深部軟巖巷道底板變形機理及控制技術研究

和杰

霍州煤電集團有限責任公司 山西 霍州 031350

隨著礦井采掘深度不斷延伸，在開采深部煤層時巷道底鼓問題嚴重，巷道嚴重失穩(wěn)，威脅礦井安全生產。開展軟巖巷道底鼓的破壞機理分析和控制技術研究非常重要，為此諸多學者開展研究，鄭文翔等[1]提出采用錨桿聯合混凝土反拱的聯合支護技術控制巷道底鼓問題，效果顯著。本文以三交河礦10-207工作面為背景，提出錨桿—混凝土反拱耦合控制底鼓技術，實踐監(jiān)測結果表明有效控制巷道底鼓變形。

1 礦井概況及巷道底鼓破壞分析

三交河礦10-207工作面平均埋深為560m，煤層平均厚度為2.85m，平均傾角3.6°，其東側、西側、北側均為實體煤，南側為下組煤運輸巷，該工作面沿煤層頂板破底掘進，設計長度為1350 m。工作面直接頂為1.28m粉砂巖；直接底為2.0m的泥巖，基本底為1.95m的粉砂巖。由于直接底為泥巖，遇水易軟化，導致巷道失穩(wěn)。

2 軟巖巷道底板破壞結構分析

軟巖巷道掘進時受采掘擾動影響，巷道圍巖應力分布發(fā)生改變，巷道兩幫內圍巖出現應力集中，并作用于底板巖層，底板兩端巖層內應力急劇升高。由于軟巖巷道底板強度較小，當兩幫水平擠壓應力超過臨界應力時，巷道底板向臨空面彎曲，產生底鼓。

在支承壓力作用下巷道底角發(fā)生破壞，底板可沿水平方向移動且底角兩端可自由轉動。故將寬度為L的巷道層狀底板看作長度為L、高度為H、寬度為H 的兩端鉸支的壓桿。底板可看成由這些桿件連接而成的板，因此僅研究其中一個桿件就可得知底板整體變化量。當水平應力超過臨界應力時，底板向臨空面彎曲，底板水平位移可簡化為桿件水平位移Δ，底板最大底鼓量可簡化為桿件中點的最大撓度δ。底板結構力學模型如圖1所示。

圖1 底板結構力學模型

2.1 臨界應力的確定

利用材料力學中的相當長度法可知，對于各種約束條件的理想壓桿，其臨界應力的歐拉公式統(tǒng)一形式為：

壓桿材料的比例極限小于強度極限，即壓桿產生失穩(wěn)破壞，其次發(fā)生強度破壞。比例極限σp指材料發(fā)生彈性形變時，應力與應變成線性關系時的最大應力值。故壓桿失穩(wěn)的臨界應力應滿足壓桿失穩(wěn)的條件：

式中：σcr—臨界應力，MPa；E—彈性模量，MPa；I—慣性矩，m4；μ—長度因數；L—壓桿長度，m；i—慣性半徑，m；A—斷面面積，m2；λ—壓桿柔度，σp—比例極限，MPa；λp—臨界柔度。故式（4）作為壓桿穩(wěn)定性判別依據，λp由材料的本身性質決定，當計算材料撓度λ≥λp時，壓桿會失穩(wěn)產生變形，產生底鼓，當時λ＜λp底板不會產生底鼓。此時，可通過式（3）計算出臨界應力σcr，當σ＞σcr時，巖石發(fā)生彈性變形，導致產生底鼓。

2.3 理論計算

為掌握巷道圍巖地應力分布基本規(guī)律，選取工作面回風巷布置三個測點，采用鉆孔套芯應力解除法進行了原巖應力測試，其中大孔深：9.0～10.0 m，孔徑φ108 mm，小孔深：30～35 cm，孔徑φ38 mm，仰角：20°～30°，方位角：0°，綜合分析三個測點的數據可知其應力σ=7.7 MPa。

結合地質資料可知，底板巖石彈性模量E=4 GPa，σp=13.3 MPa，根據材料力學可知兩端鉸支壓桿的長度因數μ=1，假設底板會發(fā)生底鼓，則根據壓桿穩(wěn)定條件，底板壓桿柔度，由歐拉公式可知其臨界力：故假設成立，即在水平應力為4.0MPa條件下會發(fā)生底鼓。底板水平壓桿厚度H=0.19 m，故F=σH2=277.9kN，慣性矩I=H4/12=1.086×10-7m4，L=4.2 m，根據公式可知最大底鼓量δ=0.59 m。

3 模擬試驗分析

3.1 試驗方案設計

為模擬巷道底板變形破壞機理，采用2100 mm×1800 mm×350 mm 三維模型架進行加載試驗，模擬材料的骨料為河沙，膠結材料為大白粉和石膏，將以上材料與水按8∶3∶7比例配制。并用φ2 mm的鐵釬模擬錨桿（索），頂板錨桿長度235mm，幫部錨桿長度220 mm，錨索長度350 mm，托盤采用1mm厚塑料板。用2mm×2mm的細鋼絲網做錨網，頂板每排布置5根錨桿、4根錨索，兩幫布置8根錨桿。并在巷道底板布置3個百分表動態(tài)監(jiān)測底板變形收斂量，分析底板變形機理。

3.2 幫部破壞及裂隙分布規(guī)律

當應力加載至3.13MPa時，巷道兩側形成應力集中區(qū)，通過兩幫傳遞至底板，在底角處形成剪應力區(qū)。由于巷道底板泥巖厚度大、弱膠結、分層薄等特點，當超過抗剪強度時，易產生剪切破壞，底板剪切裂隙距離巷道兩幫0.8m，發(fā)育角度約45°。即失去垂直向上的承載能力，隨著圍巖應力的增大，剪切斷裂易沿巷幫圍巖內部向上發(fā)育，最大破壞深度約0.9m。

3.3 底板破壞過程及裂隙分布規(guī)律

在模型巷道底板從左至右分別布置三個測點，監(jiān)測底鼓量變化，當加載應力小于4.35MPa時，底板變形較小，底鼓量小于11.26cm，底板中部表面底鼓量約等于兩底角的底鼓量。當應力加載大于4.35 MPa時，底鼓速率快速增加，底鼓量為32.26cm，兩底角底鼓量平均為19.15cm，其主要原因是在壓、拉剪應力耦合作用所導致的。當應力加載至6.50 MPa時，底板垂向1.2m范圍內的巖層出現不同程度的向上變形，淺部巖層破裂嚴重，縱向裂隙與水平離層裂隙相互貫通，中部巖層離層現象更加明顯，拉伸裂隙向深部延伸。此時巷道底鼓量最大達到0.52m，與公式計算得出底鼓量為δ=0.59m，基本接近。

4 工程應用

根據理論與模擬分析，巷道底鼓主要是由于底板圍巖力學性質及應力的集中所造成。采用錨桿與混凝土支護底板，錨桿使直接底與基本底組合為整體，使其共同承載、協同變形以抵抗集中應力對圍巖的破壞，提高混凝土結構與圍巖的承載能力，共同阻止底板的變形，達到防治底鼓的目的。

4.1 支護參數設計

設計的錨桿-混凝土反拱耦合技術，底板采用C20混凝土材料，厚度為0.3 m，同時根據混凝土厚度和塑性破壞深度（相似模擬結果為1.2m），綜合確定底板錨桿長度為2.4m，施加預緊力不小于80kN。

4.2 應用分析

為驗證支護設計合理性，在回風巷內選取一段作為試驗段，并進行為期32d的巷道底板表面位移監(jiān)測，對比支護前后底鼓量變化情況。底鼓量監(jiān)測如圖2所示。

圖2 底鼓量監(jiān)測

由上圖可知，在支護后5d內監(jiān)測發(fā)現底板收斂速率較慢，最大達3.0mm/d；在5～16d內變形速率加快，達到10.1mm/d左右。隨著時間延長其收斂速率明顯降低，16d后，底鼓平均速率小于1.7mm/d，最大底鼓量為135mm，較未支護時減少了75%，證明方案可行性。

5 結論

（1）對于膠結程度低軟巖巷道底板，其抗彎剛度小，巷道開掘后，受支承壓力及采掘擾動影響，巷道兩底角發(fā)生漸進破壞，當兩幫水平擠壓力超過臨界應力時易發(fā)生底鼓。

（2）模擬研究表明：當加載應力大于4.35MPa時，底鼓速率增加，底板中部底鼓量明顯大于兩底角的底鼓量，底板垂向1.2m范圍內的巖層出現不同程度的向上變形，淺部巖層破裂嚴重，縱向裂隙與水平離層裂隙相互貫通，中部巖層離層現象明顯。當加載應力為6.50MPa時，最大底鼓量為0.52m，控制效果顯著。