鄒正盛，王振義，鄭清潔，李慶波，高衛(wèi)亮

(1.河南理工大學(xué)深部礦井建設(shè)開放實(shí)驗(yàn)室，河南焦作 454003;2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454003;3.河南理工大學(xué)計(jì)算中心，河南焦作 454003;4.黃河交通學(xué)院，河南焦作 454950)

隨著南部采區(qū)煤炭資源的枯竭，鐵生溝煤礦采區(qū)逐漸向東北部部署。東北部的東翼13和15采區(qū)6條下山巷道布設(shè)在L7灰?guī)r中下部，順其傾向扎進(jìn)北部山脈里，并向著大型逆斷層牽引向斜的軸部延伸，長度均為1 500 m，埋深450～710 m，采用錨噴支護(hù)。但是，在每條已掘的約一半長度的巷道里，由淺往深，底鼓越來越嚴(yán)重，巷道收斂加劇。變形最嚴(yán)重處，巷道只可容1人艱難通過。聯(lián)絡(luò)巷和躲避硐室變形更加嚴(yán)重。因此，在錨噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，隨著巷道向延深掘進(jìn)，不得不增加拱頂錨索。伴隨底鼓加重，片幫、頂裂或離層掉塊也越來越嚴(yán)重。

底鼓是深部巷道破壞的常見形式，因此，底鼓機(jī)理、原因、對策和防治技術(shù)等成了底鼓研究的熱點(diǎn)?？导t普等［1］基于彈塑性薄板理論研究巷道底鼓的撓曲效應(yīng)，認(rèn)為底鼓是在垂直底板的均布力作用下，底板失穩(wěn)并向巷內(nèi)撓曲的結(jié)果。姜耀東等［2］認(rèn)為，垂直應(yīng)力σV和水平應(yīng)力σH都可能引起底鼓，并根據(jù)現(xiàn)場觀測、物理模擬和數(shù)值模擬的研究成果，將深井巷道底鼓機(jī)理歸納為4種基本類型:擠壓流動(dòng)性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、遇水膨脹性底鼓、剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓，認(rèn)為撓曲褶皺性底鼓是在平行于層理方向的壓力作用下，底板向臨空方向撓曲褶皺而失穩(wěn)。李樹清等［3］對位于向斜軸部的葛泉店-190 m南翼運(yùn)輸大巷底鼓進(jìn)行分析，認(rèn)為圍巖性質(zhì)、水和支護(hù)形式是底鼓的主要因素，原錨噴支護(hù)不能使圍巖形成承載環(huán)，提出改變圍力學(xué)性質(zhì)、控水、改善錨桿著力基礎(chǔ)、縮小圍巖塑性區(qū)的底鼓控制途徑，采取全斷面注漿與幫角錨桿加固相結(jié)合的辦法實(shí)施對底鼓的控制。鄭西貴等［4］通過建立巷道底板滑移線與速度場模型，略去水平應(yīng)力的影響，研究撓曲褶皺性底鼓深化規(guī)律，提出增加底板強(qiáng)度，應(yīng)用反底拱錨固梁加錨注控制底鼓場。張后全等研究認(rèn)為［5］，高應(yīng)力由兩幫向底板傳遞，底板在高應(yīng)力作用下斷裂隆起。何滿潮等［6］將底鼓機(jī)理分為膨脹型底臌和應(yīng)力型底臌兩種，認(rèn)為應(yīng)力型底臌主要是由巷道圍巖壓力引起的底板變形所致，并細(xì)分為撓曲性底臌和剪切滑移底臌，認(rèn)為層狀結(jié)構(gòu)底板易發(fā)生疊板式撓曲性底臌，塊狀結(jié)構(gòu)底板易產(chǎn)生剪切滑移底臌，松軟破碎的巖體可發(fā)生撓曲性底臌和剪切滑移底臌。

與進(jìn)展十分緩慢的巷道底鼓機(jī)理研究相比，底鼓防治技術(shù)的研究十分活躍。目前已試驗(yàn)成功了很多控制底鼓的方法，如加固法(底板注漿、底板錨桿、封閉式支架、砌碹及混凝土反拱等)、卸壓法(底板切縫、兩幫切縫、打孔、松動(dòng)爆破及卸壓煤柱等)、巷旁充填法。對于深部嚴(yán)重底鼓，近些年來提出了多種聯(lián)合法［4～5，7］。

本文基于現(xiàn)場調(diào)研，查明巷道工程地質(zhì)條件，運(yùn)用復(fù)合材料力學(xué)和彈性穩(wěn)定理論，從開巷后底板重分布應(yīng)力與層狀底板相互作用出發(fā)，對鐵生溝巖巷底鼓機(jī)理進(jìn)行新的詮釋，進(jìn)而提出針對性的防治對策。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性與工程地質(zhì)巖組

從礦井勘探資料可知［8］，巷道圍巖為上石炭統(tǒng)太原組砂泥巖和灰?guī)r，傾向近N15°W，傾角10°左右。從巷道揭露的巖性看，巷道幫頂圍巖以L7灰?guī)r為主，兩幫下部可見煤線和軟夾層，底板為泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖。值得注意的是，研究區(qū)L7灰?guī)r厚度變化大，一般為4.5～11.7 m。根據(jù)巷道圍巖的工程地質(zhì)特性，將其劃分為3個(gè)工程地質(zhì)巖組:

(1)灰?guī)r組。主要由L7灰?guī)r組成，中等厚度，層理較發(fā)育，沿層面有錯(cuò)動(dòng)。

(2)砂泥巖組。主要由泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖組成，層理發(fā)育，浸水后易沿層理或?qū)用媪验_。

(3)軟層巖組。主要由一7、一8薄煤層、煤線和軟弱夾層組成，軟弱夾層中孔隙發(fā)育，水軟化較快。

1.2 地下水

井田內(nèi)雖有6個(gè)含水層組，但研究區(qū)巷道只位于太原組薄層灰?guī)r含水層組中。該含水層組為巖溶裂隙承壓含水層，含水性強(qiáng)但不均勻。研究區(qū)外200 m以內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)大斷裂和陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造，因此不存在其它含水層地下水的導(dǎo)入問題。從已掘巷道看，存在局部裂隙滲水、淋水情況，個(gè)別錨桿孔滲水較大。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力

根據(jù)井田地質(zhì)報(bào)告［8］，鐵生溝井田為軸向北西、軸面傾向北東的不對稱傾伏向斜。該向斜是井田東北邊界外一條錯(cuò)距約800 m、走向與向斜軸向平行的逆斷層牽引的結(jié)果。向斜東北翼地層傾角大且構(gòu)造較復(fù)雜，西南翼地層緩傾且構(gòu)造簡單。井田內(nèi)斷層少，西部有3條與向斜軸近垂直、落差20～30 m的正斷層。顯然，井田范圍內(nèi)地層曾遭受過NE—SW方向的強(qiáng)烈擠壓。6條巖巷走向與這次擠壓方向呈45°左右的角度相交，并向向斜軸部延伸?，F(xiàn)場調(diào)查表明其變形破壞具有明顯的深度效應(yīng)，且?guī)r巷的聯(lián)絡(luò)巷破壞非常嚴(yán)重，躲避巷堵塞，遠(yuǎn)較附近的巖巷所不及。由此可推斷，研究區(qū)巖巷受殘余構(gòu)造應(yīng)力場影響嚴(yán)重。

2 巖巷變形破壞特征

這6條下山巖巷設(shè)計(jì)長度均為1 500 m，其中15采區(qū)巖巷埋深450～710 m，13采區(qū)巖巷埋深450～680 m。主體巷道設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形，墻高1.8 m，拱高2.3 m，凈寬4.6 m，掘進(jìn)寬度為4.8 m，掘進(jìn)高度為4.2 m。幫頂采用錨網(wǎng)噴支護(hù):錨桿直徑為22 mm的等強(qiáng)螺紋錨桿，長1.8 m，間排距0.7 m×0.8 m，錨固劑為CK2390×2根/錨，網(wǎng)片為0.4×0.4的冷拔絲方格網(wǎng)，噴射混凝土100 mm。隨著巷道壓力顯現(xiàn)加劇，巷道支護(hù)在原錨網(wǎng)噴的基礎(chǔ)上，頂部和拱頂均增加了一定數(shù)量的錨索。但是，6條巖巷底板始終未支護(hù)。

2012年課題組對這6條巖巷已掘段的變形破壞進(jìn)行了調(diào)研。從現(xiàn)場調(diào)查看，已掘進(jìn)的約800 m延伸的巷道變形破壞特征主要表現(xiàn)在:

(1)底鼓嚴(yán)重且深度效應(yīng)明顯。隨深度底鼓首先出現(xiàn)并逐漸加劇，嚴(yán)重之處巷高縮至約1.8 m。

(2)深部巷道片幫和收幫嚴(yán)重。巷道首先表現(xiàn)為幫腳內(nèi)凸，進(jìn)而幫腳噴層破裂。較薄噴層支離破碎(圖1a)，而較厚噴層大片幫(圖1b)。在片幫或收幫處，?？梢娷泴颖粩D出(圖1a)。

圖1 巖幫的破壞Fig.1 Failure at the roadway sides

(3)平頂和掉頂。巖巷頂以灰?guī)r為主，但深處巷道可見平頂和掉頂現(xiàn)象。

(4)聯(lián)絡(luò)巷破壞嚴(yán)重，躲避硐室被堵塞。圖2a表明，聯(lián)絡(luò)巷破壞嚴(yán)重，底鼓尤甚，并表現(xiàn)出不對稱性。該聯(lián)絡(luò)巷的破壞較主要巖巷同高程段嚴(yán)重，躲避硐室常因底鼓而被堵塞(圖2b)。

圖2 聯(lián)絡(luò)巷和躲避硐室的破壞Fig.2 Failure of the contact roadway and escape chamber

(5)翻修支架再次破壞，巷道底鼓依然存在。巷道雖然經(jīng)過一次或多次翻修，但仍然沒有逃脫再次變形破壞的厄運(yùn)。這種現(xiàn)象在深處更甚。

3 巖巷底鼓機(jī)理

前述表明，鐵生溝礦巖巷的破壞，以底鼓為先，且隨深度加劇。因此，底鼓的機(jī)理是首先要弄清楚的問題。目前，對底鼓機(jī)理的認(rèn)識(shí)主要基于壓模效應(yīng)，認(rèn)為底鼓是頂板荷載通過兩幫傳遞至底板，造成底板巖體塑性滑移所致［4，6～7］。也有把底板看作為梁或板，認(rèn)為底鼓系其上均布荷載引起的撓曲所致。這些觀點(diǎn)均忽略了底板上水平應(yīng)力的作用。

煤礦巖巷多為直墻半圓拱形，可以近似用圓形代替。假設(shè)地應(yīng)力為靜水壓力場，圓形巷道開挖后圍巖處于彈性狀態(tài)時(shí)刻，巷道圍巖徑向應(yīng)力在巷壁處為0，往圍巖深處漸增至原始應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力在巷壁處為2倍的原始應(yīng)力，往圍巖深處漸減至原始應(yīng)力。取直墻半圓拱巷道底板巖層為隔離體，在巷道圍巖處于彈性階段時(shí)，這個(gè)隔離體3面受力一面臨空(圖3a)，其中有平行底板的壓應(yīng)力p、有兩幫對底板的約束力R和垂直于底板上應(yīng)力q。用圓形巷道應(yīng)力近似說明，則p為巷道環(huán)向應(yīng)力，q為巷道徑向應(yīng)力差。顯然，在這個(gè)力系中，底板上的水平應(yīng)力p遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于垂直底板的均布力q。馮偉等采用Abaqus對直墻半圓巷道的彈塑性分析表明［9］，側(cè)壓力系數(shù)越大(k0=1～3.5)，底板的水平壓應(yīng)力越大。這說明，在較高構(gòu)造應(yīng)力條件下，底板上的水平應(yīng)力占有絕對優(yōu)勢。

圖3 層狀底板受力圖Fig.3 Forces acted on the floor of the roadway

鐵生溝礦巖巷受殘余構(gòu)造應(yīng)力作用，底板主要由層理發(fā)育的砂泥巖巖組組成，底板類似層合板。層合板理論表明，拉壓條件下層合板的脫層與分離就是由于層界面上存在高的層間應(yīng)力造成的。同理，層理發(fā)育的底板在強(qiáng)大的水平力作用下，將沿層理方向產(chǎn)生脫層，底板由厚變薄(圖3b)。對于層理發(fā)育相對較差的情形，底板也存在沿層理方向劈裂剝離的可能，巖石單軸壓縮條件下劈裂破壞模式就是一個(gè)例證。

薄板單向受力時(shí)(圖3b的上圖)，其屈曲臨界荷載為［10］:

式中:D——板的抗彎剛度，與薄板彈模和薄板厚度的三次方成正比;

k——屈曲系數(shù)，與板的邊界條件有關(guān)。兩端鉸接時(shí)k=4.0，一端固定一端鉸接時(shí)k=5.42，兩端固定時(shí)k=6.97;

b——薄板寬度。

從上式可看出，薄板厚度越小，板端約束越嚴(yán)，其屈曲臨界荷載越小。

依據(jù)板的彈性穩(wěn)定理論，經(jīng)過脫層或剝離后的薄巖層，在強(qiáng)大水平力作用下，產(chǎn)生向巷內(nèi)的撓曲與破壞，底板應(yīng)力調(diào)整。如此不斷脫層或剝離，并逐層撓曲與破壞，從而形成底鼓。同時(shí)，因表部圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)，開挖所形成的環(huán)向應(yīng)力峰便向圍巖深處轉(zhuǎn)移。實(shí)際巷道底板作用力，除了水平應(yīng)力p、垂直應(yīng)力q外，還有剪應(yīng)力。彈性穩(wěn)定理論表明［10］，當(dāng)?shù)装逋瑫r(shí)遭受這些力的綜合作用時(shí)，其屈曲荷載會(huì)更小，更易屈曲。

由應(yīng)力擴(kuò)散原理可知，往底板深處，兩幫對底板約束力的作用邊界往底板中心移動(dòng)(圖3b下圖)，相當(dāng)于板狀巖層寬度(稱為有效板寬)變小，因此底板深部撓曲范圍也逐漸變小。同時(shí)，隨著往底板的深處，環(huán)向應(yīng)力減小而徑向應(yīng)力增加，徑向應(yīng)力差q也在減小，巖層受力轉(zhuǎn)三向應(yīng)力，從而使其抗屈曲強(qiáng)度增加，底板破壞將得到阻止。底板的撓曲自然會(huì)加重巷幫向巷內(nèi)收斂，并引發(fā)巷幫的噴層劈裂。由于巷幫下部收斂差大，巷幫上部起拱線處的曲率差大，因此這兩處的噴層劈裂更明顯(圖1)。

綜上分析可知，鐵生溝煤礦巖巷的底鼓，是由于巷道開挖后應(yīng)力重分布，在底板上產(chǎn)生以強(qiáng)大水平力為主體的復(fù)雜力系，導(dǎo)致底板沿層理劈裂剝離或屈曲脫層、撓曲所致。底鼓的產(chǎn)生進(jìn)而加劇巷道幫頂變形甚至破壞。

4 巖巷底鼓防治對策

4.1 防治思想

鐵生溝礦巖巷變形破壞以底鼓為先，則底鼓防治是首要的，也是重要的。底鼓的產(chǎn)生，底板上強(qiáng)大的水平應(yīng)力是外因，而底板的抗屈曲強(qiáng)度則為內(nèi)因。因此，提高底板抗屈曲荷載和削減底板上強(qiáng)大的水平力是防治底鼓的最根本的出發(fā)點(diǎn)。

研究表明［11～12］，頂幫底的變形破壞具有聯(lián)動(dòng)效應(yīng)。底板的強(qiáng)化將會(huì)使幫頂圍巖的應(yīng)力發(fā)生改變［13］。因此，底鼓治理應(yīng)從整個(gè)巷道的穩(wěn)定入手，運(yùn)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，重點(diǎn)防治底鼓，同時(shí)針對底幫頂三者的協(xié)調(diào)作用關(guān)系，對幫頂進(jìn)行有效的支護(hù)。

4.2 防治對策

基于底鼓控制系統(tǒng)工程觀思想，以及從削弱底板巖層水平應(yīng)力、增加底板的抗屈曲荷載出發(fā)，提出如下防治對策:

(1)采用可重復(fù)注漿技術(shù)加固底板，減跨并動(dòng)態(tài)提高底板的剛度和整體性，增強(qiáng)底板的抗屈曲能力。

(2)布設(shè)底角錨桿(索)，削減作用在底板巖層上的水平應(yīng)力。底角錨桿(索)拉力可以分解成兩個(gè)分力，分別增強(qiáng)R和削減作用底板上的水平力。從式(1)可看出，板的抗屈曲強(qiáng)度與板的邊界條件密切相關(guān)，增強(qiáng)R，使板端轉(zhuǎn)為固定端，使板的抗屈曲強(qiáng)度提高。而削減作用在底板上的水平力，無疑會(huì)提高底板的穩(wěn)定性。值得注意的是，錨桿(索)的錨頭段盡量不在軟層巖組中，如沒法避開，應(yīng)適時(shí)進(jìn)行張拉或緊固，以減少軟層巖組的不利效應(yīng)。

(3)加強(qiáng)幫頂?shù)募庸獭晚數(shù)募庸?，可以提高R，加強(qiáng)底板邊界的約束。數(shù)值模擬研究也表明［11～12］，加固幫頂對控制底鼓具有積極的作用。

(4)控制巷道底板的積水。

(5)底板設(shè)置鋼網(wǎng)噴層，便于提高注漿壓力，同時(shí)阻止底板上水的下滲。

根據(jù)上述對策，底板采用“底角錨桿+全斷面大間距可重復(fù)注漿”，幫頂采用“錨網(wǎng)+頂錨索+全斷面大間距可重復(fù)注漿”的耦合支護(hù)形式。按巖巷深度分段確定巷道(新開和翻修巷道)支護(hù)設(shè)計(jì)與施工參數(shù)，運(yùn)用信息化施工方法進(jìn)行巷道穩(wěn)定性控制的工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，40天后巷道均趨于穩(wěn)定，翻修巷道收斂量控制在67 mm以內(nèi)，新開巷道的收斂最大未超過120 mm。這說明，本次巷道底鼓的穩(wěn)定性控制是成功的。

5 結(jié)論

(1)鐵生溝煤礦13采區(qū)和15采區(qū)巖巷承受著快速變化的上覆荷載和殘余構(gòu)造應(yīng)力的共同作用，6條下山巖巷的底鼓與變形破壞均呈現(xiàn)出明顯的深度效應(yīng)和方向效應(yīng)。

(2)巖巷的變形破壞以底鼓為先，巖巷底鼓是層理發(fā)育的砂泥巖巖組底板，在開巷后應(yīng)力重分布形成的以強(qiáng)大水平應(yīng)力為主的復(fù)雜力系作用下，沿層理方向劈裂剝離或屈曲脫層，并向巷內(nèi)撓曲所致。

(3)巷道底鼓的防治應(yīng)從“減小作用在底板巖體上的強(qiáng)大的水平作用力，提高底板巖體的抗屈曲強(qiáng)度”出發(fā)，同時(shí)把巷道底鼓的防治與巷道幫頂控制看成一個(gè)系統(tǒng)工程，在實(shí)施底板控制的同時(shí)，加強(qiáng)幫頂?shù)目刂啤?/p>

(4)針對鐵生溝煤礦巖巷底鼓的防治對策，得到了試驗(yàn)印證，取得了預(yù)期的成效。

致謝:參加本課題研究工作的還有河南理工大學(xué)的琚曉冬、莫云波、馮文娟，河南鐵生溝煤礦的王豐、崔軍艦、王新年等，在此深表謝意!

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