加固顶板和两帮控制回采巷道底臌研究*

丁国峰，王苏健，谢文兵，邓增社，王其洲

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221116;2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州221116)

0 引 言

巷道开挖以后，破坏了岩体的原岩应力状态，引起围岩应力重新分布，巷道围岩产生向巷道空间内的位移。随着巷道埋深的增大或受采掘工程影响后，巷道顶底板和两帮围岩位移不断增大，巷道底板向上隆起，这种现象称之为底鼓［1］。底鼓是煤矿常见的矿压现象，对动压影响回采巷道而言尤为普遍和严重，尤其是随着煤矿采深的不断增加，巷道底鼓问题更为突出，底鼓量已成为巷道变形的主要组成部分［2-4］。现有研究多仅仅围绕底板岩层的性质和受力状态等因素，对底鼓的发生机理及其控制技术进行研究，忽略了巷道围岩其他部位对底板岩层变形的影响作用。而研究表明［5-7］，巷道是由顶板、两帮和底板共同构成的复合结构体，各部位的岩体强度、应力状态及变形破坏等特性方面的差异显著，尤其受巷道开挖和工作面回采等影响后，其所处的应力状态及变形破坏规律也不尽相同，往往表现为巷道各部位不均匀变形程度显著，巷道围岩的结构稳定性较差。大量工程实践表明［8］，巷道底鼓往往与顶板下沉及两帮内移同时发生。从提高巷道围岩整体结构稳定性的角度出发，着重考虑顶板及两帮与底板相互作用关系，采用理论分析、数值模拟和现场试验等方法，研究提高顶板和两帮支护强度对控制底板岩层变形的影响，并提出了加固顶板和两帮控制巷道底鼓的技术。现场工业性试验结果表明，加固顶板和两帮能较好的控制巷道底鼓。

1 顶板和两帮变形对底臌的影响分析

回采巷道一般沿煤层掘进，两帮为煤体，顶板和底板多为岩体，各部位岩层的物理力学性质和受力状态有较大差异。巷道顶板强度是围岩应力分布和塑性区范围等的重要影响因素之一，通过改变围岩的应力分布进而影响巷道的底臌［9］。巷道两帮多为强度较低的煤体，在高应力作用下易发生剪胀破坏，产生垂直方向压缩和向巷道中心的位移，同时形成的二次水平应力作用在底板岩层上，使其产生挠曲位移，进而影响巷道底板岩层的稳定性［10-13］。因而，针对回采巷道的结构特点，研究顶板和两帮分别采取不同支护对底臌的影响，并进行理论分析和数值计算。

1.1 顶板变形对底臌的影响

当加固顶板后，其承载能力进一步提高，围岩应力进一步向顶板集中，同时促使巷道帮部的垂直应力峰值远离两帮，进而降低了底板的应力集中程度，降低了底板塑性区范围，有利于减小了底板位移量。在U 型钢棚和锚网支护的巷道中，通过预应力锚索对顶板进行加固，一方面可以调动顶板深部稳定岩层强度，增加支护体系的承载性能，同时对浅部松散围岩体的挤压作用，增加了浅部围岩的残余强度。另一方面，锚索的悬吊效应减小了顶板松散围岩体通过两帮传递至底板的应力，同时又在巷道顶板形成支撑点，减小了顶板梁结构的跨度，降低了顶板的挠曲位移量。

1.2 两帮变形对底臌的影响

两帮强度和变形影响巷道底臌。由于两帮往往为煤体，较顶板和底板强度低，容易产生破坏，是整个巷道围岩体的结构薄弱环节。通过在帮部进行加固，一是有利于保证围岩-支护体的结构稳定性，防止围岩-支护体发生结构性失稳破坏，提高其整体承载能力;二是提高两帮煤体的强度，减小围岩松动圈范围，有利于减小底板层状结构的跨度，即实际发生底臌的底板岩层宽度。研究结果表明［14］，底板岩层的挠曲位移△h1与实际发生挠曲的底板岩层宽度l 呈△h1∝(l4)关系;三是减小两帮移近量，巷道开挖后，底板浅部岩层由三向受力变为二向受力，承载性能大大降低，当挠曲量较大时，底板浅部岩层多已弯曲断裂，失去了承受垂直方向载荷的能力，当巷道两帮相对移近时，产生的二次水平应力作用于底板浅部岩层上，使底板产生压曲位移，压曲位移△h2与两帮移近量△x 呈△h2∝(△x2)关系。四是加固两帮可以促使应力向帮部转移，相应地减小了底板浅部围岩的应力集中，有利于控制巷道底臌。通过预应力锚索在两帮进行加固可以充分发挥两帮深部稳定围岩的承载性能，提高两帮煤体的强度，保证了围岩体的结构稳定，同时促使应力集中向两帮转移，减小了两帮移近量和底板岩层发生底臌的宽度，从而减小了挠曲效应引起的底臌量。

图1 模型示意图Fig.1 Sketch of model

2 顶板、两帮变形与底臌关系的数值模拟

数值模拟分析采用FLAC2D软件，主要分析回采巷道分别在顶板、两帮进行加固时，底板的塑性区、应力分布和位移变化等，研究顶板、两帮变形对底臌的影响规律。

2.1 数值模型及参数确定

研究以某矿井12305 工作面回风巷地质条件为例。该回采巷道平均埋深为668 m，巷道为直墙半圆拱形巷道，设计断面为4 m×3 m(宽×高)，沿煤层顶板掘进。主采煤层为下石盒子组2#煤，煤层平均厚度4.0 m，呈近水平赋存，煤体原生裂隙发育，极为破碎;直接顶为砂质泥岩，裂隙发育;直接底为碳质泥岩。

计算模型大小为45 m ×45 m，上边界加载18 MPa 的应力模拟上覆岩层的重量，左右边界为支承边界，下边界为固定边界。采用Mohr-Coulomb强度准则，侧压系数取1，采用大应变计算模式，工作面回采引起的超前支承压力按2 倍原岩应力考虑。数值计算模型如图1 所示，各岩层的力学参数见表1.

表1 各岩层的力学参数Tab.1 Mechanical property of rock

2.2 模拟方案

以该矿12305 工作面回风巷为模型，研究顶板和两帮采取不同支护方式时对底板围岩应力状态和位移造成的影响。具体模拟方案

1)模拟顶板在无支护、锚网支护和锚网索耦合支护时，底板围岩的应力变化和底臌量;

2)模拟两帮在无支护、U 型钢棚支护、棚—索协同支护、锚网支护和锚网索耦合支护时，底板的变形特征。

2.3 结果分析

2.3.1 顶板变形对底臌的影响

1)垂直应力分布。图2 为垂直应力分布图，图中坐标与图1 对应。从图可知，用全锚索对顶板进行加固后，顶板应力集中程度增高，两帮的垂直应力峰值较无支护时向两帮深部围岩转移，底板应力降低，说明通过加固顶板可以使应力向顶板集中，从而减小底板岩层的应力集中程度。

图2 围岩垂直应力等值线图(MPa)Fig.2 Vertical stress contours of surrounding rock

2)底板位移。顶板加固对底板位移影响如图3 所示，当顶板采用锚索支护时，顶板强度较高，底鼓量最小，锚索可以充分发挥顶板深部稳定岩层的承载性能，促使应力向顶板深部集中，对减小底臌效果较为明显。

图3 加固顶板对底臌影响Fig.3 Effect of reinforcing roof on floor heave

2.3.2 两帮变形对底臌的影响

1)塑性区分布。从图4 可以得知，无论是锚网支护还是U 型钢棚支护，通过锚索加固两帮后，顶板的拉破坏单元减少，帮部的拉破坏单元减少，剪切破坏区范围缩小，缩小量在2.5 m 左右，底板的拉破坏单元有所减少，塑性区范围减小，底角处的剪切破坏范围减小，弹性恢复单元数目增多，有利于减小发生底臌的底板岩层宽度。

图4 加固两帮前后围岩塑性区分布Fig.4 Distribution of plastic yielding area of surrounding rock before and after reinforcing sides

2)底板垂直位移。图5 为采用不同支护方式时两帮煤体下底板垂直位移曲线。由图可知，当无支护时一侧煤体2.3 m 范围内底板岩层均产生了垂直位移，采用锚索分别在锚网和U 型钢棚支护加强后，缩小至1.5 m 左右，大大减小了产生垂直位移的底板岩层宽度，有利于控制底臌量。这说明加固两帮可以提高帮部煤体的强度，减少两帮塑性区范围，抑制发生垂直位移的底板宽度，从而减小了底板挠曲效应，减小了巷道底臌量。

图5 两帮煤体下底板垂直位移Fig.5 Vertical displacement of floor strata under sides mass

3)水平位移。岩层水平移动是影响底鼓量重要因素之一。图6 为距巷道帮部表面0.5 m 深处垂直截面上围岩体的水平位移分布图，其中-7 ～0 m 为底板，0 ～3 m 为帮部。用预应力锚索对两帮进行加固后，两帮和底板岩层水平移近量明显减小，有利于减小底板岩层的挠曲位移量。

图6 帮部水平位移Fig.6 Horizontal displacement of side

4)底板位移。巷道两帮的强度越大，则底臌量越小。如图7 所示，当采用锚索分别在锚网支护和U 型棚支护的帮部加强后，底臌量明显减小。说明两帮变形越大，底臌量也越大。与图3 比较可知，在巷道顶板和帮部分别采取加强支护后，加强两帮对于减小底鼓量的效果更为明显。这说明在同等条件下加固两帮对底板的控制作用要大于加固顶板。

图7 加固两帮后底臌位移量Fig.7 Vertical displacement of floor strata after reinforcing sides

从上述数值分析可知，针对回采巷道顶板和两帮进行加强支护，可提高顶板岩层和两帮煤体强度，改善底板的受力状态，从而有效控制巷道底臌。由此可见，控制底臌应当从巷道的整体结构出发，研究各部位的相互作用，从而有效地控制底臌。

3 工程应用

3.1 试验巷道概况

韩城矿业公司下峪口煤矿1110 工作面回风巷为直墙半圆拱巷道，顶板为坚硬的砂岩，底板为粘土泥岩，两帮煤体极为破碎。巷道原采用U 型钢棚支护，排距为600 mm.受工作面回采引起的超前支承压力影响，该回采巷道破坏严重，两帮内移500 mm，两帮最大移近量达800 mm，致使U 型棚搭接处卡缆螺杆多断裂失效;顶板下沉量200 mm以上，由于大量卡缆螺杆断裂失效，破坏了U 型棚的整体结构，大大降低了拱形巷道承受垂直载荷的能力，变形严重段顶板下沉达600 mm;巷道开挖后，巷道底臌较小，但受工作面超前支承压力影响后，巷道底臌强烈，工作面端头处最大底鼓量可达1.0 m 左右，严重影响工作面的回采。在底臌严重段进行卧底，仍无法控制巷道底臌。

3.2 试验方案确定

为有效控制巷道底臌，决定在巷道顶板和两帮进行加强支护。同时为进一步研究加固顶板和两帮对控制底板变形的效果，采用两种不同的支护方案对未受支承压力影响的巷道进行加固。方案一:在试验段一顶板采用三根预应力锚索进行加固，两帮分别在帮中和帮脚处用预应力锚索加固;方案二:在试验段二顶板中间用一根预应力锚索进行加固，两帮分别在帮脚、帮中和肩窝处用锚索进行加固。锚索选用φ17.8 mm × 6 000 mm 1860 钢绞线，并用锚索托梁压住两棚，锚索布置于U 型棚中间，排距为1 200 mm，锚索预紧力不小于100 kN，锚索托梁由废弃的U25 型钢制成，长度为850 mm，在用锚索加固前，再次预紧U 型钢棚卡缆螺母，预紧力矩不小于250 N·m.

3.3 矿压观测与分析

3.3.1 围岩位移分析

施工完成后，在不同方案支护段分别布置1#和2#测站，连续监测了试验段巷道受工作面采动影响期间围岩变形和支护承载结构的承载力。两试验段在工作面回采过程中围岩位移量见表2 所示。从表2 可知，在巷道顶板和两帮加固后，有效地控制了巷道围岩变形，底臌量大大减小;两帮移近量在帮脚处最大，向上逐渐减小，即在垂直截面上两帮移近量呈不均匀分布。实测结果表明，为保证帮部围岩稳定，减小两帮移近造成的底板压曲效应，应加强帮脚处的支护。

表2 巷道围岩变形观测数据Tab.2 Measured data of surrounding rock deformation

3.3.2 支护体承载分析

以试验段二为例分析支护体的实际承载状态。图8 测站监测点布置，其中1#～3#锚索分别位于巷道采空区侧帮脚、帮中和肩窝处，4#锚索位于顶中;1#～7#支架液压枕用于监测支架采空区侧各部位的载荷。图9 为采空区侧半个巷道断面支护体承载曲线，随着工作面推进，一是帮部预应力锚索先于被动支护的U 型棚受载，且所受的载荷及其增量明显大于U 型棚各部位载荷。其中帮脚1#锚索所受载荷最大、增速最快，顶中4#锚索受载较帮部较小且稳定增加，这主要是因为两帮内移致使U 型钢支架顶部拱起，支架顶部及时承载，降低了锚索所受载荷;二是支架各部位荷载较均匀，发挥支架的整体承载能力，保证了支架的结构稳定性。

图8 测站监测点布置Fig.8 Station monitoring arrangement

图9 U 型钢棚-锚索承载曲线Fig.9 Load curve of U-shaped shed and cable

4 结 论

1)巷道围岩是由顶板、两帮和底板共同组成的复合体。底板岩层的稳定不仅与自身的受力状态和岩性有关，而且还受顶板和两帮强度的影响。加固顶板可以促使应力向顶板转移，改善底板的受力状态;加固两帮可以减小底臌宽度和两帮移近量，减小底板的挠曲和压曲效应。

2)数值分析和现场试验均表明，在一定条件下控制巷道两帮围岩变形对减小巷道底臌量的作用要大于控制顶板围岩变形的作用。

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