高地应力下巷道底板拱结构分析及其应用

陈盼　谷拴成

摘要：為解决高地应力条件下煤矿巷道底板易发生底鼓且难以支护的技术问题，以巷道底板隐形拱为研究对象，构建了巷道底板隐形拱结构力学模型，理论分析了高地应力条件下巷道底鼓机理，提出了底板支护方案和支护参数确定方法，并通过工程实例验证了该方法的支护效果。结果表明：巷道底板变形破坏实质为底板隐形拱结构逐步向深部发育的过程，底板隐形拱的形态与底板岩层所受水平侧压力和两帮支承压力相关，具体表现为竖直方向椭圆、圆及水平方向椭圆3种不同形态。在巷道底板中布置注浆锚索（杆）可以形成一定厚度的挤密加固拱结构，能有效阻止巷道底板拱结构向深部发育，从而改善巷道底板稳定性;以陕西彬长矿区某矿回风大巷底板修复为例，运用上述理论对该巷道底板支护方案及其参数进行优化设计，现场监测结果表明，巷道底板变形控制效果良好，保证了工作面的安全高效回采。研究成果可为高地应力条件下巷道底板支护参数确定提供理论依据。

关键词：围岩控制;高地应力;巷道底板;隐形拱;支护优化

中图分类号：TD 353文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2022）04-0701-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0409

Analysis of arch structure of laneway floor under

high ground stress and its applicationCHEN Pan GU Shuancheng

（1.College of Civil and Architectural  Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Research institute of hydrogeology，Xian Research Institute of China Coal

Technology & Engineering Group Corp.，Xian 710052，China）Abstract：In order to solve the technical problem that the floor of the coal mine laneway is prone to floor heave and difficult to support under the condition of high ground stress，this paper，taking the invisible arch of the laneway floor as a research object，constructs the structural mechanical model of the invisible arch of the laneway floor，theoretically analyzes the mechanism of the laneway floor heave under the condition of high ground stress，puts forward the floor support scheme and the method to determine the support parameters，and verifies the support effects of this method through an engineering example.The results show that the deformation and failure of the laneway floor is essentially the process that the invisible arch structure of the floor gradually develops to the deep.The shape of the invisible arch of the floor is related to the horizontal lateral pressure and the supporting pressure of the two sides of the floor strata，which is specifically manifested in three different shapes：vertical ellipse，circle and horizontal ellipse.Placing grouting anchor cables（bolt）in the laneway floor can form a certain thickness of compaction reinforced arch structure，which can effectively prevent the development of laneway floor arch structure to the deep，so as to improve the stability of laneway floor.With the floor restoration of the return air main laneway in a mine in Binchang mining area，Shaanxi Province as an example，the floor support scheme and its  parameters are optimized by using the above theory.The field monitoring results show that the laneway floor deformation control effect is good，which ensures the safe and efficient mining of the working face.The research results can provide a theoretical basis for the determination of laneway floor support parameters under high ground stress conditions.

Key words：surrounding rock control;high ground stress;laneway floor;extrusion flow;support optimization

0引言

深部巷道掘进后，其底板岩体在高地应力作用下将发生不同程度的变形与破坏，强烈的巷道底鼓不仅显著增加维护费用，而且严重影响煤矿的安全高效生产，已成为深部岩体工程领域研究的热点和难点[1]，近年来诸多学者进行了大量的研究工作。康红普认为底板岩层的压曲、扩容和膨胀是引起矿山巷道底鼓的重要原因[2];文志杰等建立了剪切错动型巷道底臌力学模型，提出一种与剪切错动型巷道底臌力学机理相适应的新型反底拱底臌控制技术[3];孙闯建立压杆模型并提出一种估算巷道底鼓水平应力的方法[4];孟祥瑞等基于弹性模型分析底板任一点的应力状态，建立底板破坏判据[5];黄庆享等针对回采巷道底板破坏深度确定难题，建立底板破坏力学模型，分析巷道底板的极限承载力和挤压流动型变形的破坏机理[6];杨仁树等提出以“协调围岩非均匀变形、控制挤压流动底鼓、强化围岩承载结构”为核心的联合支护方案[7]。黄琪嵩等分析岩性对底板应力状态及其破坏特征的影响[8];丁国峰等分析回采巷道顶板和两帮强度对底板岩层稳定性的影响，认为加固顶板和两帮有利于控制巷道底板变形[9];孙晓明等利用压杆稳定理论建立巷道底板的挠曲破坏机理[10]。

在巷道底板稳定性控制方面，王卫军等根据底鼓机理提出通过加固两帮和底角来控制巷道底鼓的方法[11];何满潮等基于深部软岩巷道的非线性大变形破坏现象，讨论巷道底鼓的锚网索耦合支护技术[12];谢广祥等研究采用注浆锚杆配合混凝土回填控制深部巷道底鼓技术[13];张农等认为巷道底板应构建整体封闭式进行主动支护，并辅以结构补强[14];刘泉声等提出采用混凝土反底拱结合注浆、预应力锚索联合加固软岩巷道底板的方法[15];侯朝炯等分析深部巷道底鼓“两点三区”的变形特征，可以通过控制巷道顶帮来抑制底板的变形[16]。

在实际工程中，由于底板所处地质条件和力学环境的多样性和复杂性，其变形机理及控制措施也不尽相同，从而导致底板支护参数确定依然具有很大的盲目性，造成支护效果不佳。以陕西彬长矿区某煤矿回风大巷为工程背景，在总结分析前人研究成果的基础上，通过构建高地应力条件下巷道底板的隐形拱结构力学模型，分析底板拱结构的演化规律，提出底板最大破坏深度及其加固拱厚度的确定方法，为合理设计高地应力下巷道底板的锚固参数提供科学的理论依据。

1巷道底板变形破坏力学机理

高地应力条件下，巷道开挖以后，围岩应力重新分布，在两帮形成支承压力，巷道底板除受下部岩层向上的挤压荷载，以及水平地应力作用外，还受帮部破裂区和极限平衡区支承压力作用，在这些荷载共同作用下底板岩层将由上向下逐层发生剪切滑移破坏，上部岩体逐渐从水平挤压状态向上隆起变为局部拉应力状态，实践证明，巷道围岩破坏到一定程度后即停止变形，能够形成“隐形拱状自稳结构”，使围岩保持极限平衡状态，并能长期稳定[17-18]，如图1所示。

巷道底板变形破坏形成的隐形拱把底板岩体分为受拉区和受压区2部分，以拱轴线为界，在受拉区内，底板单元体中拉应力大于零，为潜在危害岩体;拉应力为零的应力单元连线形成隐形拱轴线，拱轴线处岩体只受沿拱轴线方向的压应力;拱轴线以外岩体仍然处于三向应力状态，为稳定区。文献[19]的实测结果也验证了这一点。

由于擴容作用，巷道底板受拉区的岩体体积增大，向上位移后形成底鼓。对于高地应力条件下的巷道，如果底板处于敞开不支护状态，很难在浅部形成稳定的拱结构，导致巷道底板破坏不断向深部发展，造成巷道严重底鼓。由此可见，巷道底鼓量大小主要取决于底板拱结构的位置。

2不同侧压条件下巷道底板最大破坏深度

以巷道底板变形破坏过程中形成的自稳隐形拱为研究对象，由拱轴线的受力特征可知，拱轴线上所有点的弯矩及剪力均为零，只有轴向力的作用。根据对称性取半拱结构建立力学模型如图2所示[20]。

3基于隐形拱的巷道底板支护措施

3.1高应力下底板支护机理

由以上分析可知，巷道剧烈底鼓的原因是底板不能在浅部形成稳定的拱结构，导致拱结构一再向深部发育。故巷道底板控制的出发点是阻止巷道底板拱结构向深部发育，或在浅部构建一个拱结构以抵抗巷道底板荷载，保证底板稳定。

和巷道顶帮支护类似，底板支护应首先最大限度利用围岩的自承能力和自稳结构，故对于新掘进巷道，底板控制施工应紧跟掘进工作面，及时施加支护结构，改善底板岩层受力特征，减小围岩强度损失，防止底板自稳隐形拱结构向深部发育。若此时底板巷道围岩强度不能满足要求，需通过注浆等人工补强方式形成稳定结构。对于已经发生严重底鼓的巷道，在清理底板至设计巷道断面后，就需要采用更加有效的手段来增加底板已破坏岩体的峰后残余强度，并配合高预应力锚杆（索）等措施使其形成稳定结构。

阻止巷道底板拱结构向深部发育的主要方法是增加巷道底板岩体强度，改善巷道底板岩体受力特征。具体可采用注浆加固的方式增加底板巷道围岩强度，采用预应力锚杆（索）方式改善底板巷道围岩受力特征。如图3所示，可通过高预应力锚杆（索）配合底板注浆的方式在巷道底板构建一个挤密加固拱结构来抵抗底板荷载，以达到预防底鼓的目的。

3.2挤密加固拱有效跨度的确定

3.3底板挤密加固拱厚度的确定

所构建底板挤密加固拱拱轴线取巷道自稳隐形拱轴线，拱轴线各截面只受沿拱轴线方向的压应力，故可以根据底板岩石抗压强度来确定挤密加固拱的厚度，拱轴线上任一点受力如图4所示。

4工程验证

陕西彬长矿区某矿二采区回风大巷平均埋深620 m，断面尺寸为4 m×3.2 m（宽×高）。巷道开挖后，由于水平构造应力较大，且底板除采用混凝土铺底外，没有采取其他支护措施，巷道围岩出现了较大变形，底鼓现象尤为严重，如图5所示。

现场清理底板至设计断面后，拟在底板构建拱结构治理巷道底鼓，并采用上述理论确定底板锚杆（索）的支护参数。对巷道清理底板过程中产生岩石进行现场取样，并通过实验室实测，得到底板岩体物理力学参数见表1。

4.1巷道帮部极限平衡区宽度的确定

将表1参数代入式（4）可得巷道帮部极限平衡区宽度为

4.2底板挤密加固拱半轴的确定

4.3挤密加固拱参数的确定

根据现场情况，基于“治底先治帮”的思路，为防止帮部2.2m破碎区向深部发育，首先在巷道煤帮部施工长度为2.5 m的预应力锚杆。底板采用“底板注浆+锚索+钢筋网片+W钢带”联合支护。考虑到底板已经发生过大变形，故首先在底板浅层施工短钻孔，预注浆，封闭底板表层裂隙，然后施工锚索孔。

根据锚索间距小于1.66 m的要求，并结合现场实际情况，设计底板锚索4根，其中巷道中间布置竖直向下锚索2根，间距1.4 m，两帮靠底角位置分别布置向外倾斜30°的锚索各一根，间距均为1.3 m，如图7所示。锚索孔施工完毕，安装锚索钢绞线后，利用锚索孔对底板进行高压注浆，最后再配合钢筋网片和W钢带完成锚索安装，带浆液凝固后，进行锚索张拉，保证每根锚索预应力大于180 kN。

新支护方案实施后，依據矿压监测要求，在巷道布置了2个间隔15 m的围岩变形监测断面，采用十字布点法分别在巷道顶底板和两帮布置表面围岩监测点。根据近3个月的矿压监测数据分析，2个断面监测所得数据接近，两帮移近量平均为92 mm，顶板下沉量和底鼓量均较小，顶板下沉量平均仅为23 mm，底鼓量平均仅为51 m m，且围岩变形主要发生在施工完成后的35 d内，35 d以后巷道围岩已基本稳定。可以看出，采用该方法有效控制了巷道底鼓。

5结论

1）高应力条件下巷道底板变形破坏实质为底板隐形拱结构逐步向深部发育的过程，底板隐形拱的形态与底板岩层所受水平侧压力和两帮支承压力相关。

2）通过锚索（杆）支护、注浆等方法，在巷道底板中形成一定厚度的挤密加固拱，可显著改善底板岩体受力特征，阻止底板拱结构向深部发育，达到改善巷道底板稳定性的目的。

3）将上述理论应用于彬长矿区某矿回风大巷底板加固，现场测试治理段巷道平均底鼓量仅为51 mm，35 d以后巷道围岩已基本稳定，表明巷道底板变形得到了有效控制，底鼓治理效果显著。

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