開掘后，在支護壓力p1的作用下，圍巖的切向應力值σθ和徑向應力值σr為

(4)

由上式可知，周邊處圍巖應力增量的絕對值大小相等，即(p-p1)，但其增量的方向不同，切向應力增大，徑向應力減小。由此可知，圍巖變形形式為切向壓縮、徑向伸張，這個階段即為彈性階段，底鼓量大小為u1。

事實上，巷道在彈性階段的位移量很小，相對應的底鼓量也很小。

2.2塑性階段的底鼓量

在彈性區與塑性區交界處，圍巖位移同時滿足彈性條件和塑性條件，此時r=R。塑性階段巷道底鼓量u2仍可采用彈性階段徑向位移式(3)求出

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，σR為彈塑性區交界處的徑向應力，Pa；R為彈塑性區交界處到圓心的距離，m；G為圍巖切變模量，又稱為剛性模量，Pa。

σR和R可用微元法和莫爾-庫倫強度曲線求得。

將式(6)、式(7)代入式(5)，得表達式：

(9)

(10)

(11)

式中，σc為單軸抗壓強度，Pa；C為巖石內聚力，Pa；φ為圍巖內摩擦角，(°)；ζ為塑性區巖石的塑性系數。

2.3回采過程中的底鼓

煤炭采出底板分為煤體下和采空區下兩部分，前者需承受的垂直壓力遠大于后者，底板的支撐壓力而造成的底板破壞深度可用圖3表示，底板破壞時沿ACED曲線滑動[19]。

圖3　支承壓力對底板的破壞深度

(12)

令其對α的一階導數為0，即求得最大破壞深度OH：

(13)

最大破壞深度距煤幫的間距為

(14)

式中，r為從極點B到ΔABC內任一點的連線距離，m；r0為起始半徑，r0=AC=BC，m；α為r與r0夾角，弧度；φ為內摩擦角，弧度；L為極限平衡區長度,m。

圖3為工作面前方底板破壞情況，工作面前方煤壁和順槽實體煤一側均出現應力集中區(也稱煤體內極限平衡區)，其分布區域為圖3中的AB段，長度為L，即

(15)

式中，M為煤層厚度，m；f為煤層摩擦系數，f=tanφ；K為應力集中系數，一般取2～6；γ為上覆巖層容重，kN/m3；H為煤層埋深，m。

3　底板錨桿防控機理

由于煤體強度低于頂底板巖層，在巷道開掘后，兩幫和底角在應力集中的作用下最先出現塑性變形。隨著塑性區的發展，巷道穩定后，兩幫和底角處的塑性變形、黏性流動和體積膨脹造成的變形量較大。所以，為控制塑性區的發展，可加強兩幫和底角的支護強度。

底板錨桿的作用主要表現為：①加強底板巖層的完整性，組成組合巖梁，其極限抗彎強度要大于巖層，從而抑制巷道底板巖層泄壓狀態時的向上鼓起現象；②抑制煤層采空區側下方底板巖層主動應力區的滑移，降低過渡區和被動應力區的塑性發展過程，以此可有效降低底板巖層在泄壓膨脹時期的擴容量，減緩底板巖層鼓起時間。

煤層及上覆巖層對底板的壓力傳遞方式為靜水壓力，在底板巖層出現主動應力區、過渡應力區、被動應力區3個區域，這一規律在掘巷和回采期間都普遍適用，如圖4所示。巷道兩幫應力集中區對底板的壓力可簡化為條形載荷，巷道底板兩側相當于承受條形均勻載荷的地基，可采用普朗特爾原理進行分析。

圖4　巷道兩幫應力集中區

由上述條件，結合普朗特爾原理[21]，可得底板承受的極限承載力為

(16)

(17)

式中，Nc為承載力系數。

在BC、DF方向布置底角錨桿，主動應力區ΔABC和ΔDEF范圍內的圍巖應力必須克服錨桿的摩擦阻力方可移動，當摩擦阻力p不小于底板的極限承載能力pu時，底板不會達到極限平衡狀態，此時不會發生底鼓；當p

對于主動應力區ΔABC，其滑移線為兩組，平行于AC的α線和平行于BC的β線，實際上是塑性變形區內最大剪切應力的軌跡線，顯然，當此區域破裂時產生的裂紋便是α線和β線。

巷道底角處的彎矩絕對值最大，也是最易破裂的位置，在未支護或支護強度較小的情況下容易產生斷裂線，斷裂線即為進入塑性狀態后的破壞區域。隨著工作面向前推進，微觀裂隙貫通發展為細觀破壞，進而導致宏觀上的底板變形。底角錨桿沿BC、DF方向布置可有效增強主動區的完整程度和抗壓強度，使底板極限承載能力pu大為增強，控制塑性發展過程，抑制底鼓現象。即便底角錨桿失效(即p

底角錨桿的長度需滿足末端錨固位置位于穩固巖層的要求，若沿BC、DF布置，錨桿最小長度即為r0，煤礦施工中，為施工方便，角度一般取45°，此時需要的錨桿最小長度l′需滿足正弦定理：

(18)

得

(19)

建議錨桿長度l為

(20)

式中，l0為錨桿外露長度，一般為0.1m；l1為錨入穩定巖層的深度，根據各自經驗取值。

綜上，底角錨桿控制底鼓的機理主要為增強主動區的完整性和最大切應力，消除和降低底板巖層的鼓入量，尤其是對于擠壓流動性底鼓效果更為顯著。

4　結　論

(1)工作面開采期間和停采后，底板巖層分為底板壓縮區、底板不均勻隆起區和底板均勻隆起區。控頂范圍內的煤層底板向上隆起出現底鼓，底板巖層中將出現順巖層層理的裂隙。

(2)沿空巷道的底鼓構成量主要包括彈性形變和塑性形變，其中彈性變形量很小，可以忽略；在采動應力影響下，工作面底板存在可計算的最大破壞深度。

(3)加強巷內尤其是底角的支護強度可控制塑性區的發展。底板錨桿可增強主動區的完整性和抗剪強度，通過加強底板巖層的完整性和減緩底板巖層鼓起時間使底鼓得以防控。

(4)底角錨桿的長度需滿足末端錨固位置位于穩固巖層的要求，本文從工程角度給出了建議的錨桿長度。

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ApplicationoftheFloorHeavePreventionandControllingTechniquebyFloorAnchorinGob-sideEntryRetaining

YuanQingmeng1YuanQingshuai2ZhangShenggong2

(1.SchoolofCivilEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity;2.BaodianCoalMine,YankuangGroupCo.,Ltd.)

Theroadwayheaveisusuallyappearredduringthesecondlyusinggob-sideentryretaining,themovementcharacteristicsofthefloorstrataofgob-sideentryregaining,theamountoftheroadwayheaveindifferentstages,themaximumdamagedepthandlocationareanalyzedindetail.Takingtheroadwayflooranchorreinforcementmethodastheresearchexample,themechanismofroadwayheavepreventionandcontrollingbyusinganchorisdiscussed,combingwiththeactualapplicationresults,thereasonableanchorlengthisgiventoprovidereferenceforsomerelativeapplication.

Gob-sideentryretaining,Flooranchor,Preventionandcontrollingoffloorheave

2015-12-21)

袁慶盟(1988—)，男，博士研究生，266033 山東省青島市市北區撫順路11號。