大斷面巖巷底鼓機理分析與控制技術研究

李寶龍

（山西宏廈第一建設有限責任公司 ，山西 陽泉 045008）

0 引 言

底鼓是深部巷道經常發生的現象之一，據有關現場調查表明，我國煤礦開采在底板無支護的情況下，底鼓占巷道頂底板的移近量的2/3～3/4，巷道底鼓的維修量占維修總量的50%[1]。國內外學者對巷道底鼓原理以及控制技術方面進行了大量的研究，如姜耀東、趙毅鑫等[2]認為對于深部軟巖和中硬巖石巷道發生的為撓曲褶皺型底鼓，這種底鼓的機理是底板巖層在平行于層理方向的壓力即底板水平應力的作用下向臨空方向撓曲褶皺失穩，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、巖石擴容引起的底鼓、巖石膨脹引起的底鼓，三種類型的底鼓類型分別適用與不同巖性的底板；陳宗基、李國富等[4,5]通過對復雜條件下軟巖巷道圍巖的變形進行研究分析，得出影響巷道頂底板穩定性的主要因素為水平構造應力，并同時建立了力學模型分析了頂底板的應力分布特征。本文只要對大斷面巖巷底鼓機理進行分析，并針對+540m電機車輔助運輸大巷底鼓問題提出三種治理辦法，通過數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，并實際運用于電機車輔助運輸大巷取得良好工程效果。

1 巷道底鼓機理及底板穩定性分析

1.1 巷道底鼓機理分析

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巖層的穩定性及位移。

圖1 巷道底板分層

在巖體內開掘巷道后，巷道圍巖會出現應力重新分布，巷道底板巖層將承受支承壓力傳遞下來的軸向壓力N的作用，同時在軸向壓力的作用下會在梁的各截面上產生分布彎矩Wn會進一步加劇底板巖層彎曲變形，當巖層承受的軸向壓力超過其極限強度時巖層便會失穩，底板巖層破壞力學模型如圖2所示。

圖2 底板巖層破壞力學模型

底板巖層在軸向力N和重力q的作用下會產生彎曲變形，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。對上式進行整理變形，并令 k=N/EI，則有：

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

以上對m1巖層的穩定性及壓曲位移進行了分析，運用同樣的方法能對其余巖層進行分析計算。底板底鼓主要時因為底板各巖層相繼失穩破壞所導致，即當m1巖層達到極限強度失穩破壞后，在兩幫巖體的擠壓下會向巷道內彎曲變形，對于其余巖層的破壞特征與m1巖層相似，底板會在支承壓力作用下一直破壞到穩定巖層才會穩定[6]。

1.2 巷道底板穩定性分析

根據上述推導得出的底板巖層失穩破壞臨界軸向力Ncr的計算表達式，假設底板巖層的側壓系數為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，故當底板巖層受到的最大水平力N≥Ncr時，巖層便會發生失穩破壞，表達式如下：

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

2 巷道底鼓控制技術模擬分析

2.1 工程概況與計算模型

+540m水平電機車輔助運輸大巷平均埋深為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的砂質泥巖，該巷道底板巖層有泥巖、細粒砂巖、煤、砂質泥巖，該巷道在掘進過程中出現底鼓現象，平均頂底板移近量為0.48m。根據生產地質資料，建立計算模型，模型中各巖層的物理力學參數見表1。

表1 巷道圍巖計算力學參數

巷道支護參數為：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，，錨索預緊力為200kN，錨桿錨固力為70kN。根據上述條件進行模擬分析巷道底板在無支護狀態下圍巖Z位移云圖如圖3所示。

圖3 底板未支護時Z方向的位移

通過對底鼓機理的分析能夠得出引起巷道底鼓的主要原因為底板巖性較弱，在支承壓力作用下底板軟弱巖層擠壓流動到巷道內部，故現有控制底鼓的方法主要為三種：底板錨桿、錨索加固，巷道中部開設卸壓槽，卸壓槽和注漿錨索聯合支護。下面分別通過這三種方式對底板進行處理后進行出圖分析。

1）通過在巷道底板與左幫、右幫距離0.5m的位置處與垂直方向成30°打設長為2.4m的錨桿，底板錨桿的排距為0.8m，對底板運用錨桿進行加固支護后，巷道圍巖在Z方向的位移云圖如圖4所示。

圖4 底角錨桿支護后圍巖Z方向位移云圖

2）通過在巷道中部切深度為2.0m，寬度為0.5m的卸壓槽方案對巷道底鼓現象進行治理時，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）為了加強治理巷道底鼓的效果，對底板采用卸壓槽+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卸壓槽的基礎上配合底板注漿錨索對巷道底板進行加固。底板錨索距幫部1m，垂直于底板進行打設，間排距為4000×1600mm。采用聯合支護方案后巷道圍巖Z方向的位移云圖如圖6所示。

圖6 聯合支護后巷道圍巖Z方向的位移云圖

通過對三種方案處理巷道底鼓問題進行數值模擬，能夠得出底板錨桿在固定到泥巖時并不能很好的控制底鼓現象；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，但會使得巷道破壞深度及破壞區域增大；采用聯合支護法時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域減小、卸壓槽的閉合程度減弱。

3 大斷面底鼓控制技術實踐

3.1 巷道底鼓控制方案

針對+540m電機車輔助運輸大巷在掘進過程中遇到的底鼓問題，根據上述數值模擬的結果，采用的方案為在原有支護的基礎上配合底板切卸壓槽+注漿錨索來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，采用聯合支護后的巷道斷面圖如圖7所示。

圖7 聯合支護法巷道斷面示意圖

3.2 工業性試驗效果

在+540m電機車輔助運輸大巷未采用聯合支護方案時巷道頂底板的移近量為0.48m，兩幫移近量為0.31m；在采用了卸壓槽+注漿錨索聯合支護方案后，頂底板變形在15天左右后趨于穩定，巷道的頂底板移近量僅為0.04m，兩幫變形量在18天后趨于穩定，兩幫移近量為0.02m，這說明采用卸壓槽+注漿錨索對巷道底板進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題。

4 結 論

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

2）通過對三種治理底鼓的方法進行數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+540m電機車輔助運輸大巷底鼓問題，采用卸壓槽+注漿錨索方案控制底鼓，該方案實施后兩幫移近量約為0.02m，頂底板移近量為0.04m，圍巖控制效果顯著。