崔 健

(太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024)

國內(nèi)外專家學者對巷道底鼓機理及控制技術做過大量的研究，并取得了一定的成果，但是對于深部巷道底鼓問題研究較少，特別是受兩側(cè)掘進影響的巷道。一方面煤礦深部巷道底板巖層呈層狀分布且有明顯的軟巖特性，巷道開挖后，圍巖應力平衡結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生二次或多次應力重新分布，造成底板淺部巖層固有裂隙貫通形成破碎巖體；另一方面隨著相鄰巷道的掘進影響，對底板深部完整層狀巖層二次擠壓，形成了底鼓峰值位置不在底板中央的“擠壓-撓曲”復合底鼓的特殊現(xiàn)象，加之深部巷道受地下水影響明顯，使得底鼓機理更加復雜。正是由于現(xiàn)有理論不能全面細致地分析這類深部巷道復合底鼓機理，從而難以有效地控制底鼓量，不能保證巷道的正常使用，所以，繼續(xù)對這類非對稱條件深部巷道層狀底板“擠壓-撓曲”復合底鼓穩(wěn)定性研究很有必要。

1 工程概況

陽煤五礦皮帶運輸巷位于+211水平(地面標高+1 040 m)，巷道兩側(cè)為南軌道運輸巷和北軌道運輸巷，其空間布置位置見圖1。由于底板呈層狀分布，表層為強度較低的泥巖，深部為砂巖，巷道開挖后，圍巖應力重分布，底板表層巖層強度較低，受到支承壓力的影響最先折曲、破壞。隨著北軌道巷和南軌道巷的先后掘進，擠壓淺部由開挖造成的破碎巖體以及深部還處于完整層狀的巖體，產(chǎn)生了擠壓流動性和撓曲褶皺性的復合底鼓，同時底鼓峰值位置靠近一幫。

圖1 皮帶運輸巷的空間位置圖

2 非對稱條件下“擠壓-撓曲”復合底鼓機理分析

2.1 巷道兩幫傳遞機理

確定巷道圍巖結(jié)構(gòu)時，以關鍵層理論及上覆巖層砌體梁理論為基礎確定上邊界[1-3]。當巷道開挖后，圍巖應力重新分布，兩幫在支承壓力的作用下發(fā)生變形甚至破壞形成極限平衡區(qū)。由于兩幫的支承壓力近似對稱，在巷道斷面中心建立直角坐標系，分析巷道右斷面，見圖2。

圖2 一幫受力計算模型圖

由于兩幫松軟，泊松比也相對較大，而幫部與頂板、底板的交界面處內(nèi)聚力c0和內(nèi)摩擦角φ0比幫部巖體低，此時極限平衡區(qū)巖體趨向于從頂板、底板擠出。假設：極限平衡區(qū)與彈性區(qū)交界處滿足：

σy│x=x0=kγH，σx|x=x0=λkγH

(1)

式中：

k—應力集中系數(shù)；

γH—原巖應力；

λ—極限平衡區(qū)邊界側(cè)壓力系數(shù)。

縱向選取巷道單位長度的巖體作為研究對象，進而可以得到極限平衡區(qū)ABCD水平方向的合力：

P=mAkγH-mPi

(2)

式中：

m—幫部高度；

mPi—幫上由支架提供的水平支護力。

由于支承壓力和水平合力P的共同作用，使得極限平衡區(qū)內(nèi)巖體經(jīng)歷了彈性應變、塑性應變、蠕變應變。這里忽略蠕變應變，得到巖體變形位移S1為

S1=Se+Ss+Sd

(3)

式中：

Se—巖體的彈性位移；

Ss—巖體剪脹后與頂板、底板間的剪切位移；

Sd—巖體擴容引起的變形量。

2.2 底板最大破壞深度

底板破壞深度的計算，一般可采用土力學中地基計算方法，由塑性理論可知在底板上極限平衡區(qū)分為3個區(qū)，見圖3。

隨著支承壓力的持續(xù)增加，當超過底板主動區(qū)(Ⅰ區(qū))極限強度時，極限平衡區(qū)寬度內(nèi)的底板將在底腳處與巖體分離。主動區(qū)的巖體受到上方垂直壓力的作用而發(fā)生變形破壞，形成破碎區(qū)。同時，由于水平作用力的影響將巖體進一步擠壓到過渡區(qū)(Ⅱ區(qū))，并把應力傳遞于這一區(qū)域。過渡區(qū)繼續(xù)擠壓被動區(qū)(Ⅲ區(qū))，使得巖體在主動區(qū)支承壓力的影響下向巷道內(nèi)移動，并形成剪切滑移面，形成不同程度的底鼓。

圖3 底板中的極限平衡區(qū)圖

2.3 “擠壓-撓曲”復合底鼓模型

陽煤五礦皮帶運輸巷開挖后淺部底板受支承壓力影響，發(fā)生折曲、破碎；深部底板尚未發(fā)生破壞，巖層呈層狀分布。隨后經(jīng)歷了南北軌道巷的掘進影響，其中北軌道巷先掘進，在二次水平應力的作用下，淺部破碎巖體受擠壓發(fā)生擠壓流動性底鼓，深部完整層狀巖體發(fā)生撓曲褶皺性底鼓；隨后的南軌道巷掘進也會促使這類復合底鼓的產(chǎn)生，只是第二次影響更為激烈，其幫部應力包括了此次掘進產(chǎn)生的支承壓力及上次掘進后殘余的支承壓力，其力學環(huán)境見圖4。巷道底鼓模型見圖5，其中x01與x02分別為兩幫的極限平衡區(qū)長度。

k1—北軌道巷掘進支承壓力形成的高支承壓力區(qū)應力集中系數(shù) γ—上覆巖層平均容重，N/m3 k2—南軌道巷掘進支承壓力和殘余支承壓力疊加形成的高支承壓力集中系數(shù)

圖5 巷道底鼓模型

3 深埋巷道底鼓相似材料模擬實驗

3.1 模型相似常數(shù)和基本參數(shù)

根據(jù)原型尺寸和模型實驗條件，確定了幾何相似比為CL=1∶20，容重比為Cr=1∶1.25，則其應力比為Cσ=CL·Cγ=1∶25。因此，σv、σh、σc、σt及E的相似常數(shù)也均為25。實際圍巖區(qū)域為20 m×20 m×4 m,巷道斷面為5 m×3.5 m,模型中斷面大小為25 cm×17.5 cm。模型模擬了埋深800 m的巷道，巷道的原巖垂直應力為20 MPa，水平應力為10 MPa，而模型中的垂直應力和水平應力分別為0.8 MPa、0.4 MPa，對應的相似材料見表1。

實驗加載方案：1)用預先設定好的木條制成矩形巷道形狀，按照設計的相似配比配制材料，裝入模擬架，并將壓力加到預定值，放置1周左右，使得模型固化完全后，打開巷道窗口。2)當加載應力小于巷道圍巖的原巖應力時(σ<0.8 MPa)，采用水平應力和垂直應力同時加載的方式。3)當加載應力大于原巖應力且小于3倍原巖應力時(0.8 MPa<σ<2.5 MPa)，水平應力按照垂直應力的0.5倍加載，過程采用先加垂直應力再加水平應力且水平應力持續(xù)增大。4)當加載應力大于3倍原巖應力時(σ>2.5 MPa)，水平應力與垂直應力同時加載。

表1 模擬材料配比表

3.2 相似材料模擬結(jié)果分析

采用高清晰度單反照相機固定在同一位置進行拍攝，然后用CAD處理照片，計算圍巖測點的變形量，通過DH3815靜態(tài)應力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測應力變化。底板上測點布置圖見圖6，共布置了3排測點，第1排測點與底板下邊界相距0.5 m(這里均表示為實際尺寸)，每排測點橫向豎向間距均為1 m,其中1-2、2-3、3-2布置在巷道的中心位置。巷道加載后底板的破壞情況見圖7，由圖7可以看出靠近巷道底板的兩角處產(chǎn)生了與水平呈35°左右的剪切錯位，由于巖層被自由面和破壞面切割，加之水平力的作用，底板巖層發(fā)生破壞形成菱形塊體，巷道底板發(fā)生明顯底鼓，這是巖層水平位移和豎直位移的合成結(jié)果[4]。

圖6 巷道底板測點布置情況

圖7 巷道加載后底板破壞情況

巷道底板垂直應力為圖8。

圖8 巷道底板垂直應力圖

分析圖8可以得出，巷道開挖后測點的垂直應力迅速上升，3-2號測點先上升至13.7 MPa左右，然后隨著時間的推移逐漸減少直到底板破壞；同一水平線上的3-1號測點，其垂直應力最大值高于3-2號測點的最大值，這說明巷道底板中部的垂直應力最小，同時在水平上越遠離巷道底板巖層中部其垂直應力越大；對比豎向3-2、2-3、1-2三個測點后，同樣可以得到豎向方向遠離底板位置的垂直應力更大；整體應力波動值不大，但2-1號顯示出了逐步上升的趨勢，直到底板明顯破壞，陡升至20 MPa左右，這是底腳處應力集中造成的。

巷道底板水平應力為圖9。

圖9 巷道底板水平應力圖

由圖9可以看出，對于3-3測點的水平應力呈現(xiàn)出先迅速上升至原巖應力而后逐步下降，說明底板以下0.5 m左右?guī)r體為破壞區(qū)；分析2-4和2-5測點，巷道開挖后應力值有所增加并穩(wěn)定了一段時間，隨后發(fā)生一次明顯的應力升高，在同一時期的1-3測點卻發(fā)生突降，這是因為底板破壞，水平應力轉(zhuǎn)移到深部造成深部應力值增大。比較圖8，9可以看出，底板以下同一水平的巖層，中部屬水平應力降低區(qū)，而兩邊一定范圍的巖體屬水平應力升高區(qū)。巷道底板拉移分布規(guī)律見圖10。

圖10 巷道底板位移分布規(guī)律圖

由圖10可見，隨著深度的增加，垂直位移逐漸減小，最大底鼓量為605 mm，發(fā)生在巷道底板中心位置，這是由于巷道受到對稱力作用沒有水平位移；底板向下超過3 m范圍基本沒有豎向位移，而水平方向在1/2的巷道寬度范圍內(nèi)。

綜上現(xiàn)象分析說明，對于深埋巷道，隨著巷道開挖，底板垂直應力和水平應力都會快速上升，但上升幅度不同，并且維持時間短，這是由于深埋高應力的作用使得底鼓很快產(chǎn)生，使得應力值降低。對底板位移分布規(guī)律的分析可以得出，深埋巷道底鼓量較大且多發(fā)生在底板中心位置，這符合一般的底鼓發(fā)生規(guī)律，但是若巷道兩側(cè)受到不同的支承壓力時，會在底板水平方向產(chǎn)生位移，與垂直位移合成會產(chǎn)生偏向一幫的底鼓。

4 結(jié) 論

1)建立一幫受力的計算模型，分析了極限平衡區(qū)內(nèi)支承壓力的分布狀態(tài)，在考慮幫部彈性位移、剪切位移的同時引入了擴容位移，最后推導出幫部位移的表達式，由表達式可以看出兩幫的位移與頂?shù)椎南鄬σ平坑兄苯雨P系，可見控制幫部的位移對底鼓的防治有一定的作用。

2)建立“擠壓-撓曲”復合底鼓巷道模型，認為此類復合底鼓發(fā)生的條件是底板呈層狀分布且較為軟弱。巷道開挖后淺部發(fā)生折曲破碎深部還保持完整，隨后經(jīng)歷了兩側(cè)相鄰巷道先后掘進的影響，擠壓淺部破碎巖體及深部完整巖體，由于兩幫支承壓力的不對稱造成了偏向于一幫的“擠壓-撓曲”復合底鼓現(xiàn)象。

3)分析淺部擠壓流動性底鼓時，以最大破壞深度為研究范圍，將底板破碎巖體看作等效巖性參數(shù)連續(xù)介質(zhì)來處理，假設了位移為零的位置結(jié)合變分原理對此類底鼓進行了分析；對深部撓曲褶皺性底鼓采用了薄板彎曲理論估算底鼓量。最終推導出非對稱條件下“擠壓-撓曲”復合底鼓峰值位置及確定底鼓量大小和形態(tài)的表達式，對底鼓量的估算及確定底鼓發(fā)生位置有一定的指導意義。

4)以相似材料模擬試驗為基礎，分析了深埋巷道底板變形、垂直應力和水平應力分布的一般規(guī)律，可知深埋巷道開挖后，越遠離底板中央，應力值越大，同時底板垂直應力和水平應力都會不同幅度的迅速增加，但持續(xù)時間短，這是由于深埋高應力的作用使得底鼓很快產(chǎn)生，應力值降低。至于深埋巷道底板的變形，其位置位于底板中心且垂直位移量很大。這對研究非對稱條件下深埋巷道“擠壓-撓曲”復合底板圍巖變形規(guī)律有所裨益。

參 考 文 獻

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[3]于遠祥,牟志杰,白永彪.擠壓流動性隧道底臌機理及控制技術[J].中國公路學報,2012(05):105-112.

[4]王吉松.關英斌，鮑尚信,等．相似材料模擬在研究煤層底板采動破壞規(guī)律中的應用[J]．世界地質(zhì),2006，25(1)：86-90．