高地應力下巷道底板拱結構分析及其應用

陳 盼，谷拴成

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司 水文地質研究所，陜西 西安 710052)

0 引 言

深部巷道掘進后，其底板巖體在高地應力作用下將發生不同程度的變形與破壞，強烈的巷道底鼓不僅顯著增加維護費用，而且嚴重影響煤礦的安全高效生產，已成為深部巖體工程領域研究的熱點和難點[1]，近年來諸多學者進行了大量的研究工作。康紅普認為底板巖層的壓曲、擴容和膨脹是引起礦山巷道底鼓的重要原因[2]；文志杰等建立了剪切錯動型巷道底臌力學模型，提出一種與剪切錯動型巷道底臌力學機理相適應的新型反底拱底臌控制技術[3]；孫闖建立壓桿模型并提出一種估算巷道底鼓水平應力的方法[4]；孟祥瑞等基于彈性模型分析底板任一點的應力狀態，建立底板破壞判據[5]；黃慶享等針對回采巷道底板破壞深度確定難題，建立底板破壞力學模型，分析巷道底板的極限承載力和擠壓流動型變形的破壞機理[6]；楊仁樹等提出以“協調圍巖非均勻變形、控制擠壓流動底鼓、強化圍巖承載結構”為核心的聯合支護方案[7]。黃琪嵩等分析巖性對底板應力狀態及其破壞特征的影響[8]；丁國峰等分析回采巷道頂板和兩幫強度對底板巖層穩定性的影響，認為加固頂板和兩幫有利于控制巷道底板變形[9]；孫曉明等利用壓桿穩定理論建立巷道底板的撓曲破壞機理[10]。

在巷道底板穩定性控制方面，王衛軍等根據底鼓機理提出通過加固兩幫和底角來控制巷道底鼓的方法[11]；何滿潮等基于深部軟巖巷道的非線性大變形破壞現象，討論巷道底鼓的錨網索耦合支護技術[12]；謝廣祥等研究采用注漿錨桿配合混凝土回填控制深部巷道底鼓技術[13]；張農等認為巷道底板應構建整體封閉式進行主動支護，并輔以結構補強[14]；劉泉聲等提出采用混凝土反底拱結合注漿、預應力錨索聯合加固軟巖巷道底板的方法[15]；侯朝炯等分析深部巷道底鼓“兩點三區”的變形特征，可以通過控制巷道頂幫來抑制底板的變形[16]。

在實際工程中，由于底板所處地質條件和力學環境的多樣性和復雜性，其變形機理及控制措施也不盡相同，從而導致底板支護參數確定依然具有很大的盲目性，造成支護效果不佳。以陜西彬長礦區某煤礦回風大巷為工程背景，在總結分析前人研究成果的基礎上，通過構建高地應力條件下巷道底板的隱形拱結構力學模型，分析底板拱結構的演化規律，提出底板最大破壞深度及其加固拱厚度的確定方法，為合理設計高地應力下巷道底板的錨固參數提供科學的理論依據。

1 巷道底板變形破壞力學機理

高地應力條件下，巷道開挖以后，圍巖應力重新分布，在兩幫形成支承壓力，巷道底板除受下部巖層向上的擠壓荷載，以及水平地應力作用外，還受幫部破裂區和極限平衡區支承壓力作用，在這些荷載共同作用下底板巖層將由上向下逐層發生剪切滑移破壞，上部巖體逐漸從水平擠壓狀態向上隆起變為局部拉應力狀態，實踐證明，巷道圍巖破壞到一定程度后即停止變形，能夠形成“隱形拱狀自穩結構”，使圍巖保持極限平衡狀態，并能長期穩定[17-18]，如圖1所示。

圖1 巷道底鼓示意Fig.1 Sketch of floor heave

巷道底板變形破壞形成的隱形拱把底板巖體分為受拉區和受壓區2部分，以拱軸線為界，在受拉區內，底板單元體中拉應力大于零，為潛在危害巖體；拉應力為零的應力單元連線形成隱形拱軸線，拱軸線處巖體只受沿拱軸線方向的壓應力；拱軸線以外巖體仍然處于三向應力狀態，為穩定區。文獻[19]的實測結果也驗證了這一點。

由于擴容作用，巷道底板受拉區的巖體體積增大，向上位移后形成底鼓。對于高地應力條件下的巷道，如果底板處于敞開不支護狀態，很難在淺部形成穩定的拱結構，導致巷道底板破壞不斷向深部發展，造成巷道嚴重底鼓。由此可見，巷道底鼓量大小主要取決于底板拱結構的位置。

2 不同側壓條件下巷道底板最大破壞深度

以巷道底板變形破壞過程中形成的自穩隱形拱為研究對象，由拱軸線的受力特征可知，拱軸線上所有點的彎矩及剪力均為零，只有軸向力的作用。根據對稱性取半拱結構建立力學模型如圖2所示[20]。

圖2 底板拱結構計算分析模型Fig.2 Calculation and analysis model of floor arch structure

圖2中，N1和N2分別為半拱結構所受軸力，qh和qv分別為半拱結構所受水平荷載和豎直荷載。取拱軸線AM進行分析，由該段拱軸線的靜力平衡條件可得

(1)

將式(1)化簡得

(2)

由式(2)可見，底板自穩隱形拱結構為中心在巷道底板中點的半橢圓。

3 基于隱形拱的巷道底板支護措施

3.1 高應力下底板支護機理

由以上分析可知，巷道劇烈底鼓的原因是底板不能在淺部形成穩定的拱結構，導致拱結構一再向深部發育。故巷道底板控制的出發點是阻止巷道底板拱結構向深部發育，或在淺部構建一個拱結構以抵抗巷道底板荷載，保證底板穩定。

和巷道頂幫支護類似，底板支護應首先最大限度利用圍巖的自承能力和自穩結構，故對于新掘進巷道，底板控制施工應緊跟掘進工作面，及時施加支護結構，改善底板巖層受力特征，減小圍巖強度損失，防止底板自穩隱形拱結構向深部發育。若此時底板巷道圍巖強度不能滿足要求，需通過注漿等人工補強方式形成穩定結構。對于已經發生嚴重底鼓的巷道，在清理底板至設計巷道斷面后，就需要采用更加有效的手段來增加底板已破壞巖體的峰后殘余強度，并配合高預應力錨桿(索)等措施使其形成穩定結構。

阻止巷道底板拱結構向深部發育的主要方法是增加巷道底板巖體強度，改善巷道底板巖體受力特征。具體可采用注漿加固的方式增加底板巷道圍巖強度，采用預應力錨桿(索)方式改善底板巷道圍巖受力特征。如圖3所示，可通過高預應力錨桿(索)配合底板注漿的方式在巷道底板構建一個擠密加固拱結構來抵抗底板荷載，以達到預防底鼓的目的。

圖3 巷道底板拱結構支護機理示意Fig.3 Supporting mechanism of laneway floor arch structure

3.2 擠密加固拱有效跨度的確定

為保證所構建底板拱結構穩定，將拱腳作用在巷道幫部穩定巖體上，故擠密加固拱的跨度取巷道跨度加兩幫極限破壞厚度。有效跨度L可表示為

L=l+2x0

(3)

式中L為底板擬構建擠密加固拱的跨度，m；l為巷道寬度，m；x0為巷道幫部極限平衡區寬度，m。

由文獻[21]可知，巷道幫部極限平衡區寬度為

(4)

式中h為巷道高度，m；λ為側壓力系數；k為應力集中系數；H為巷道埋深，m；Px為煤幫支護阻力，MPa。

此外，為防止幫部破裂區寬度增大后影響拱腳穩定，應加強巷道幫部支護，保證幫部破裂區不再向深部發育，破裂區寬度為[22]

(5)

式中φu和φd分別為巷道頂底板與煤幫上下界面的摩擦角，(°)，其他符號意義同前。

3.3 底板擠密加固拱厚度的確定

所構建底板擠密加固拱拱軸線取巷道自穩隱形拱軸線，拱軸線各截面只受沿拱軸線方向的壓應力，故可以根據底板巖石抗壓強度來確定擠密加固拱的厚度，拱軸線上任一點受力如圖4所示。

圖4 擠密加固拱受力模型Fig.4 Stress model of arch strengthened by compaction

由于軸線上任意一點M(x，y)處的水平分力Hi和豎向分力Vi分別為

(6)

故拱軸線上任意一點的軸力為

(7)

假設在擠密加固拱處一定厚度范圍內只受軸向壓力，則該拱的受力模型就可以簡化為單向軸壓破壞。根據摩爾-庫侖強度理論可知

(8)

式中σc，c，φ分別為底板巖體注漿改善后的單軸抗壓強度、黏聚力和內摩擦角。

由式(7)和式(8)可得巷道底板擠密加固拱要保持穩定的極限最小拱圈厚度為

(9)

將式(6)代入式(9)得

(10)

由式(10)可以看出，當底板巖性參數和所受荷載一定時，極限拱圈厚度是變量(x，y)的函數，即極限拱圈厚度在拱軸線各處均不同，并呈現一定規律分布。在實際施工中，要構建厚度不等且呈一定規律變化的底板拱結構難度較大，故取最大極限拱圈厚度作為底板擠密加固拱厚度。

(11)

(12)

比較式(11)和式(12)可知，當qh

當qh>qv，同理可求得擠密加固拱在長軸和短軸處極限拱圈厚度分別為

(13)

(14)

比較式(13)和式(14)可知，當qh>qv，擠密加固拱極限拱圈厚度同樣在短軸處較大。

由以上分析可知，擠密加固拱極限拱圈厚度最大值始終位于短軸頂點處，故取式(12)和式(14)確定底板擠密加固拱厚度。

4 工程驗證

陜西彬長礦區某礦二采區回風大巷平均埋深620 m，斷面尺寸為4 m×3.2 m(寬×高)。巷道開挖后，由于水平構造應力較大，且底板除采用混凝土鋪底外，沒有采取其他支護措施，巷道圍巖出現了較大變形，底鼓現象尤為嚴重，如圖5所示。

圖5 彬長某礦二采區回風大巷底鼓現狀Fig.5 Present status of floor heave in air return laneway in the second mining area of Binchang mine

現場清理底板至設計斷面后，擬在底板構建拱結構治理巷道底鼓，并采用上述理論確定底板錨桿(索)的支護參數。對巷道清理底板過程中產生巖石進行現場取樣，并通過實驗室實測，得到底板巖體物理力學參數見表1。

表1 底板巖體計算參數取值

4.1 巷道幫部極限平衡區寬度的確定

將表1參數代入式(4)可得巷道幫部極限平衡區寬度為

x0=

(15)

將表1參數代入式(5)得煤幫破碎區寬度為

Ls=

(16)

由式(3)可知，底板擠密加固拱有效跨度為

L=4+2×4.2=12.4 m

(17)

4.2 底板擠密加固拱半軸的確定

由第2節可知，底板極限隱形拱為豎直方向的半橢圓，其長半軸為

(18)

同理可得短半軸為

(19)

4.3 擠密加固拱參數的確定

設計底板拱結構厚度取擠密加固拱極限拱圈最大厚度，由3.3節可知，在短軸頂點處極限拱圈厚度最大，由式(12)可得

(20)

設單根錨索施加的預應力值P=180 kN，加固巖體變形模量E=8.4 GPa。由文獻[23]可知，單根錨索最大加固半徑為

(21)

為簡化計算，把錨索作用范圍在垂直平面上的剖面視為菱形。疊加擠壓區按最大拱圈厚度計，根據幾何關系可得錨索間距S為

(22)

式中La為所用錨索錨固段中點到孔口距離，m，全長錨固錨索取錨固段全長，選取錨索長度為5 m，La取4.7 m，將式(20)和式(21)代入(22)可得錨索間距為

(23)

根據以上計算可知，使用預應力為180 kN，長度為5 m的全長錨固錨索，當錨索間距小于1.66 m時即可形成厚度大于1.18 m的擠密加固區，如圖6所示。

圖6 底板加固拱計算模型Fig.6 Calculation model of arch strengthened by laneway floor

根據現場情況，基于“治底先治幫”的思路，為防止幫部2.2m破碎區向深部發育，首先在巷道煤幫部施工長度為2.5 m的預應力錨桿。底板采用“底板注漿+錨索+鋼筋網片+W鋼帶”聯合支護。考慮到底板已經發生過大變形，故首先在底板淺層施工短鉆孔，預注漿，封閉底板表層裂隙，然后施工錨索孔。

根據錨索間距小于1.66 m的要求，并結合現場實際情況，設計底板錨索4根，其中巷道中間布置豎直向下錨索2根，間距1.4 m，兩幫靠底角位置分別布置向外傾斜30°的錨索各一根，間距均為1.3 m，如圖7所示。錨索孔施工完畢，安裝錨索鋼絞線后，利用錨索孔對底板進行高壓注漿，最后再配合鋼筋網片和W鋼帶完成錨索安裝，帶漿液凝固后，進行錨索張拉，保證每根錨索預應力大于180 kN。

圖7 二采區回風大巷底板支護優化示意Fig.7 Floor support optimization of air return laneway in the second mining area

新支護方案實施后，依據礦壓監測要求，在巷道布置了2個間隔15 m的圍巖變形監測斷面，采用十字布點法分別在巷道頂底板和兩幫布置表面圍巖監測點。根據近3個月的礦壓監測數據分析，2個斷面監測所得數據接近，兩幫移近量平均為92 mm，頂板下沉量和底鼓量均較小，頂板下沉量平均僅為23 mm，底鼓量平均僅為51 m m，且圍巖變形主要發生在施工完成后的35 d內，35 d以后巷道圍巖已基本穩定。可以看出，采用該方法有效控制了巷道底鼓。

5 結 論

1)高應力條件下巷道底板變形破壞實質為底板隱形拱結構逐步向深部發育的過程，底板隱形拱的形態與底板巖層所受水平側壓力和兩幫支承壓力相關。

2)通過錨索(桿)支護、注漿等方法，在巷道底板中形成一定厚度的擠密加固拱，可顯著改善底板巖體受力特征，阻止底板拱結構向深部發育，達到改善巷道底板穩定性的目的。

3)將上述理論應用于彬長礦區某礦回風大巷底板加固，現場測試治理段巷道平均底鼓量僅為51 mm，35 d以后巷道圍巖已基本穩定，表明巷道底板變形得到了有效控制，底鼓治理效果顯著。