巷道压曲性底臌的机理与控制

摘 要：巷道围岩控制是深部资源开采中的关键问题，而要攻克深井软岩巷道支护的难关，就必须首先研究底臌的机理及其防治措施。巷道底臌有挤压、压曲、膨胀和剪胀等形式，压曲底臌是最常见的一种形式。根据巷道围岩本构关系,建立了压曲底臌力学模型及分析计算简图,根据弹性力学薄板理论,导出了压曲临界载荷计算式。研究表明, 临界载荷与厚跨比关系密切。这对于控制底板层状岩体压曲型底臌有一定的参考作用。分析了防治压曲底臌的有关研究成果，最后介绍了2个防治巷道底臌的实例。

关键词：深部开采；巷道底臌；压曲；力学原理；控制方法

中图分类号：TD327.3文献标识码：A文章编号：1672-1098(2008)01-0020-05

收稿日期：2007-01-08

基金项目：安徽省自然科学基金资助项目（070414169)；安徽省教育厅自然科学基金资助项目(KJ2007A116ZC)

作者简介：高明中（1957-），男，安徽淮南人，教授，博士生导师，主要从事矿山压力和岩体移动方面的研究。

Mechanism of Roadway Floor Heave by Bending under

Pressure and Its Control

GAO Ming-zhong

(School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: Deformation control of surrounding rocks of roadways is one of the key problems in deep mining. In order to solve the difficult problem of roadway support in soft rocks, mechanism of roadway floor heave and its control must be studied at first. There are roadway floor heave types such as extrusion, bending under pressure, expansion and shearing dilation, among them bending under pressure is the most common type. According to constitutive relations of surrounding rocks of roadway, mechanical model and analysis diagram of floor heave by extrusion was established. On the basis of plate theory of elastic mechanics, critical load calculation formula of bending under pressure was derived. Research shows that the critical load is closely relevant to the rate of thickness and span, which has certain reference in control of heave by bending under pressure of roadway floor in layered rock strata. Achievements of researches in prevention of floor heave by bending under pressure were analyzed and 2 examples of roadway floor heave prevention were presented.

Key words:deep mining; roadway floor heave; bending under pressure; mechanical principles; control methods

目前，我国东部矿井开采深度以每年10～25 m的速度发展，可以预计在未来20 年内我国很多煤矿将进入到1～1.5 km的深度。而深井开采中软岩及动压巷道底臌是较为常见的现象。通常当巷道底臌量小于200 mm时，对井下运输和通风的影响不大，不需要采取专门的防治措施。现场调查表明，在底板不支护的深部开采中，巷道围岩变形量大(一般在500 mm以上，有些巷道的位移高达3 000 mm以上，如淮南、铁法小康等矿区，金川镍铂矿区)，巷道顶底板移近量的2/3～3/4是底臌引起的。造成的巷道维修量占维修总量的50%。底臌导致巷道断面缩小，阻碍运输和人员行走，妨碍通风，甚至造成整个巷道报废，严重影响矿山的生产和安全，成为制约煤矿发展的主要问题之一。国内、外的研究表明，巷道围岩控制是深部煤炭开采中的关键问题，而要攻克深井软岩巷道支护的难关，就必须首先研究底臌的机理及其防治措施。

根据现场观测、物理模拟和数值模拟的研究结果［1-8］，深井软岩巷道底臌的机理可归结为4种基本类型：挤压流动性底臌、挠曲褶皱性底臌、剪切错动性底臌、遇水膨胀性底臌。引起巷道底臌的因素很多，其中，影响最大的有底板岩层性质、围岩应力、水理作用和支护强度等。底臌的原因在于失稳的底板岩层向巷道内压曲、偏应力作用下的扩容、岩石自身的遇水膨胀等。层状岩石底板在应变能释放过程中，在水平应力作用下浅部岩层发生离层或弯曲变形；在二次水平应力作用下发生压曲破坏。底板岩层压曲引起的底臌量占总底臌量的60%以上。因而，对层状岩体的压曲性底臌机理和控制进行研究，对于改善巷道支护效果，提高矿井安全生产的可靠性，具有重要意义。

1 弹性薄板力学分析

底板岩层在水平应力作用下发生压曲破坏时，应力小于其强度，岩层仍处于弹性状态，但将沿着原生裂隙的方向发生断裂。借此，可以把底板岩层看成是多层合矩形板（见图1）。在水平应力作用下，底板岩层的节理面闭合，连续传递压应力，故可将底板岩层视为连续的。当底板岩层厚度小于0.4 m时，岩层一般不具有稳定性。而我国煤矿巷道跨度多为3~6 m，这样，层厚与跨度之比小于1/5。因此可将底板岩层视为薄板。

图1 底板岩层赋存情况

考虑最不利条件，首层底板的四边已经断裂，故将板看成为四边简支的薄板。 设板厚为玸1， s2…s璶； 板沿着巷道横断面方向的折断长度为a， 受力为f瓁； 板沿着巷道轴向折断长度为b， 受力为ξf瓁， ξ为侧压系数。因此将巷道底板简化为四周简支的弹性薄板（见图2）。

图2 底板岩层力学模型

设玸1层板中面内力为T瓁,T瓂,T﹛y，由图2可知

T瓁=-f瓁玞os α,T﹛y=0,T瓂=-ξf瓁(1)

根据弹性力学中的薄板理论，玸1层板压曲方程为

D4w=T瓁2w祒2+2T﹛y2w祒祔+T瓂2w祔2(2)

式中：D为板的抗弯刚度;s为岩层的分层厚度，且D=Es312(1-μ2)。

将式(1) 代入式(2)得

D4w=-f瓁(玞os α2w祒2+ξ2w祔2)(3)

取薄板的挠度表达式为双重的纳维三角级数：

w=∑∞m=0∑∞n=0A﹎n玸in玬π玿a玸in玭π珁b

（玬、n为正整数） (4)

将式(4)代入式(3)中得

∑∞m=0∑∞n=0A﹎n玸in玬π玿a玸in玭π珁b［D(m2a2+n2b2)2-f瓁π2(玞os αm2a2+ξn2b2)］=0(5)

底板岩层的破坏是在一定的载荷作用下发生的，此时载荷为临界载荷，即底板岩层在此载荷作用下，即将发生压曲，进而产生底臌。从而由式(5)解得临界载荷。

F瓁=π2Da2［m2+n2(ab)2］2m2玞os α+ξn2(ab)2(6)

在式(6)中， 因所求的是板中临界载荷，故只需取纳维三角级数的第一项，即玬=n=1，若再令式（6）中巷道底板的长宽比k=ab，将式(5)代入得

F瓁=π2Es3(1+k2)212a2(1-μ2)玞os α+ξk2)(7)

由式(7)可知，底板岩层被压曲的临界载荷与底板岩层的弹性模量獷、分层厚度s、泊松比μ、长宽比k、倾角α、侧压系数ξ有关。

由式(7)可计算出在临界载荷作用下的玸1岩层的临界应力为

σ瓁=F瓁s1=π獷s21(1+k2)212a2(1-μ2)(玞os α+ξk2)

σ瓂=ξF瓁s1=ξπ獷s21(1+k2)212a2(1-μ2)(玞os α+ξk2)

τ﹛y=0(8)

当玸1层二次水平应力满足式（8）时，底板就产生压曲，如二次水平应力进一步增大，达到底板岩层的屈服极限时，底板将被折断。s1层发生压曲破坏后与s2层分离，s2层成为表面层受力状态与s1层相似，主要受水平应力作用，如满足压曲破坏条件将发生压曲破坏，s3层又成为表面层。如此循环，直到某一岩层不满足压曲破坏条件为止。一般地，在s1层被破坏后，s2的边界条件与s1层相似，但是由于巷道底角处两帮岩层的夹持作用,ξ减小；此外，当s1岩层破断以后，在巷道两帮的挤压作用下，使得s2岩层的折断长度a减小，所以巷道的长宽比k减小。这样，从而使底板发生断裂所需的临界载荷增大，水平应力也增大，那么，s3、s4…等岩层也一样，即随着底板岩层深度的增加，岩层发生折断越来越困难，发生底臌的可能性越小。也就是说，随着深度的增加，岩层折断越困难，这与底臌的实测是一致的。

2 压曲临界应力与底板岩层厚跨比

当巷道底臌段长度与巷道跨度相比足够大(玝→∞，k→0)时，则为平面压曲状态；并令i=s1a为底板岩层的厚跨比，则式（8）可以改写为

σ瓁=F瓁s1=π獷i212(1-μ2)玞os α（9）

压曲临界应力σ瓁与巷道底板岩层厚跨比i的关系如图3所示。图3 厚跨比与临界应力的关系

图（3）中曲线1的獷大于曲线2的E。底板岩层越坚硬（E越大），σ瓁越大，越难以发生底臌；无论E如何，随i增大，σ瓁增大。i对σ瓁的影响十分明显。换句话说，巷道埋深,跨度越大，底板岩层分层厚度、岩层强度越小，越容易发生压曲破坏。

当临界应力超过岩石单轴抗压强度时，底板岩层将发生剪胀破坏。因此厚跨比与临界应力(或强度)实际关系曲线为玜bc或ade（见图3）。bc和de段应力值等于岩层单轴抗压强度。以abc曲线为例, ab段表示的是压曲底臌，bc段表示的是剪胀底臌。

此外，式（9）中σ瓁与cos α成反变关系。所以当岩层倾角α增大时，cos α减小，而σ瓁则增大。故倾斜岩层相对于水平岩层来说，发生压曲底臌时的临界应力较大。

图3的分析与现场实际观测的底臌现象是一致的，说明上述底板压曲临界应力公式符合实际情况。总之,层状底板的变形破坏是一个复杂的问题，除了上述厚跨比的影响以外，还受岩层的赋存状态、围岩应力情况、岩层性质、巷道开挖的形状等诸多因素的影响。维护层状底板的稳定要结合具体的情况，综合考虑各个因素的影响。

对式（9）分析可得出控制巷道压曲性底臌的途径为：

(1) 改变围岩力学特性，提高围岩强度及弹性模量獷，减小泊松系数μ；

(2) 加强顶板和两帮支护，缩小围岩塑性区，减少断裂宽度玜，增大厚跨比i；

(3) 采用锚杆或注浆支护，加大底板岩层厚度玸，提高厚跨比i；

(4) 开卸压槽，减少断裂宽度玜，增大厚跨比i。

3 控制压曲性底臌的方法

控制巷道底臌的方法，总体上可概括为加固和卸压两大类。加固方法中包括带底拱的U型钢可缩性支架、混凝土碹和弧板等全断面支护法以及底板锚杆、底板注浆和锚注结合等。基本原理是相对增大底板岩层厚度以及改变围岩的力学性质。卸压方法有巷道周边卸压法，如帮底开卸压槽和底板深部松动爆破等，前苏联在这面研究较多，但研究发现，用巷道周边卸压来防治底臌的现场效果并不理想，且实施困难；另一类卸压法为降低整个巷道围岩应力，如利用煤层开采引起围岩应力重新分布的规律，或者在巷道和硐室顶部开槽卸压，从而减少受采动的影响，使巷道位于卸压区内。实践证明，该类卸压法是行之有效的,但工程量较大。下面重点介绍加固法的运用。

3.1 全封闭U型钢可缩性支架

淮北芦岭煤矿的8煤回采巷道，围岩极为松散破碎，巷道底臌速率长期高达8～12 mm/d。底板为软弱破碎岩体，主要是岩层产生挤压流动，用打底板锚杆的方法来控制底臌效果不理想。底锚杆可锚性极差，虽然可降低掘巷初期的底臌速率，但不能有效防治底臌。后来改进设计，采用4项措施［9］(见表1)：①因地制宜选择合理的架型：沿底掘进的巷道采用方环形支架，预采顶分层放顶煤沿底掘进的巷道采用圆形支架、沿顶掘进的巷道中使用马蹄异形支架；②采用大压茬、多卡缆，提高单个棚子的工作阻力；③使用多路固定拉杆提高型棚整体稳定性，使封闭式支架和底梁均成为整体结构；④架后铺网,防止漏顶造成局部集中载荷。表1 各不同支护方式的围岩移近情况

支架形式初期移近速度

/(mm•d-1)初期变形量

/mm稳定移近速度

/(mm•d-1)流变变形量

/mm总变形量

/mm底臌比

/%半圆拱29~34320~36011310~360630~72050~60封闭式支架18~30170~2806~8170~350340~67030~40

由表1可以看出：从变形速度上看，巷道属于典型的持续流变极难维护类型。但封闭式支架的高刚度和高工作阻力特征，可以有效地控制围岩流变速度；从移近量上看，封闭式形支架对围岩的控制效果明显优于半圆拱支架，尤其对底臌的控制明显。

研究表明：无论采用何种全封闭可缩性金属支架，均不能改变围岩性质。通过观测，围岩变形量与观测时间均近似呈对数函数关系。同一巷道采用不同架型，尽管变形规律均服从某一规律，但在控制巷道变形速度和最终移近量上有较大的区别。

3.2 “三锚”支护控制底臌

底板岩性直接决定着底板锚杆控制底臌的成败。当底板为中硬层状岩层时，在平行于层理方向的压应力作用下产生挠曲褶皱。这时通过打底板锚杆防治底臌效果良好。但松软底板臌起的深度一般为巷宽的0.75倍，因此，短锚杆难以阻止底臌。而实际工程中，宽度为5 m的巷道，必须采用4 m左右的锚杆，由于施工工艺复杂，较难实现，需寻求新的支护方式。

新集刘庄煤矿第一水平井底车场垂深790 m，井底车场以泥岩和砂质泥岩为主，占地层总厚的90%以上，普式硬度系数玣=2~6，其中泥岩类岩石层理发育，强度较低，风化速度快，遇水易泥化而且自稳性差，自稳的时间短，总体看来，岩体稳定性差，节理化明显。车场巷道，底臌变形为主，顶和帮变形相对较小。显现出深井软岩巷道的特征，即首先在无支护的底板形成较大范围的破碎区和塑性区，然后开始底臌，岩层移动带动两帮变形和顶板下沉。在支护设计中，确定采用以“三锚”技术为核心内容的分步（针对围岩变形的阶段性）、动态（针对围岩非线性力学响应）加固围岩的技术路线。主要技术措施有［10］：①设计和研制了小直径光爆药管结构，保证了周边眼径向空气间隙不耦合装药，使周边眼的眼痕率取得70%以上的光爆效果。掏糟眼孔内分层装药、分段起爆的“孔内分段爆破漏斗掏糟方式”设计合理，可有效确保炮眼利用率在90%以上；②有效地运用了及时喷锚、补强锚索、适时滞后注浆等分步加固技术；③锚杆支护为基础（以锚为主、以喷为辅）；④锚索支护为辅助（关键部位二次补强）；⑤锚注支护为关键（全断面锚注）；⑥底臌明显地段，在底板预定深度进行松动爆破，再向底板钻眼注浆，在巷道底板岩层深处形成卸压区，浅部形成强度较大的碎石反拱，与浇灌混凝土反拱相比，其承载能力更高而成本明显降低。现场观测表明：在深井软岩巷道中维持着不同量值的持续流变，“三锚”支护有效地控制了围岩变形速率和变形量，将锚喷、锚索、锚注有机地结合起来并与围岩进行有效耦合，可以弥补各自的不足具有广泛的实用性。

4 主要结论

（1） 从对不同厚跨比层状底板岩层变形破坏力学分析来看：底板岩层的厚跨比是影响压曲性底臌的关键因素；底板岩层的变形性质和底板岩层的倾角是影响压曲性底臌的重要因素；底板岩层的强度性质是影响底板破坏形式的决定性因素。

（2） 层状底板在水平应力作用下，当厚跨比小于临界厚跨比时为压曲破坏；大于临界厚跨比时为剪胀破坏。

（3） 临界应力与厚跨比关系密切，而这又取决于底板层理和节理分布以及巷道跨度。因此，底板岩体结构和工程尺寸是其稳定状态的决定性因素之一。

（4） 根据临界应力公式可定性解释控制底臌措施的机理为改变力学性质和厚跨比作用。底板岩性决定着控制底臌措施的成败。底板锚杆和“三锚”支护，对于中硬层状岩层的压曲性底臌控制较为有效；而松散破碎底板采用全封闭式支架，是一理想选择。

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(责任编辑：何学华)