巷道非对称底鼓的力学解析.doc

1、1巷道非对称底鼓的力学解析摘要：探讨深部开采条件下非对称底鼓现象的影响因素和形成机制，为巷道底鼓的防治提供理论依据。根据郎肯土压力理论，建立了非对称底鼓的力学模型及分析计算简图，得到了 4 种非对称底鼓的破坏形式，导出了巷道底压的计算公式。通过给定部分参数，得到了极限破坏深度、底压、底压偏移角分别与松散岩体折算摩擦角和巷道宽度的关系。研究表明，岩性较差或者较为破碎的围岩以及宽度较大的巷道受非对称荷载比值的影响较大，且巷道底压会有一定的偏转。研究结果对于控制深井非对称底鼓有一定的参考作用。最后介绍了 1 个防治巷道底鼓的实例。 关键词：深部开采；巷道底鼓；非对称；力学解析 中图分类号：TD327

2、.3 文献标志码：A WT文章编号：1672-1098（2012）04-0038-06 作者简介：高明中（1957-） ，男，安徽淮南人，教授，硕士，主要从事矿山压力和岩体移动方面的研究。 随着我国煤矿开采深度的不断加大，开采强度的增加和无煤柱开采的大量使用，加之部分矿井资源枯竭开始回收边角煤柱，导致巷道围岩应力恶化，巷道底鼓现象日趋普遍，严重影响了此类巷道的运输和正常使用。在两帮压模效应、原岩应力、采动支承应力、水及底板岩性等单个或多个因素综合影响下，底板岩层向巷道内压曲、扩容、膨胀，形成底鼓。巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态各不相同，底鼓2的方式及其机理也有所不同，一般可分为以下

3、 4 类：挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、剪切错动性底鼓及膨胀性底鼓1。依巷道与回采工作面的空间位置关系，采动巷道可分为实体煤巷道、煤柱巷道、沿空巷道，而在相同条件下，煤柱巷道的底鼓最严重2，维护难度最大。因此，针对回采巷道的挤压流动性底鼓机理进行深入研究，寻求经济有效的控制技术，对巷道底鼓的控制具有一定的参考价值。 1 巷道底板应力的分布 巷道底鼓不但与巷道围岩的物理力学性质有关，而且和围岩的应力分布有关，特别是底板岩层的应力分布有关。采空侧巷道底鼓比相同条件下的实体煤巷道的底鼓量要大得多，而且巷道底鼓呈现不对称性。这些差异是由于巷道的应力重新分布的特殊性造成的。对于挤压流动性底鼓，将围岩视

4、为松散体，即忽略底板岩层的内聚力，可以引入郎肯土压力理论3来解释软岩巷道底鼓的原因。 为了便于计算，假设巷道底板两侧在均布荷载 p 和 q 的作用下发生破坏，巷道底板两侧的应力分布如图 1 所示。 2 巷道非对称底鼓力学解析 先取巷道右侧底板进行分析，底板岩体在均布荷载 q 的作用下，CIJ区域岩体处于主动塑性压力状态，而 MCJ 区域岩体处于被动塑性压力状态，当 MCJ 区域岩体达到了被动塑性压力状态，会产生向上的底板围岩压力，当其超过了岩体的极限强度时，就会导致底板 MC 范围的破坏，向上隆起或者挤入巷道，造成底鼓（见图 2） 。 在 J 点以上的 CJ 范围内，因为 ap，底板岩体处于塑

5、性状态；3在 J 点以下，a1 时，极限破坏深度为y1。 由图 5a 可知，y 与 的关系：从总体趋势上看，随着 的增大，极限破坏深度是在不断减小的，随着荷载比值的增大，相同的 所对应的破坏深度也是不断增大的。 由图 5b 可知，P0 与 的关系：从变化趋势上来看，基本同破坏深4度与 的关系一致。但是当 较小时，底压是随 的减小而增大的幅度非常剧烈，底压的比值最大可以达到 10 倍以上，可见在岩体较为破碎的时候，如果不能及时有效的支护，随着岩体的进一步破坏，底压会急剧增大，从而造成难以控制的剧烈底鼓。 由图 5c 可知， 与 的关系：两侧荷载相同时， 为 0，底压方向是垂直与巷道底板向上的，不

6、会受 的影响；当荷载不同时， 会使得 增大，随着荷载比值的增大，相同的 所对应的 是不断增大的，只是增加的幅度有所减小。 2）根据现场实际情况，巷道宽度 b 的范围取 26m，分别给定下述参数的值：=40，h=1.6m，=25kN/m3，n 依然取如上所述的 2 个值，则可以分别得到 y 与 b，P0 与 b，以及 与 b 的关系（见图 6） 。 由图 6a 可知，y 与 b 的关系：随着 b 的增大，极限破坏深度是在不断增大的，随着荷载比值的增大，相同的巷道宽度所对应的破坏深度也是不断增大的。 由图 6b 可知，P0 与 b 的关系：两侧荷载相同时，随着 b 的增大，底压变化略有增大；两侧荷

7、载不同时，随着 b 的增大，底压越来越大，同时，荷载比值的增大，使得同等宽度下的巷道的底压变得更大，在宽度较大的情况下，增长的幅度相对于宽度较小时是非常大的。 由图 6c 可知， 与 b 的关系：巷道宽度的变化，并不会改变底压的偏移角，而两侧荷载不同才会影响 ，荷载比值的越大， 越大，但是相对于荷载比值增大的幅度， 增大的幅度减缓了。 4 非对称底鼓控制对策及应用效果 51）非对称底鼓的控制方法4-6。从力学模型中可以看出，为了减小底压，减轻底鼓的程度，应通过以下 4 个途径：一是加固巷道肩、帮部这样的关键部位，改善巷道围岩结构的力学性能，减小帮部荷载；二是主动控制底鼓，即采用足够长的扎脚锚杆

8、或者锚索穿透巷道底板破坏的主动区，并固结在稳定岩层中，不仅可以阻碍底板两侧载荷向下传递以及主动破坏区向下挤压移动，同时相当于增大了内摩擦角 ，减小了主动压力，从而降低底压，减轻巷道底鼓的程度；三是被动控制底鼓，即采用足够长的底板锚杆，将底板松散岩体固结在稳定岩层中，阻碍被动区向上运动，增大被动区的 ，减小滑块的有效滑动力，从而减小和平衡底压；四是固结松散岩体，即注浆加固巷道围岩，实际是也就是增大了围岩的 。 2）非对称底鼓的控制对策。某矿第一水平大巷垂深 830m，由于煤层埋藏较深、地质构造的影响以及巷道布置方面的原因，造成围岩松软破碎，风化或遇水泥化现象严重，巷道维护难度很大。 2009 年

9、施工以来，由于其附近综采工作面开采，虽然留设了 80m 的保护煤柱，但是巷道还是发生严重的非对称底鼓破坏，相对底鼓量可达0.71.5m。其主要破坏形式为下肩顶板开裂、帮部鼓出、上帮底板鼓出变形较下帮严重。 在修复设计中，除了采用了以上述控制方法为基础的组合式支护措施，结合现场实际施工情况，针对不对称底鼓，采用了不对称的支护形式（见图 7） 。 3）支护效果。根据修复后 3 个月的连续监测数据，两帮累积移近量80mm，顶底板累积移近量 65mm，最大底鼓量 50mm，收敛面积 0.82m?，收6敛率为 6.61%，支护有效的控制了围岩变形速率和变形量。 5 主要结论 1）松散岩层的折算摩擦角，即

10、岩石的岩性及破碎程度对于巷道的稳定极为重要。总的来说，折算摩擦角越大，即岩性较好或者围岩较完整时，极限破坏深度和底压都较小，受非对称荷载的影响也不会过大。但是如果巷道围岩的岩性较差或者非常破碎，在受非对称荷载影响时，底压值会增大的非常剧烈。 2）对称荷载作用下，底压的方向是垂直于巷道底板向上的。不对称荷载作用下，底压偏移的角度主要和松散岩层的折算摩擦角动压影响有关系，随着他们的增大而不断偏向受采动的巷道一侧。 3）随着巷道底板宽度的增大，会使得极限破坏深度和底压都增大。不对称荷载作用下，相对于宽度较小的巷道，宽度较大的巷道底压增加的幅度非常大。 4）岩性较差或者较为破碎的围岩，巷道宽度较大的巷

11、道，它们受荷载比值的影响非常大，底压增大幅度较大，会造成剧烈的底鼓。 5）从理论上来说，为了控制底鼓，应从其源头入手，综合采用下述手段：加固肩部，提高围岩强度和整体性，降低荷载大小；补打扎脚锚索，斩断荷载传递的路径；底板锚杆加固，阻碍被动区运动；注浆固结松散岩体。在底鼓程度较严重时，可以适当采取不对称支护方式，补强荷载大的一侧。 参考文献： 1陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制M.徐州：中国矿业大7学出版社，1994：463-473. 2柏建彪，李文峰，王襄禹，等.采动巷道底鼓机理与控制技术J.采矿与安全工程学报，2011，28（1）：1-5. 3陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学M.北京：清华大学出版社，1994：114-115. 4高明中.巷道压曲性底臌的机理与控制J.安徽理工大学学报：自然科学版，2008，28（1）：20-24. 5姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等.深部开采中巷道底鼓问题的研究J.岩石力学与工程学报，2004，23（14）：2396-2401. 6李开学，王宏图，刘正海.巷道底鼓理论与防治技术J.矿业安全与环保，2008，35（3）：86-88. （责任编辑：何学华，吴晓红）