大斷面巖巷底鼓機(jī)理分析與控制技術(shù)研究

李寶龍

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司 ，山西 陽(yáng)泉 045008）

0 引 言

底鼓是深部巷道經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象之一，據(jù)有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，我國(guó)煤礦開(kāi)采在底板無(wú)支護(hù)的情況下，底鼓占巷道頂?shù)装宓囊平康?/3～3/4，巷道底鼓的維修量占維修總量的50%[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巷道底鼓原理以及控制技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究，如姜耀東、趙毅鑫等[2]認(rèn)為對(duì)于深部軟巖和中硬巖石巷道發(fā)生的為撓曲褶皺型底鼓，這種底鼓的機(jī)理是底板巖層在平行于層理方向的壓力即底板水平應(yīng)力的作用下向臨空方向撓曲褶皺失穩(wěn)，從而致使巷道底鼓；康紅普院士[3]把巷道的底鼓分為：兩幫擠壓引起的底鼓、巖石擴(kuò)容引起的底鼓、巖石膨脹引起的底鼓，三種類(lèi)型的底鼓類(lèi)型分別適用與不同巖性的底板；陳宗基、李國(guó)富等[4,5]通過(guò)對(duì)復(fù)雜條件下軟巖巷道圍巖的變形進(jìn)行研究分析，得出影響巷道頂?shù)装宸€(wěn)定性的主要因素為水平構(gòu)造應(yīng)力，并同時(shí)建立了力學(xué)模型分析了頂?shù)装宓膽?yīng)力分布特征。本文只要對(duì)大斷面巖巷底鼓機(jī)理進(jìn)行分析，并針對(duì)+540m電機(jī)車(chē)輔助運(yùn)輸大巷底鼓問(wèn)題提出三種治理辦法，通過(guò)數(shù)值模擬分析比較效果，得出卸壓槽+注漿錨索控制底板效果最好，并實(shí)際運(yùn)用于電機(jī)車(chē)輔助運(yùn)輸大巷取得良好工程效果。

1 巷道底鼓機(jī)理及底板穩(wěn)定性分析

1.1 巷道底鼓機(jī)理分析

在煤礦巷道中，底板巖層以層狀賦存為主，如圖1所示，底板各巖層的穩(wěn)定性及位移量是影響巷道底鼓的主要因素，首先分析m1巖層的穩(wěn)定性及位移。

圖1 巷道底板分層

在巖體內(nèi)開(kāi)掘巷道后，巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，巷道底板巖層將承受支承壓力傳遞下來(lái)的軸向壓力N的作用，同時(shí)在軸向壓力的作用下會(huì)在梁的各截面上產(chǎn)生分布彎矩Wn會(huì)進(jìn)一步加劇底板巖層彎曲變形，當(dāng)巖層承受的軸向壓力超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí)巖層便會(huì)失穩(wěn)，底板巖層破壞力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 底板巖層破壞力學(xué)模型

底板巖層在軸向力N和重力q的作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，彎曲方程為：

式中：q=m1γ為巷道跨度；I為組合梁抗彎截面模量；m1為組合梁上部抗彎層厚度；W為彎曲變形量；E為抗剪層剪切模量。對(duì)上式進(jìn)行整理變形，并令 k=N/EI，則有：

當(dāng)sec kl/2→∞時(shí)，ωmax→∞，這時(shí)巖梁便會(huì)在軸壓力N的作用下發(fā)生屈服破壞，即當(dāng)kl/2=π/2+nπ(n=0，1，2L，L)時(shí)有梁發(fā)生失穩(wěn)破壞的最小軸向力為

以上對(duì)m1巖層的穩(wěn)定性及壓曲位移進(jìn)行了分析，運(yùn)用同樣的方法能對(duì)其余巖層進(jìn)行分析計(jì)算。底板底鼓主要時(shí)因?yàn)榈装甯鲙r層相繼失穩(wěn)破壞所導(dǎo)致，即當(dāng)m1巖層達(dá)到極限強(qiáng)度失穩(wěn)破壞后，在兩幫巖體的擠壓下會(huì)向巷道內(nèi)彎曲變形，對(duì)于其余巖層的破壞特征與m1巖層相似，底板會(huì)在支承壓力作用下一直破壞到穩(wěn)定巖層才會(huì)穩(wěn)定[6]。

1.2 巷道底板穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述推導(dǎo)得出的底板巖層失穩(wěn)破壞臨界軸向力Ncr的計(jì)算表達(dá)式，假設(shè)底板巖層的側(cè)壓系數(shù)為λ，巷道圍巖所受到的最大支承壓力為K1γH，則能夠得出底板巖層受到的水平力N=λK1γH，故當(dāng)?shù)装鍘r層受到的最大水平力N≥Ncr時(shí)，巖層便會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，表達(dá)式如下：

由式（5）能夠分析得出影響巷道底板巖層穩(wěn)定性的因素主要為：巖層厚度、壓力集中系數(shù)、跨度。由表達(dá)式能夠得出巖層厚度m越大，巖層抵抗彎曲變形能力越強(qiáng)，越不容易變形失穩(wěn)；隨著巷道壓力集中系數(shù)的增大，底板巖層所受到的軸向力N也會(huì)逐漸增大，這便會(huì)導(dǎo)致巖層更容易失穩(wěn)破壞；在巷道埋深和圍巖條件確定后，巖層跨度也會(huì)對(duì)巖層的穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響，維護(hù)已掘巷道兩幫煤（巖）體的穩(wěn)定性，將圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移能夠有效的控制圍巖變形。

2 巷道底鼓控制技術(shù)模擬分析

2.1 工程概況與計(jì)算模型

+540m水平電機(jī)車(chē)輔助運(yùn)輸大巷平均埋深為450m，巷道斷面為直墻半圓拱形，凈高度為5.5m，拱矢高為3m，凈寬度為6m，該巷道直接頂為2.9m的砂質(zhì)泥巖，該巷道底板巖層有泥巖、細(xì)粒砂巖、煤、砂質(zhì)泥巖，該巷道在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，平均頂?shù)装逡平繛?.48m。根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)資料，建立計(jì)算模型，模型中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巷道圍巖計(jì)算力學(xué)參數(shù)

巷道支護(hù)參數(shù)為：錨桿采用φ20×2400mm，間排距為800mm×800mm，錨索選用φ18.96mm×8300mm，間排距為1600mm×1600mm，，錨索預(yù)緊力為200kN，錨桿錨固力為70kN。根據(jù)上述條件進(jìn)行模擬分析巷道底板在無(wú)支護(hù)狀態(tài)下圍巖Z位移云圖如圖3所示。

圖3 底板未支護(hù)時(shí)Z方向的位移

通過(guò)對(duì)底鼓機(jī)理的分析能夠得出引起巷道底鼓的主要原因?yàn)榈装鍘r性較弱，在支承壓力作用下底板軟弱巖層擠壓流動(dòng)到巷道內(nèi)部，故現(xiàn)有控制底鼓的方法主要為三種：底板錨桿、錨索加固，巷道中部開(kāi)設(shè)卸壓槽，卸壓槽和注漿錨索聯(lián)合支護(hù)。下面分別通過(guò)這三種方式對(duì)底板進(jìn)行處理后進(jìn)行出圖分析。

1）通過(guò)在巷道底板與左幫、右?guī)途嚯x0.5m的位置處與垂直方向成30°打設(shè)長(zhǎng)為2.4m的錨桿，底板錨桿的排距為0.8m，對(duì)底板運(yùn)用錨桿進(jìn)行加固支護(hù)后，巷道圍巖在Z方向的位移云圖如圖4所示。

圖4 底角錨桿支護(hù)后圍巖Z方向位移云圖

2）通過(guò)在巷道中部切深度為2.0m，寬度為0.5m的卸壓槽方案對(duì)巷道底鼓現(xiàn)象進(jìn)行治理時(shí)，巷道圍巖在Z方向上的位移云圖如圖5所示。

圖5 巷道中部切卸壓槽后圍巖在Z方向的位移云圖

3）為了加強(qiáng)治理巷道底鼓的效果，對(duì)底板采用卸壓槽+注漿錨索的處理方案，該方案為在巷道中部切深度為2.0m，寬度為0.5m卸壓槽的基礎(chǔ)上配合底板注漿錨索對(duì)巷道底板進(jìn)行加固。底板錨索距幫部1m，垂直于底板進(jìn)行打設(shè)，間排距為4000×1600mm。采用聯(lián)合支護(hù)方案后巷道圍巖Z方向的位移云圖如圖6所示。

圖6 聯(lián)合支護(hù)后巷道圍巖Z方向的位移云圖

通過(guò)對(duì)三種方案處理巷道底鼓問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠得出底板錨桿在固定到泥巖時(shí)并不能很好的控制底鼓現(xiàn)象；在巷道中部切寬為0.5m，深為2.0m的卸壓槽能夠減小巷道的底鼓量，但會(huì)使得巷道破壞深度及破壞區(qū)域增大；采用聯(lián)合支護(hù)法時(shí)能夠有效的控制巷道底鼓，并且能夠使得巷道底板的破壞區(qū)域減小、卸壓槽的閉合程度減弱。

3 大斷面底鼓控制技術(shù)實(shí)踐

3.1 巷道底鼓控制方案

針對(duì)+540m電機(jī)車(chē)輔助運(yùn)輸大巷在掘進(jìn)過(guò)程中遇到的底鼓問(wèn)題，根據(jù)上述數(shù)值模擬的結(jié)果，采用的方案為在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上配合底板切卸壓槽+注漿錨索來(lái)控制底板的彎曲變形，底板注漿錨索距幫部的距離為1m，間排距為4000×1600mm，垂直于底板打設(shè)，采用聯(lián)合支護(hù)后的巷道斷面圖如圖7所示。

圖7 聯(lián)合支護(hù)法巷道斷面示意圖

3.2 工業(yè)性試驗(yàn)效果

在+540m電機(jī)車(chē)輔助運(yùn)輸大巷未采用聯(lián)合支護(hù)方案時(shí)巷道頂?shù)装宓囊平繛?.48m，兩幫移近量為0.31m；在采用了卸壓槽+注漿錨索聯(lián)合支護(hù)方案后，頂?shù)装遄冃卧?5天左右后趨于穩(wěn)定，巷道的頂?shù)装逡平績(jī)H為0.04m，兩幫變形量在18天后趨于穩(wěn)定，兩幫移近量為0.02m，這說(shuō)明采用卸壓槽+注漿錨索對(duì)巷道底板進(jìn)行處理后有效的控制了圍巖變形，卸壓槽+注漿錨索能夠有效控制巷道底鼓問(wèn)題。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)建立巷道底板力學(xué)模型，分析計(jì)算得出底板巖層失穩(wěn)破壞的撓度臨界解析解及最小軸向力。

2）通過(guò)對(duì)三種治理底鼓的方法進(jìn)行數(shù)值模擬得出使用卸壓槽+注漿錨索控制巷道底鼓效果最好，能夠有效的控制底板鼓起量、減小巷道底板的破壞。

3）針對(duì)+540m電機(jī)車(chē)輔助運(yùn)輸大巷底鼓問(wèn)題，采用卸壓槽+注漿錨索方案控制底鼓，該方案實(shí)施后兩幫移近量約為0.02m，頂?shù)装逡平繛?.04m，圍巖控制效果顯著。