魏軍強 徐 營， 徐自強 李德賢 崔繼強 王賢來

（1.中國礦業(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家重點實驗室，甘肅 金昌 737100）

隨著煤炭資源開采深度的逐漸增加，礦井進入了深部開采階段，底鼓現(xiàn)象成為深井煤礦比較常見的礦壓顯現(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。在對巷道底板不支護的情況下，巷道頂?shù)装逡七M量大都是由于底鼓產(chǎn)生的。大量的巷道工程現(xiàn)場實測表明，幾乎所有的巷道均存在不同程度的底鼓，嚴重影響生產(chǎn)和威脅安全［2］。底鼓現(xiàn)象通常發(fā)生在軟巖、采動及深部巷道中［3-6］，國內(nèi)外專家曾用壓模傳遞、彈性勢能、破壞準則、梁（板）屈曲等理論解釋巷道底鼓現(xiàn)象。許多國內(nèi)外著名學(xué)者對巷道底鼓的機理以及控制技術(shù)的研究做出了大量貢獻，取得了許多非常重要的成果。但開采深度的不斷增加而導(dǎo)致高應(yīng)力軟巖具有獨特的性質(zhì)，以及巷道受到回采工作面的采動影響，造成底鼓現(xiàn)象非常嚴重。在巷道支護理論上，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，很少從能量的角度出發(fā)去考慮解決巷道底鼓支護的問題。上世紀開始許多學(xué)者對巷道能量支護理論進行了研究，學(xué)者們認為，能量貫穿在巷道支護體與圍巖力傳導(dǎo)和圍巖強度的改變上，在井下采礦過程中，能量轉(zhuǎn)移一直存在，在支護體和圍巖內(nèi)部，能量起到了主導(dǎo)作用［7］。但沒有從能量的角度解釋支護體在巖石能量釋放耗散過程中對圍巖變形破壞的控制作用。本項目采用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，主要研究巷道支護過程中支護體對圍巖塑性耗散能的控制作用，進而從能量的角度來研究支護體對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治市，由于埋深較大受高地應(yīng)力和回采工作面采動的影響，巷道底板出現(xiàn)不同程度的底鼓現(xiàn)象，嚴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。在巷道底板處于無支護狀態(tài)下，巷道出現(xiàn)底鼓的情況更為頻繁、程度更加嚴重。李村煤礦的地下巷道，不僅變形量大（巷道頂?shù)装逡七M量可達數(shù)十厘米甚至1.0 m以上，底鼓可達數(shù)十厘米甚至更大），而且變形破壞持續(xù)時間長。李村煤礦原支護方案采用頂、幫錨網(wǎng)聯(lián)合支護方式，底板無支護，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控制措施，可以通過增加底板圍巖強度，增大其承受載荷的能力或采取開設(shè)卸壓槽等應(yīng)力控制手段避免應(yīng)力集中來控制巷道底鼓變形。

2 巷道底鼓能量分布規(guī)律模擬分析

本研究對巷道完全未支護和原有支護條件下圍巖應(yīng)力場以及能量場分布的規(guī)律進行對比分析。從能量的角度來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，支護對巷道圍巖能量的控制主要表現(xiàn)在兩個方面，一是控制能量的釋放，二是控制能量的耗散。通過研究巖石力學(xué)試驗過程可發(fā)現(xiàn)，在達到巖石的峰值強度之前，主要為彈性能積聚，同時伴隨著巖石內(nèi)部能量的耗散，塑性能占比較少，在達到峰值強度之后表現(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。在采礦活動過程中，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為這幾種能量相互轉(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，由于動能、熱能等能量遠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)變能密度表達式為

式中，μ為泊松比；E為彈性模量。

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

式中，G為剪切模量。

巷道圍巖內(nèi)部所儲存的彈性應(yīng)變能為

同時可以得到，巷道所產(chǎn)生的塑性耗散能為

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

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。

在巷道掘進過程中，忽略其他因素的影響，由工程地質(zhì)條件確定開挖每米巷道過程中所處原巖對圍巖所做的功是不變的，因此根據(jù)能量守恒定律，巷道開挖過程中對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際地質(zhì)條件為背景，然后通過FLAC3D建立巷道三維實體模擬模型，如圖1所示。巷道斷面為矩形，寬為5 m，高為3.5 m。設(shè)計模型尺寸為長×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)試驗結(jié)果，如表1所列。

2.2 巷道原支護參數(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，巷道錨桿支護的作用范圍主要為巷道圍巖塑性破壞區(qū)，支護方案如圖2所示。

2.3 巷道開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，建立了巷道開掘后底板變形數(shù)值模型，通過上述公式提取FLAC3D單元體中的各項數(shù)據(jù)，并繪制成云圖分析對比巷道原有支護和未支護開挖之后的圍巖能量分布特征，找到圍巖能量分布與應(yīng)力場的關(guān)系，進而采用能量理論來研究巷道圍巖變形破壞特征。未支護和原有支護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，未支護情況下巷道最大變形量達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。由于巖體在開挖之后不是純彈性體所以不能儲存所有的外力功，因此，圍巖為了達到比較穩(wěn)定的形態(tài)，其多余的彈性勢能必須轉(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，說明能量轉(zhuǎn)移越少。

在巷道原有支護（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)象仍然比較嚴重。從應(yīng)力角度分析：在巷道原有支護條件下，巷道的頂板和兩幫在錨桿的支護作用下，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，所以底鼓仍比較嚴重。從能量角度來分析：巷道錨桿支護對減小巷道圍巖變形破壞塑性耗散能起到了作用，錨桿支護提高了圍巖強度，改善了巷道圍巖的力學(xué)性能，從而達到通過減小圍巖塑性耗散能來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的5.08×1014J變?yōu)?.24×1014J，說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。巷道支護前后，開挖對巷道圍巖做的功沒有改變，但是在巷道頂板同樣位置，圍巖彈性能明顯增大，說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，由于錨桿的支護巷道頂板和兩幫圍巖能量場分布范圍逐漸變小，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。由于底板沒有支護，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時變化不明顯，所以底板圍巖仍變形嚴重。

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。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)想要從能量的角度來研究巷道支護的問題主要是處理支護體與巷道圍巖能量動態(tài)平衡之間的關(guān)系，錨桿在巷道支護過程中主要起兩個方面的作用，一方面是通過為巷道圍巖提供支護阻力來提高錨桿和圍巖耦合作用下錨固體的承載能力，從而達到提高巷道圍巖穩(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，錨桿支護的作用在一定程度上吸收了這一部分能量，達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

部分文獻通過對巷道有無卸壓槽的研究對比，證明開設(shè)卸壓槽對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)年限長等特點，為實現(xiàn)對底鼓的有效治理，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，矸石上部通過水泥板封住底板上開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”耦合支護示意如圖6所示。下文從模擬結(jié)果以及實際工程效果分析卸壓槽卸壓法對底鼓的控制效果。

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，通過對比底板無支護和底板開卸壓槽下巷道圍巖應(yīng)力能量分布情況可以看出，對于巷道整體而言，在底板開設(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；底板開挖卸壓槽前后，開挖對巷道圍巖做的功忽略不計，但是在巷道頂板同樣位置，圍巖彈性能明顯增大，說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，進一步驗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 巷道支護實際工程效果

為了檢測巷道底鼓控制技術(shù)的效果，通過在巷道卸壓槽開挖段底板相同間隔距離布置3個監(jiān)測點進行巷道底板位移量連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析，由圖9可以得出，在巷道卸壓槽開挖初期，巷道底板仍有顯著變形，3個測點底板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，證明底板進入了變形穩(wěn)定期，新支護條件下，相對于巷道底板未支護時底鼓量降低了30%，巷道底板位移圖表明卸壓槽的開設(shè)通過吸收了一定的圍巖變形量并同時減小了圍巖彈性能的釋放，從而達到減緩及控制巷道變形，進而起到保護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行有效控制。

4 結(jié)論

通過對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、原有支護和新治理技術(shù)下巷道圍巖應(yīng)力場以及能量場的分布狀態(tài)得出結(jié)論如下：

（1）巷道在未支護情況下，在巷道變形破壞時圍巖能量以彈性能釋放為主，圍巖儲存的能量越少，巷道變形越嚴重，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。巷道支護對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、支護體吸收能量的能量再分配問題，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，通過減小巷道圍巖彈性能的釋放從而減小塑性耗散能，達到控制巷道變形的目的。