魏軍強(qiáng) 徐 營(yíng)， 徐自強(qiáng) 李德賢 崔繼強(qiáng) 王賢來(lái)

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 金昌 737100）

隨著煤炭資源開(kāi)采深度的逐漸增加，礦井進(jìn)入了深部開(kāi)采階段，底鼓現(xiàn)象成為深井煤礦比較常見(jiàn)的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象［1］。底鼓是深井高應(yīng)力軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)的主要特征。在對(duì)巷道底板不支護(hù)的情況下，巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量大都是由于底鼓產(chǎn)生的。大量的巷道工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，幾乎所有的巷道均存在不同程度的底鼓，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和威脅安全［2］。底鼓現(xiàn)象通常發(fā)生在軟巖、采動(dòng)及深部巷道中［3-6］，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家曾用壓模傳遞、彈性勢(shì)能、破壞準(zhǔn)則、梁（板）屈曲等理論解釋巷道底鼓現(xiàn)象。許多國(guó)內(nèi)外著名學(xué)者對(duì)巷道底鼓的機(jī)理以及控制技術(shù)的研究做出了大量貢獻(xiàn)，取得了許多非常重要的成果。但開(kāi)采深度的不斷增加而導(dǎo)致高應(yīng)力軟巖具有獨(dú)特的性質(zhì)，以及巷道受到回采工作面的采動(dòng)影響，造成底鼓現(xiàn)象非常嚴(yán)重。在巷道支護(hù)理論上，學(xué)者們通常從應(yīng)力的角度去分析巷道變形破壞的原因，很少?gòu)哪芰康慕嵌瘸霭l(fā)去考慮解決巷道底鼓支護(hù)的問(wèn)題。上世紀(jì)開(kāi)始許多學(xué)者對(duì)巷道能量支護(hù)理論進(jìn)行了研究，學(xué)者們認(rèn)為，能量貫穿在巷道支護(hù)體與圍巖力傳導(dǎo)和圍巖強(qiáng)度的改變上，在井下采礦過(guò)程中，能量轉(zhuǎn)移一直存在，在支護(hù)體和圍巖內(nèi)部，能量起到了主導(dǎo)作用［7］。但沒(méi)有從能量的角度解釋支護(hù)體在巖石能量釋放耗散過(guò)程中對(duì)圍巖變形破壞的控制作用。本項(xiàng)目采用FLAC3D模擬了深部巷道底鼓控制技術(shù)的巷道圍巖能量轉(zhuǎn)移分布情況，主要研究巷道支護(hù)過(guò)程中支護(hù)體對(duì)圍巖塑性耗散能的控制作用，進(jìn)而從能量的角度來(lái)研究支護(hù)體對(duì)圍巖變形破壞的控制作用。

1 工程概況

李村煤礦位于山西省長(zhǎng)治市，由于埋深較大受高地應(yīng)力和回采工作面采動(dòng)的影響，巷道底板出現(xiàn)不同程度的底鼓現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工作面正常生產(chǎn)。另外，由于底鼓造成的巷道兩幫變形造成巷道斷面的不斷減小，造成了井下通風(fēng)的困難。在巷道底板處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)下，巷道出現(xiàn)底鼓的情況更為頻繁、程度更加嚴(yán)重。李村煤礦的地下巷道，不僅變形量大（巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量可達(dá)數(shù)十厘米甚至1.0 m以上，底鼓可達(dá)數(shù)十厘米甚至更大），而且變形破壞持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。李村煤礦原支護(hù)方案采用頂、幫錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，底板無(wú)支護(hù)，致使應(yīng)力、位移向其轉(zhuǎn)移，造成了巷道出現(xiàn)底鼓。因此亟需采取底板支護(hù)控制措施，可以通過(guò)增加底板圍巖強(qiáng)度，增大其承受載荷的能力或采取開(kāi)設(shè)卸壓槽等應(yīng)力控制手段避免應(yīng)力集中來(lái)控制巷道底鼓變形。

2 巷道底鼓能量分布規(guī)律模擬分析

本研究對(duì)巷道完全未支護(hù)和原有支護(hù)條件下圍巖應(yīng)力場(chǎng)以及能量場(chǎng)分布的規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。從能量的角度來(lái)考慮巷道的變形破壞，巷道圍巖的變形是巖體內(nèi)能量耗散與釋放的原因所造成的。因此，支護(hù)對(duì)巷道圍巖能量的控制主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是控制能量的釋放，二是控制能量的耗散。通過(guò)研究巖石力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程可發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到巖石的峰值強(qiáng)度之前，主要為彈性能積聚，同時(shí)伴隨著巖石內(nèi)部能量的耗散，塑性能占比較少，在達(dá)到峰值強(qiáng)度之后表現(xiàn)為能量的釋放，塑性能的增加。在能量的耗散過(guò)程中能量主要表現(xiàn)為巖石內(nèi)部的損傷，結(jié)構(gòu)的劣化，最終導(dǎo)致巖石整體強(qiáng)度降低；在能量釋放階段，彈性能的釋放造成了巖石的整體變形破壞。因此，彈性能的釋放則是造成巖石破壞的最直接因素，塑性耗散能是巖石破壞的根本原因。在采礦活動(dòng)過(guò)程中，巷道圍巖內(nèi)部不僅存在塑性耗散能和彈性釋放能，也包括動(dòng)能、熱能以及以其他形式存在的能量，巷道圍巖的變形破壞是因?yàn)檫@幾種能量相互轉(zhuǎn)化。從能量的角度看，不同能量之間的相互轉(zhuǎn)化是造成巖石破壞變形的根源，由于動(dòng)能、熱能等能量遠(yuǎn)小于塑性能和彈性能，所以巷道圍巖的破壞變形主要由于自身內(nèi)部能量的釋放與耗散導(dǎo)致的。因此在下文研究中將忽略這些能量帶來(lái)的影響，所用到的能量公式如下。

圍巖彈性狀態(tài)下的彈性應(yīng)變能密度表達(dá)式為

式中，μ為泊松比；E為彈性模量。

巷道開(kāi)挖以后塑性區(qū)范圍內(nèi)圍巖的彈性應(yīng)變能密度分布表達(dá)式為

式中，G為剪切模量。

巷道圍巖內(nèi)部所儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能為

同時(shí)可以得到，巷道所產(chǎn)生的塑性耗散能為

式中，ΔU=U0-Uε為巷道在開(kāi)挖前后圍巖內(nèi)部彈性能的相對(duì)變化量；U0、Uε為開(kāi)挖前后巷道圍巖內(nèi)部的彈性能；W為開(kāi)挖過(guò)程中外力對(duì)巷道圍巖所做的功。

式中，Rp為塑性區(qū)半徑；p0為巷道所處原巖應(yīng)力；σrp為彈塑性邊界處的切向應(yīng)力。

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，忽略其他因素的影響，由工程地質(zhì)條件確定開(kāi)挖每米巷道過(guò)程中所處原巖對(duì)圍巖所做的功是不變的，因此根據(jù)能量守恒定律，巷道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖做的功近似等于塑性耗散能以及彈性能變化值的總和。

2.1 數(shù)值模型的建立

以李村煤礦回采巷道實(shí)際地質(zhì)條件為背景，然后通過(guò)FLAC3D建立巷道三維實(shí)體模擬模型，如圖1所示。巷道斷面為矩形，寬為5 m，高為3.5 m。設(shè)計(jì)模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=50 m×40 m×50.8 m。模型四周約束水平方向位移，底部約束垂直方向位移，頂部施加等效均勻載荷，其大小為11.86 MPa，方向垂直向下。模擬采用Mohr-Coulomb判別準(zhǔn)則。李村煤礦回采巷道圍巖主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，圍巖均為強(qiáng)度較低巖石，因此在高應(yīng)力的作用下容易發(fā)生變形。模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)的選取依據(jù)室內(nèi)煤巖試塊力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，如表1所列。

2.2 巷道原支護(hù)參數(shù)

該回采巷道斷面為矩形，寬為5 000 mm，高為3 500 mm，頂部和兩幫錨桿采用φ20 mm×2 200 mm的硬質(zhì)螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm，由工程實(shí)際結(jié)果可知，巷道塑性破壞區(qū)的位移是產(chǎn)生巷道圍巖位移變化量的主要原因，巷道錨桿支護(hù)的作用范圍主要為巷道圍巖塑性破壞區(qū)，支護(hù)方案如圖2所示。

2.3 巷道開(kāi)挖后底板變形特征及能量分布

為研究巷道底板位移變形特征并確定控制底鼓的關(guān)鍵位置及措施，建立了巷道開(kāi)掘后底板變形數(shù)值模型，通過(guò)上述公式提取FLAC3D單元體中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并繪制成云圖分析對(duì)比巷道原有支護(hù)和未支護(hù)開(kāi)挖之后的圍巖能量分布特征，找到圍巖能量分布與應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系，進(jìn)而采用能量理論來(lái)研究巷道圍巖變形破壞特征。未支護(hù)和原有支護(hù)情況下巷道圍巖垂直位移云圖及應(yīng)力云圖和巷道圍巖能量分布圖分別如圖3、圖4所示。

由巷道圍巖位移云圖可知，未支護(hù)情況下巷道最大變形量達(dá)232 mm，在頂板處，最大底鼓處位于底板中央。從應(yīng)力角度分析：通過(guò)巷道圍巖水平應(yīng)力云圖3（b）和垂直應(yīng)力云圖3（c）發(fā)現(xiàn)，在巷道開(kāi)挖后，巷道圍巖應(yīng)力出現(xiàn)重新分布的現(xiàn)象，巷道側(cè)向圍巖的切應(yīng)力增高，巷道兩幫垂直應(yīng)力集中，底板與頂板圍巖出現(xiàn)了水平應(yīng)力集中，應(yīng)力集中的范圍較大，水平應(yīng)力在巷道頂?shù)装逵绊懽畲?，此處極易出現(xiàn)剪切破壞，底鼓較明顯。從能量角度分析：由巷道圍巖能量分布圖3（d）可以發(fā)現(xiàn)，在巷道開(kāi)挖之后，能量在巷道附近圍巖聚集，之后沿徑向方向逐漸降低到原巖的應(yīng)變能，此處的圍巖應(yīng)力為原巖應(yīng)力。由于巖體在開(kāi)挖之后不是純彈性體所以不能儲(chǔ)存所有的外力功，因此，圍巖為了達(dá)到比較穩(wěn)定的形態(tài)，其多余的彈性勢(shì)能必須轉(zhuǎn)化為塑性耗散能。在巷道頂板和底板部分，圍巖塑性破壞范圍較大，此范圍內(nèi)，能量部分轉(zhuǎn)化為損傷耗散能，巷道頂?shù)装甯浇鼑鷰r儲(chǔ)存的能量也更少，能量大都以彈性能釋放，越往圍巖深部，單元體內(nèi)的能量越大，說(shuō)明能量轉(zhuǎn)移越少。

在巷道原有支護(hù)（圖4）條件下：可以發(fā)現(xiàn)巷道頂板變形得到明顯控制，但是底鼓現(xiàn)象仍然比較嚴(yán)重。從應(yīng)力角度分析：在巷道原有支護(hù)條件下，巷道的頂板和兩幫在錨桿的支護(hù)作用下，巷道兩幫的垂直應(yīng)力集中程度變大，但是應(yīng)力集中范圍變小，應(yīng)力集中的位置更加靠近巷道表面。頂板水平應(yīng)力集中區(qū)域較之前更靠近巷道，巷道頂板塑性區(qū)范圍得到控制，應(yīng)力最大值由原來(lái)的17.16 MPa變?yōu)?7.65 MPa，增大了0.49 MPa，頂板應(yīng)力集中最大值的位置下降0.6 m，在巷道頂部同樣位置，水平應(yīng)力明顯增大，在頂板形成了一圈具有自承能力的“承載圈層”，巷道頂板和兩幫的變形得到明顯改善，但是底板的應(yīng)力變化范圍沒(méi)有發(fā)生明顯變化，并且應(yīng)力集中程度變大，所以底鼓仍比較嚴(yán)重。從能量角度來(lái)分析：巷道錨桿支護(hù)對(duì)減小巷道圍巖變形破壞塑性耗散能起到了作用，錨桿支護(hù)提高了圍巖強(qiáng)度，改善了巷道圍巖的力學(xué)性能，從而達(dá)到通過(guò)減小圍巖塑性耗散能來(lái)控制巷道圍巖變形破壞的目的。巷道頂板圍巖最大彈性能由原來(lái)的5.08×1014J變?yōu)?.24×1014J，說(shuō)明巷道圍巖釋放的能量減小1.6×1013J，頂板能量最大值的位置下降0.6 m。巷道支護(hù)前后，開(kāi)挖對(duì)巷道圍巖做的功沒(méi)有改變，但是在巷道頂板同樣位置，圍巖彈性能明顯增大，說(shuō)明巷道圍巖釋放的能量變小，塑性耗散能變小。巷道圍巖能量分布的變化主要體現(xiàn)在圖中深色區(qū)域部分，由于錨桿的支護(hù)巷道頂板和兩幫圍巖能量場(chǎng)分布范圍逐漸變小，能量耗散范圍逐漸變小，圍巖塑性耗散能明顯減小，但是能量集中系數(shù)變大，能量集中位置更靠近巷道頂板。由于底板沒(méi)有支護(hù)，底板圍巖塑性耗散能變小但是能量變化范圍較巷道未支護(hù)時(shí)變化不明顯，所以底板圍巖仍變形嚴(yán)重。

為了更好地比較巷道圍巖應(yīng)力與能量變化的規(guī)律，提取模型中間的最底部到最頂部的數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力和能量曲線如圖5所示。

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)想要從能量的角度來(lái)研究巷道支護(hù)的問(wèn)題主要是處理支護(hù)體與巷道圍巖能量動(dòng)態(tài)平衡之間的關(guān)系，錨桿在巷道支護(hù)過(guò)程中主要起兩個(gè)方面的作用，一方面是通過(guò)為巷道圍巖提供支護(hù)阻力來(lái)提高錨桿和圍巖耦合作用下錨固體的承載能力，從而達(dá)到提高巷道圍巖穩(wěn)定性的目的。另一方面表現(xiàn)為錨桿在巷道圍巖的能量釋放轉(zhuǎn)移過(guò)程中的控制作用，彈性能的釋放導(dǎo)致巷道圍巖的變形和破壞，錨桿支護(hù)的作用在一定程度上吸收了這一部分能量，達(dá)到控制巷道圍巖破壞變形的目的。

3 底板卸壓槽控制技術(shù)及效果分析

3.1 卸壓槽控制技術(shù)設(shè)計(jì)

部分文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)巷道有無(wú)卸壓槽的研究對(duì)比，證明開(kāi)設(shè)卸壓槽對(duì)底鼓治理以及改善巷道圍巖應(yīng)力具有較好的效果［8-10］。針對(duì)李村煤礦回采巷底板位于煤層層位、底板巖體易吸水變軟、服務(wù)年限長(zhǎng)等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)底鼓的有效治理，根據(jù)巷道底板變形原因及上文分析結(jié)果，采用控制技術(shù)方案為“中央卸壓槽+底角錨桿”的方法進(jìn)行底鼓治理。最終確定卸壓槽寬度為0.5 m，深度為1.5 m的控制技術(shù)方案，并在槽內(nèi)填充矸石，矸石上部通過(guò)水泥板封住底板上開(kāi)挖卸壓槽留下的溝槽，便于行人和巷道設(shè)備的存放，然后在巷道底角兩側(cè)布置2根與水平面夾角為45°的錨桿，排距800 mm。巷道底板“卸壓槽+底角錨桿”耦合支護(hù)示意如圖6所示。下文從模擬結(jié)果以及實(shí)際工程效果分析卸壓槽卸壓法對(duì)底鼓的控制效果。

3.2 控制技術(shù)效果分析

3.2.1 模擬效果

模擬了卸壓槽寬度為0.5 m，深度為1.5 m時(shí)巷道圍巖的變形規(guī)律，從而發(fā)現(xiàn)卸壓槽改善圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布以及能量分布的規(guī)律。卸壓槽卸壓法巷道圍巖應(yīng)力和能量云圖如圖7所示。

提取模型中間的最底部到巷道底板的數(shù)據(jù)繪制能量曲線如圖8所示。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，通過(guò)對(duì)比底板無(wú)支護(hù)和底板開(kāi)卸壓槽下巷道圍巖應(yīng)力能量分布情況可以看出，對(duì)于巷道整體而言，在底板開(kāi)設(shè)卸壓槽后，可以發(fā)現(xiàn)巷道附近圍巖的應(yīng)力水平均得到了一定程度的下降，并且在巷道底部的同樣位置，水平應(yīng)力明顯下降，底板水平應(yīng)力集中區(qū)向巖層深部發(fā)生轉(zhuǎn)移；巷道圍巖的能量分布有較大的變化，巷道底板附近圍巖能量向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)移，一部分能量向圍巖深處轉(zhuǎn)移，圍巖最大能量由原來(lái)的5.25×1014J變?yōu)?.28×1014J，底板能量最大值的位置下降1.5 m；底板開(kāi)挖卸壓槽前后，開(kāi)挖對(duì)巷道圍巖做的功忽略不計(jì)，但是在巷道頂板同樣位置，圍巖彈性能明顯增大，說(shuō)明巷道圍巖釋放的能量變小，塑性耗散能變小。另一部分轉(zhuǎn)移到卸壓槽附近進(jìn)行釋放造成卸壓槽附近圍巖發(fā)生變形，在巷道底部同樣位置，圍巖能量變小，進(jìn)一步驗(yàn)證了彈性能釋放與巷道圍巖變形的關(guān)系。從圖7垂直位移云圖可以看出，巷道底鼓量為132.4 mm，比原有底板未支護(hù)的情況下減少42.4 mm，卸壓槽控制底鼓效果明顯。

3.2.2 巷道支護(hù)實(shí)際工程效果

為了檢測(cè)巷道底鼓控制技術(shù)的效果，通過(guò)在巷道卸壓槽開(kāi)挖段底板相同間隔距離布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行巷道底板位移量連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，由圖9可以得出，在巷道卸壓槽開(kāi)挖初期，巷道底板仍有顯著變形，3個(gè)測(cè)點(diǎn)底板30 d內(nèi)總底鼓量分別為115、118、128 mm，平均底鼓量121 mm，30～50 d內(nèi)底板變形趨于平緩，證明底板進(jìn)入了變形穩(wěn)定期，新支護(hù)條件下，相對(duì)于巷道底板未支護(hù)時(shí)底鼓量降低了30%，巷道底板位移圖表明卸壓槽的開(kāi)設(shè)通過(guò)吸收了一定的圍巖變形量并同時(shí)減小了圍巖彈性能的釋放，從而達(dá)到減緩及控制巷道變形，進(jìn)而起到保護(hù)巷道不被破壞的作用。由此可知，底板卸壓槽技術(shù)能夠?qū)ο锏赖坠倪M(jìn)行有效控制。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)李村煤礦回采巷道底鼓治理技術(shù)的研究，主要分析了巷道在未支護(hù)、原有支護(hù)和新治理技術(shù)下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)以及能量場(chǎng)的分布狀態(tài)得出結(jié)論如下：

（1）巷道在未支護(hù)情況下，在巷道變形破壞時(shí)圍巖能量以彈性能釋放為主，圍巖儲(chǔ)存的能量越少，巷道變形越嚴(yán)重，闡釋了能量轉(zhuǎn)化與巷道圍巖破壞變形之間的關(guān)系。

（2）錨桿等支護(hù)體的作用在于吸收巷道圍巖釋放的能量，從而起到控制巷道圍巖變形破壞的目的。巷道支護(hù)對(duì)圍巖能量的控制作用以能量平衡為基礎(chǔ)，是圍巖釋放能量、支護(hù)體吸收能量的能量再分配問(wèn)題，遵循能量守恒定律。

（3）卸壓槽的作用在于給予底板一定的變形空間，使巷道底板巖層的水平應(yīng)力得到一定程度的釋放，通過(guò)減小巷道圍巖彈性能的釋放從而減小塑性耗散能，達(dá)到控制巷道變形的目的。