大断面岩巷底鼓机理分析与控制技术研究

李宝龙

（山西宏厦第一建设有限责任公司 ，山西 阳泉 045008）

0 引 言

底鼓是深部巷道经常发生的现象之一，据有关现场调查表明，我国煤矿开采在底板无支护的情况下，底鼓占巷道顶底板的移近量的2/3～3/4，巷道底鼓的维修量占维修总量的50%[1]。国内外学者对巷道底鼓原理以及控制技术方面进行了大量的研究，如姜耀东、赵毅鑫等[2]认为对于深部软岩和中硬岩石巷道发生的为挠曲褶皱型底鼓，这种底鼓的机理是底板岩层在平行于层理方向的压力即底板水平应力的作用下向临空方向挠曲褶皱失稳，从而致使巷道底鼓；康红普院士[3]把巷道的底鼓分为：两帮挤压引起的底鼓、岩石扩容引起的底鼓、岩石膨胀引起的底鼓，三种类型的底鼓类型分别适用与不同岩性的底板；陈宗基、李国富等[4,5]通过对复杂条件下软岩巷道围岩的变形进行研究分析，得出影响巷道顶底板稳定性的主要因素为水平构造应力，并同时建立了力学模型分析了顶底板的应力分布特征。本文只要对大断面岩巷底鼓机理进行分析，并针对+540m电机车辅助运输大巷底鼓问题提出三种治理办法，通过数值模拟分析比较效果，得出卸压槽+注浆锚索控制底板效果最好，并实际运用于电机车辅助运输大巷取得良好工程效果。

1 巷道底鼓机理及底板稳定性分析

1.1 巷道底鼓机理分析

在煤矿巷道中，底板岩层以层状赋存为主，如图1所示，底板各岩层的稳定性及位移量是影响巷道底鼓的主要因素，首先分析m1岩层的稳定性及位移。

图1 巷道底板分层

在岩体内开掘巷道后，巷道围岩会出现应力重新分布，巷道底板岩层将承受支承压力传递下来的轴向压力N的作用，同时在轴向压力的作用下会在梁的各截面上产生分布弯矩Wn会进一步加剧底板岩层弯曲变形，当岩层承受的轴向压力超过其极限强度时岩层便会失稳，底板岩层破坏力学模型如图2所示。

图2 底板岩层破坏力学模型

底板岩层在轴向力N和重力q的作用下会产生弯曲变形，弯曲方程为：

式中：q=m1γ为巷道跨度；I为组合梁抗弯截面模量；m1为组合梁上部抗弯层厚度；W为弯曲变形量；E为抗剪层剪切模量。对上式进行整理变形，并令 k=N/EI，则有：

当sec kl/2→∞时，ωmax→∞，这时岩梁便会在轴压力N的作用下发生屈服破坏，即当kl/2=π/2+nπ(n=0，1，2L，L)时有梁发生失稳破坏的最小轴向力为

以上对m1岩层的稳定性及压曲位移进行了分析，运用同样的方法能对其余岩层进行分析计算。底板底鼓主要时因为底板各岩层相继失稳破坏所导致，即当m1岩层达到极限强度失稳破坏后，在两帮岩体的挤压下会向巷道内弯曲变形，对于其余岩层的破坏特征与m1岩层相似，底板会在支承压力作用下一直破坏到稳定岩层才会稳定[6]。

1.2 巷道底板稳定性分析

根据上述推导得出的底板岩层失稳破坏临界轴向力Ncr的计算表达式，假设底板岩层的侧压系数为λ，巷道围岩所受到的最大支承压力为K1γH，则能够得出底板岩层受到的水平力N=λK1γH，故当底板岩层受到的最大水平力N≥Ncr时，岩层便会发生失稳破坏，表达式如下：

由式（5）能够分析得出影响巷道底板岩层稳定性的因素主要为：岩层厚度、压力集中系数、跨度。由表达式能够得出岩层厚度m越大，岩层抵抗弯曲变形能力越强，越不容易变形失稳；随着巷道压力集中系数的增大，底板岩层所受到的轴向力N也会逐渐增大，这便会导致岩层更容易失稳破坏；在巷道埋深和围岩条件确定后，岩层跨度也会对岩层的稳定性产生明显影响，维护已掘巷道两帮煤（岩）体的稳定性，将围岩应力向深部转移能够有效的控制围岩变形。

2 巷道底鼓控制技术模拟分析

2.1 工程概况与计算模型

+540m水平电机车辅助运输大巷平均埋深为450m，巷道断面为直墙半圆拱形，净高度为5.5m，拱矢高为3m，净宽度为6m，该巷道直接顶为2.9m的砂质泥岩，该巷道底板岩层有泥岩、细粒砂岩、煤、砂质泥岩，该巷道在掘进过程中出现底鼓现象，平均顶底板移近量为0.48m。根据生产地质资料，建立计算模型，模型中各岩层的物理力学参数见表1。

表1 巷道围岩计算力学参数

巷道支护参数为：锚杆采用φ20×2400mm，间排距为800mm×800mm，锚索选用φ18.96mm×8300mm，间排距为1600mm×1600mm，，锚索预紧力为200kN，锚杆锚固力为70kN。根据上述条件进行模拟分析巷道底板在无支护状态下围岩Z位移云图如图3所示。

图3 底板未支护时Z方向的位移

通过对底鼓机理的分析能够得出引起巷道底鼓的主要原因为底板岩性较弱，在支承压力作用下底板软弱岩层挤压流动到巷道内部，故现有控制底鼓的方法主要为三种：底板锚杆、锚索加固，巷道中部开设卸压槽，卸压槽和注浆锚索联合支护。下面分别通过这三种方式对底板进行处理后进行出图分析。

1）通过在巷道底板与左帮、右帮距离0.5m的位置处与垂直方向成30°打设长为2.4m的锚杆，底板锚杆的排距为0.8m，对底板运用锚杆进行加固支护后，巷道围岩在Z方向的位移云图如图4所示。

图4 底角锚杆支护后围岩Z方向位移云图

2）通过在巷道中部切深度为2.0m，宽度为0.5m的卸压槽方案对巷道底鼓现象进行治理时，巷道围岩在Z方向上的位移云图如图5所示。

图5 巷道中部切卸压槽后围岩在Z方向的位移云图

3）为了加强治理巷道底鼓的效果，对底板采用卸压槽+注浆锚索的处理方案，该方案为在巷道中部切深度为2.0m，宽度为0.5m卸压槽的基础上配合底板注浆锚索对巷道底板进行加固。底板锚索距帮部1m，垂直于底板进行打设，间排距为4000×1600mm。采用联合支护方案后巷道围岩Z方向的位移云图如图6所示。

图6 联合支护后巷道围岩Z方向的位移云图

通过对三种方案处理巷道底鼓问题进行数值模拟，能够得出底板锚杆在固定到泥岩时并不能很好的控制底鼓现象；在巷道中部切宽为0.5m，深为2.0m的卸压槽能够减小巷道的底鼓量，但会使得巷道破坏深度及破坏区域增大；采用联合支护法时能够有效的控制巷道底鼓，并且能够使得巷道底板的破坏区域减小、卸压槽的闭合程度减弱。

3 大断面底鼓控制技术实践

3.1 巷道底鼓控制方案

针对+540m电机车辅助运输大巷在掘进过程中遇到的底鼓问题，根据上述数值模拟的结果，采用的方案为在原有支护的基础上配合底板切卸压槽+注浆锚索来控制底板的弯曲变形，底板注浆锚索距帮部的距离为1m，间排距为4000×1600mm，垂直于底板打设，采用联合支护后的巷道断面图如图7所示。

图7 联合支护法巷道断面示意图

3.2 工业性试验效果

在+540m电机车辅助运输大巷未采用联合支护方案时巷道顶底板的移近量为0.48m，两帮移近量为0.31m；在采用了卸压槽+注浆锚索联合支护方案后，顶底板变形在15天左右后趋于稳定，巷道的顶底板移近量仅为0.04m，两帮变形量在18天后趋于稳定，两帮移近量为0.02m，这说明采用卸压槽+注浆锚索对巷道底板进行处理后有效的控制了围岩变形，卸压槽+注浆锚索能够有效控制巷道底鼓问题。

4 结 论

1）通过建立巷道底板力学模型，分析计算得出底板岩层失稳破坏的挠度临界解析解及最小轴向力。

2）通过对三种治理底鼓的方法进行数值模拟得出使用卸压槽+注浆锚索控制巷道底鼓效果最好，能够有效的控制底板鼓起量、减小巷道底板的破坏。

3）针对+540m电机车辅助运输大巷底鼓问题，采用卸压槽+注浆锚索方案控制底鼓，该方案实施后两帮移近量约为0.02m，顶底板移近量为0.04m，围岩控制效果显著。