巷道層狀組合底板在垂直壓力下的底鼓研究

1、巷道層狀組合底板在垂直壓力下的底鼓研究Study on Heaving Mechanism of Layered Combination Roadway Floor under Vertical Pressure摘要巷道底板巖層組合結(jié)構(gòu)是巷道底鼓的根本性內(nèi)因之一，決定著在垂直壓力作用下，巷道底鼓類型及底鼓變形量。本文利用彈性地基梁理論、組合梁理論，建立了巷道底板力學模型并對巷道的底鼓影響因素進行了理論推導、分析；采用FLAC3D數(shù)值計算和相似模擬實驗相結(jié)合的研究方法，對“硬-軟-硬”巷道底板巖層組合在層厚、強度、巷道跨度差異時在垂直壓力下的底鼓量、應(yīng)力進行對比分析。得到的有益結(jié)論為：巷道底鼓量

2、與巷道底板巖層組合關(guān)系密切，底鼓主要影響因素為硬巖厚度、臨近軟硬巖層層厚比、巷道跨度、煤層強度。（1）巷道底板硬巖厚度的增大及軟巖厚度的減小，對巷道底鼓現(xiàn)象的減弱起著關(guān)鍵性作用；（2）煤層強度的提高，圍巖抗剪強度提高，可減小巷道的兩幫移近量，移近量的減小大大減弱了煤層移動對底板的水平面力，進而對底鼓影響減小。（3）采用物理實驗研究了垂直壓力對巷道底鼓的影響：底板“硬軟硬”巖層組合下，隨壓力逐漸增加，底鼓由撓曲型底鼓逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檐泿r膨脹型底鼓，底板薄硬巖層受壓折斷成為底鼓類型轉(zhuǎn)變時機。（4）巷道跨度增加，底板不同位置處變形量均增大；巷道跨度增大，煤幫塑性區(qū)增大，煤壁對下方底板的壓模作用及位移約束減

3、弱，底鼓量增大。該論文有60幅圖，表9個，參考文獻63篇。關(guān)鍵詞：底鼓機理；巖層組合；硬-軟-硬結(jié)構(gòu)；影響因素AbstractThe composite structure of floor strata in roadway is one of the most fundamental internal cause for the floor heave, it determines the type and deformation of floor heave under the effect of vertical pressure.In this paper, the theory o

4、f elastic foundation beam and composite structure beam have been used to establish the mechanics model of the roadway floor, even more, factors of floor heave have been derived and analyzed on theory ; the "hard - soft - hard" combination of roadway floor rock in the layer thickness, stren

5、gth, the tunnel span differences in the amount of floor heave under the vertical pressure and stress have been analyzed and compared by synthetically using FLAC3D and numerical simulation . The conclusions are as follows: the amount of floor heave of roadway is closely related to composite floor str

6、ata of roadway, and the main influence factors are the thickness of hard rock, the ratio of layer thickness between the hard and soft rock close to each other, the span of roadway, the strength of coal seam.(1)The increase on thickness of hard rock in floor of roadway and the decrease on thickness o

7、f the soft rock plays a key role to weak the phenomenon the floor heave of roadway.(2) With the increment of the strength of coal seam, surrounding rock shear strength increase, and it can reduce the amounts of two sides closer, the decrease of closer greatly reduced the level of the horizontal forc

8、e for floor of coal seam. As a result ,the influence to the floor heave of roadway will decrease.(3) The floor heave of roadway under vertical press have been researched and analyzed by using physical experiment. The floor under the "hard-soft-hard" rock combination, with the increase of p

9、ress gradually, flexural type floor heave gradually transforms to floor heave of soft rock inflating, it will be the turning point for transforming to the type of floor heave.(4)With the increase of roadway span, the deformation will all increase in different places in floor, in the same way, the pl

10、astic area will increase on the side of coal, the pressure and displacement constraint in floor will weaken under the wall of coal, the amount of floor heave will increase.The paper has 60 pictures, 9 tables, 63 references.Key words: Mechanics of floor heave; Strata combination; Hard - soft - hard s

11、tructure; Influence factors目錄摘要I目錄III圖清單VII表清單XI變量注釋表XII1緒論1課題的提出及研究意義1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2論文研究的主要內(nèi)容、方法、目標72 巷道層狀復合底板力學分析9塑性滑移場理論分析9應(yīng)用彈性地基梁分析下伏巖層地基反力10底板組合梁受力分析152.4本章小結(jié)183 基于層狀復合底板的底鼓數(shù)值模擬分析203.1 數(shù)值模擬簡介203.2 數(shù)值模擬的建立20數(shù)值模擬計算與結(jié)果分析22本章小結(jié)344 相似材料模擬研究35相似模擬理論35模擬試驗方案36相似試驗結(jié)果分析41本章小結(jié)475 工業(yè)性試驗49巷道基本地質(zhì)概況495.2 煤層賦存特征49底

12、板控制補強支護設(shè)計535.4 礦壓監(jiān)測546 結(jié)論58參考文獻59作者簡歷63學位論文原創(chuàng)性聲明64學位論文數(shù)據(jù)集65ContentsAbstractIIContentsVList of FiguresVIIList of TablesXIList of VariablesXII1 Introduction1Introduction of Topics and Research Significance11.2The Research Status at Home and Abroad21.3 The Paper Studies the Main Content, Method, Target

13、72 Layered Composite Plate Mechanics Analysis of Roadway92.1The Plastic Slip Field Theory Analysis92.2Beam on Elastic Foundation is used to Analyze Underlying Rock Foundation Force102.3Plate Finite Element Stress Analysis152.4 The Summary of This Chapter183 Analysis of Floor heave of Layered Composi

14、te Floor Based on theNumerical Simulation 203.1 Numerical Simulation of Profile203.2 The Establishment of the Numerical Simulation203.3Numerical Simulation and The Result Analysis223.4The Summary of This Chapter344 Similar Material Simulation studies354.1Analog Simulation Theory354.2Simulation Test

15、Plan364.3Similar Test Results Analysis414.4The Summary of This Chapter475 Industrial Test495.1Basic Geological Condition of Roadway495.2 The Occurrence Characteristics of Coal Seam495.3Floor Control Reinforcing Supporting Design535.4Pressure Monitoring546 Conclusion58Reference59Author Resume63Declar

16、ation of Thesis originality64Thesis Date Collection65圖清單圖序號圖名稱頁碼圖1-1技術(shù)路線圖8Technology roadmap8圖2-1滑移線場理論示意圖91Sketch the slip line field theory9圖2-2層狀底板彈性地基梁分析模型10Fig.2-2Layered slab beam on elastic foundation analysis model10圖2-3不同q/E值對應(yīng)底板下沉量14Fig.2-3Different q/E value corresponding to the sink of f

17、loor14圖2-4不同直接底厚度對應(yīng)的巷道底板下沉量14Fig.2-4The sink of different thickness of bottom directly corresponds to the floor of roadway14圖2-5巷道底板組合梁受力分析示意圖15Fig.2-5Finite element analysis of roadway floor stress analysis diagram15圖2-6巷道直接底巖層受力分析示意圖15Fig.2-6Roadway bottom rock stress analysis diagram directly15圖2

18、-7底板壓曲示意圖16Fig.2-7Plate buckling16圖2-8抗彎剛度與臨界水平載荷關(guān)系圖18Fig.2-8Flexural rigidity and critical level load diagram18圖2-9巷道跨度與臨界水平載荷關(guān)系圖18Tunnel span and critical level load diagram18圖3-1實際模型建立示意圖21The actual model diagram is established21圖3-2硬巖層厚變化對底鼓量的影響分析23The relationship between the thickness of dire

19、ct bottom and the amount of heaving floor23圖3-3直接底厚度變化對底鼓量的影響圖24Influence of directfloor thickness and the movement of floor24圖3-4軟巖厚度對底鼓量的影響分析25Relationship between the thickness of soft rock and the amount of heaving floor25圖3-5軟巖厚度變化對底鼓量的影響圖25Fig3-5Influence of the change of soft rock thickness o

20、n the amount of heaving floor25圖3-6相鄰層厚比對巷道底鼓量的影響25Influence of the change of adjacent layer thickness ratio to the amount of heaving floor25圖3-7巷道跨度對底鼓量的影響分析26Influence of the roadway span to the amount of heaving floor 26圖3-8巷道跨度與底鼓量的關(guān)系圖27Relationship of roadway span and floor heaving27圖3-9煤體彈性模量對

21、底鼓量的影響關(guān)系28Influence of the coal seam strength to the amount of heaving floor 28圖3-10巷道形變量與煤層強度的關(guān)系29Relationship between the strength of coal seam and the roadway shape variables29圖3-11垂直壓力大小對底鼓量的影響30Influence of the vertical pressure on the amount of heaving floor30圖3-12巷道底鼓量與垂直壓力的關(guān)系30Relationship b

22、etween the vertical pressure and the amount of heaving floor30圖3-13巷道支護設(shè)計方案圖31Roadway support design diagram31圖3-14巷道在無支護狀態(tài)下垂直應(yīng)力分布32Vertical stress distribution of roadway without support32圖3-15巷道在錨桿+底角錨索支護狀態(tài)垂直應(yīng)力分布32Vertical stress distribution of roadway without support under points of anchor cable

23、 anchor supporting32圖3-16巷道在無支護狀態(tài)下位移分布32Displacement distribution of roadway without support32圖3-17模擬巷道在錨桿+底角錨索支護狀態(tài)位移分布33Displacement distribution of roadway with points of anchor cable anchor supporting33圖4-1矩形巷道受力示意圖37Rectangular roadway stress diagram37圖4-2矩形巷道受力簡化圖37Rectangular roadway stress si

24、mplified diagram37圖4-3模擬試驗臺38Simulation test bench 38圖4-4測點布置平面圖39Measuring point layout plan39圖4-5TS3890型靜態(tài)應(yīng)變儀39TS3890 static strain gauge type39圖4-6應(yīng)力測量現(xiàn)場圖39Stress measurement field39圖4-7應(yīng)變測量網(wǎng)格制作39Grid strain measurement39圖4-8應(yīng)變測量網(wǎng)格監(jiān)測39Grid monitoring strain measurements39圖4-9巷道底鼓相似材料模型布置40Similar

25、 material model of floor heave of roadway layout40圖4-10米直接底巷道開挖圖410.6 meters direct bottom roadway excavation41圖4-11米直接底巷道開挖圖411.5 meters direct bottom roadway excavation41圖4-12米直接底巷道加壓410.6 meters direct bottom tunnel pressure 0.6 MPa42圖4-13米直接底巷道加壓421.5 meters direct bottom tunnel pressure 0.6 MPa

26、42圖4-14米直接底巷道加壓420.6 meters direct bottom tunnel pressure 0.8 MPa42圖4-15米直接底巷道加壓431.5 meters direct bottom tunnel pressure 0.8 MPa43圖4-16米直接底巷道加壓430.6 meters direct bottom tunnel pressure 1.4 MPa43圖4-17米直接底巷道加壓431.5 meters direct bottom tunnel pressure 1.4 MPa43圖4-18不同直接底巷道壓力與底鼓量的關(guān)系45Relationship be

27、tweenthe vertical pressureand the amount of drum at the bottom in different thick direct bottom45圖4-19直接底為米巷道底板垂直應(yīng)力分布4619Vertical stress distribution of roadway in 0.6 m direct bottom floor46圖4-20直接底為米巷道底板水平應(yīng)力分布46Fig.4-20Horizontal stress distribution of roadway in 0.6 m direct bottom floor46圖4-21直接

28、底為米巷道底板垂直應(yīng)力分布46Fig.4-21Vertical stress distribution of roadway in 1.5 m direct bottom floor46圖4-22直接底為米巷道底板水平應(yīng)力分布46Fig.4-22Horizontal stress distribution of roadway in 1.5 m direct bottom floor46圖5-1綜合柱狀圖51Integrated histogram51圖5-2原始支護斷面圖52Original supporting profile52圖5-3巷道底鼓破壞素描圖53Damage of floor

29、 heave of roadway in sketch53圖5-4底板底鼓照片53Floor bottom drum up photos53圖5-5煤幫內(nèi)移實拍圖53Coal to help move to film in figure53圖5-6巷道補強支護圖54Support by reinforcing and figure54圖5-7十字三角定位測量方法55Triangulation measurement method55圖5-8強化支護前頂?shù)装逡平俣入S距工作面距離變化規(guī)律56Rules of approaching speed between floor and top with

30、 the distance to the face before support 56圖5-9強化支護后頂?shù)装逡平俣入S距工作面距離變化規(guī)律56Rules of approaching speed between floor and top with the distance to the face after support 56圖5-10液壓枕安裝示意圖57Hydraulic pillow installation schematic diagram57圖5-11錨桿工作狀態(tài)57Anchor working state57表清單表序號表名稱頁碼表2-1擬合公式中各系數(shù)值12Table 2-

31、1Each department in the numerical fitting formula12表3-1主要巖層力學參數(shù)表21Table3-1Main rock mechanics parameter list21表4-1幾何相似比37Table4-1Geometric similarity ratio37表4-2模型一相似材料配比主要參數(shù)40Table 4-2Main parameters in first similar material proportion model40表4-3模型二相似材料配比主要參數(shù)40Table 4-3Main parameters in second s

32、imilar material proportion model40表4-4米厚直接底垂直壓力與底鼓量的關(guān)系44Table4-4Relationship between vertical pressure of0.6 meters thick and floor deformation44表4-5米厚直接底垂直壓力與底鼓量的關(guān)系44Table 4-5Relationship between vertical pressure meters thick and floor deformation44表5-1工作面概況50Table5-1Working situation50表5-2煤層頂?shù)装鍘r性

33、50Table5-2Coal seam roof and floor lithology50變量注釋表巷道跨度，m巖石泊松比正應(yīng)力，MPa巖石抗剪破壞力，MPa直接底厚度，m集中載荷，MPa極限載荷，MPa最大主應(yīng)力與滑移線夾角，°最大主應(yīng)力與X軸夾角，°地基反力系數(shù)梁的彈性模量，MPa軟巖的彈性模量，MPa梁的慣性距，mm4梁的撓度，mm地基剛度系數(shù)地基反力，MPa底板梁彎矩，KN·m臨界水平載荷，MPa1 緒論1 Introduction課題的提出及研究意義(Introduction of Topics and Research Significance)1.

34、1.1 課題研究的背景煤炭地下開采中一個突出的問題是底板巖層的穩(wěn)定性控制問題，中國工程院院士錢鳴高教授分析底板特征認為：底板巖層在礦山壓力控制中涉及兩類問題，一方面是煤層開采后引起的底板破壞，其范圍將于開采范圍及采空區(qū)周圍的支承壓力分布有關(guān)，另一方面從采場支護系統(tǒng)而言，支護系統(tǒng)是由“底板-支架-頂板”所組成，因此底板巖層的剛度將直接影響到支護性能的發(fā)揮，在底板比較松軟的情況下，支柱易插入底板，從而影響對頂板的控制1。煤層開采后引起的底板破壞，其范圍將與開采范圍及采空區(qū)周圍的支承壓力有關(guān)，開采引起的底板破壞深度，一般采用土力學中地基的計算方法，根據(jù)塑性力學，地基中的極限平衡區(qū)劃分為三個區(qū)，分別為

35、主動應(yīng)力區(qū)、過渡區(qū)和被動應(yīng)力區(qū)2。類似于采場上覆巖層關(guān)鍵層的定義，錢鳴高院士認為：將底板采動破壞帶以下及含水層以上承載能力最大的一層巖層稱為底板關(guān)鍵層，在底板關(guān)鍵層上的載荷可分為正向載荷和負向載荷兩種載荷。正向載荷包括關(guān)鍵層的自重及關(guān)鍵層以上底板巖層和覆巖垮落巖層的自重。負向載荷為關(guān)鍵層下軟弱巖層受擠壓力后的反作用施壓。經(jīng)過“十五”、“十一五”期間采礦工作者對煤礦巷道底板的深入研究，巷道底鼓機理及防治措施等關(guān)鍵性問題得到了較為詳細的解決。將巷道底鼓劃分為了膨脹型底鼓、應(yīng)力型底鼓和復合型底鼓等。底鼓的關(guān)鍵在于底板巖層巖性及巖層中的應(yīng)力分布規(guī)律，什么類型的底板易導致底鼓，以及什么樣的底板巖層組合具

36、有天然的自穩(wěn)性而不易發(fā)生底鼓，本課題組做了大量的詳盡的工作。本文則以“層狀復合底板在垂直應(yīng)力下的底鼓研究”為題，結(jié)合龐龐塔礦巷道底板大變形控制項目的相關(guān)研究工作，圍繞不同層狀復合底板巖層組合在垂直應(yīng)力作用下的底鼓量進行了有益的探索。1.1.2 課題研究的意義煤礦生產(chǎn)中，煤巷圍巖變形大，幫鼓、底鼓現(xiàn)象頻發(fā)，影響生產(chǎn)礦井的運輸、通風、行人。因其頂、幫巖性較軟，底板多為層狀復合底板，且軟巖多見，“硬-軟-硬”復合型底板的底鼓機理復雜，給巷道支護帶來了嚴重的挑戰(zhàn)。在高垂直壓力作用下，“軟硬”互層型底板在巷道開挖后，易出現(xiàn)軟巖塑性滑移，硬巖壓曲及軟巖滑移加劇硬巖形變的復雜底鼓形式，合理分析層狀復合底板在

37、垂直壓力下的鼓機理、底鼓影響因素，對于豐富底鼓研究、指導煤巷支護。具有重要的意義。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(The Research Status at Home and Abroad)對于巷道底鼓問題,國內(nèi)外很多專家學者進行了很多有意義的研究,用不同方法從不同角度闡述了底鼓發(fā)生的力學機理,得出了大量結(jié)論:按照挖掘巷道位置的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、底板巖體的性質(zhì)、應(yīng)力分布情況的差異及底板巖體進入巷道的方式將底鼓大致分成四類,即假塑性流動型底鼓、壓曲褶皺性底鼓、遇水膨脹性底鼓、剪切錯動性底鼓。姜耀東對淮南、平頂山、兗州、龍口等很多礦區(qū)進行現(xiàn)場觀測后,經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析得出了在不同地質(zhì)條件下煤礦巷道底鼓的規(guī)律和特征3-4。

38、巷道底鼓機理研究在巷道發(fā)生底鼓的力學機理研究方面,前蘇聯(lián)有很多的研究成果。秦巴列維奇認為，底鼓產(chǎn)生的力學本質(zhì)和松散土體在由兩壓模傳遞給底板的荷載的作用下被擠出的現(xiàn)象是相同的，可以用極限平衡原理來計算底板巖體對圍巖支護構(gòu)件上的作用壓力；茲包爾什奇克等人認為，巷道中底板巖體積聚突起是因為底板的塑性巖層對其下方巖體向上運移的阻滯力及底板巖體的裸露面積和其周長的比例發(fā)生劇烈改變時儲存在巖體中的彈性能量積聚釋放所造成的；利特維斯基在研究采準巷道底鼓如何發(fā)生時，指出了底板巖體發(fā)生局部破壞的判定準則，利特維斯基將巷道圍巖的應(yīng)力分布圖和其對應(yīng)的巖石強度圖相比較，并利用準則判定了巷道的穩(wěn)定區(qū)段、極限穩(wěn)定區(qū)段以及

39、破壞區(qū)段；切爾尼亞克通過實測獲得了大量的觀測數(shù)據(jù)并進行了數(shù)理統(tǒng)計處理,總結(jié)預測出巷道底板發(fā)生底鼓的經(jīng)驗公式5-7。針對巷道底鼓機理，美國專家學者也做了大量的研究，將底板層狀巖體看成兩端邊界為固定支撐的巖梁，并用該模型進行了計算,進而對底板巖體的應(yīng)力分布和穩(wěn)定性進行了分析8；Gysel M利用相關(guān)的膨脹原理計算得出了圓形巷道的巖體膨脹位移及其膨脹應(yīng)力，并且指出巖體遇水發(fā)生膨脹從而影響巷道周邊巖體的變形9；關(guān)于巷道底鼓機理，國內(nèi)多位專家學者也進行了大量的理論分析及數(shù)值模擬、礦區(qū)實測等工作，取得了豐碩的成果?？导t普、王衛(wèi)軍等人理論分析了底鼓的產(chǎn)生機理，康紅普指出巷道底鼓發(fā)生的原因有底板巖層失穩(wěn)，從而

40、向巷道空間內(nèi)發(fā)生彎曲(包括撓曲和壓彎)，底板巖體在應(yīng)力偏量的作用下發(fā)生擴容以及巖體的遇水膨脹性質(zhì)。他認為底板為層狀巖體情況下，受到兩端圍巖的水平擠壓力而產(chǎn)生彎曲是底鼓發(fā)生的主要原因；底板巖體膨脹和擴容引發(fā)的底鼓其程度主要取決于軟巖自身的巖性及所處的應(yīng)力狀態(tài)；對于底鼓強烈的巷道,其由彈塑性引起的位移量只是底鼓量的很小一部分，巷道底板實際出現(xiàn)的底鼓量主要是因底板巖層彎曲產(chǎn)生的位移、巖體破壞后擴容產(chǎn)生的位移、底板巖體破壞部分因其彈塑性形變而產(chǎn)生的位移、巖體的自身膨脹位移以及底板中穩(wěn)定巖體的位移之和10?？导t普經(jīng)過分析計算得出結(jié)論：底板巖層撓曲引起的底鼓量占總底鼓量的67%，底板巖層彈塑性位移和擴容位

41、移產(chǎn)生的底鼓分別是總底鼓量的11.8%和11.2%，認為底鼓的原因在于失穩(wěn)的底板巖層向巷道內(nèi)壓曲、偏應(yīng)力作用下的擴容、巖石自身的遇水膨脹。、曲永新等則認為底板泥巖遇水膨脹是隧道底鼓的本質(zhì)。姜耀東、陸士良根據(jù)巷道所處的地質(zhì)條件、底板圍巖性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的差異、底板巖層鼓入巷道的方式將底鼓分為四類：(1)擠壓流動性底鼓；(2)撓曲褶皺性底鼓；(3)遇水膨脹性底鼓；(4)剪切錯動性底鼓。王衛(wèi)軍等人研究了回采時工作面回采時產(chǎn)生的超前支承壓力和采準巷道發(fā)生底鼓的關(guān)系后，指出回采巷道發(fā)生底鼓的原因是在工作面超前支承壓力影響下，底板上部巖層會受到拉應(yīng)力作用而發(fā)生離層，之后受水平應(yīng)力作用而產(chǎn)生壓曲11。侯朝炯、

42、馬念杰12通過對回采巷道底板的受力變形分析，認為回采巷道底板位移分為兩個階段，第一階段不受采動影響時，巷道底板淺部巖層緩慢向上運動，2m以下的巖層位移基本為零，說明回采巷道不受采動影響時底板主要發(fā)生向上的移動，與一般基本巷道圍巖位移有一致的規(guī)律性；第二階段隨著采煤工作面的推進，通過煤幫作用到巷道底板上的應(yīng)力迅速增加，致使底板表面附近淺部圍巖發(fā)生嚴重塑性破壞，出現(xiàn)強烈底鼓，較深部圍巖出現(xiàn)不同程度的下沉，離工作面越近下沉越顯著。不僅分析了巷道底鼓破壞過程，馬念杰13等認為巷道底鼓的主要原因是由于底板巖層由于水平應(yīng)力的剪切作用，導致巷道底板淺部巖體被剪切破壞。塑性區(qū)內(nèi)的巖體在地應(yīng)力作用下發(fā)生變形、位

43、移，并向巷道空間逐漸過渡。塑性區(qū)的大小與原巖應(yīng)力、巖石的力學特性、巷道形狀和尺寸、支護阻力和破碎巖石的膨脹性有關(guān)。賀永年、何亞男通過大量實測分析了茂名礦區(qū)巷道底板為軟巖的巷道底板變形，李樹清分析了巷道底鼓與兩幫移近的協(xié)調(diào)一致。通過對數(shù)據(jù)的處理分析得出了該礦區(qū)巷道形成底鼓的全過程如下：頂板產(chǎn)生的壓力作用到兩幫，使得兩幫向巷道位移擠壓底板，并通過兩幫的傳力作用致使兩幫和底板一起下沉，底板受到嚴重擠壓變形出現(xiàn)斷裂,進而底板隆起14。李樹清等人經(jīng)過研究指出通過對軟弱底板的加固有利于維護大埋深軟巖巷道中兩幫的穩(wěn)定性15。到現(xiàn)階段，國內(nèi)外在關(guān)于底鼓機理的研究方面已取得的研究成果歸納起來有：(1)巷道開掘后

44、原巖應(yīng)力會重新分布，其變化使得底板巖體會因卸載發(fā)生指向巷道空間內(nèi)的彈塑性形變；(2)巷道的兩幫在受到支承壓力的作用下對底板產(chǎn)生擠壓，使得底板巖體由于水平應(yīng)力的作用而向巷道內(nèi)突起；(3)受到高應(yīng)力作用底板巖體會發(fā)生破碎，從而產(chǎn)生碎脹效應(yīng)使得體積擴大；(4)底板巖體的流變性質(zhì)會使得底鼓量隨著時間的推移而不斷變大；(5)巷道底板在支承壓力下會出現(xiàn)拉應(yīng)變使得底板巖體發(fā)生破壞而產(chǎn)生底鼓；(6)垂直壓力使得兩幫發(fā)生下沉而導致底鼓；(7)底板巖體中若含某些粘土類礦物像蒙脫石等，其遇水就會發(fā)生體積膨脹，并且其強度會降低,更容易發(fā)生崩解和破碎。巷道底鼓影響因素研究在德國,M.奧頓哥特和布什曼N.分別通過大量的相

45、似材料模擬試驗，得出了巷道底鼓的發(fā)展過程及底鼓與巷道跨度的影響。M.奧頓哥特通過巷道底鼓的相似模擬實驗對巷道底鼓發(fā)生發(fā)展的全過程進行了研究16之后，指出巷道底鼓過程中底板巖體發(fā)生破壞的順序，首先是兩幫巖體在頂板施加的支承壓力下被壓裂，由于缺乏了兩幫的有效約束，巷道底板就會在水平應(yīng)力擠壓的作用下向巷道空間內(nèi)鼓起，其中最先發(fā)生破壞的是底板的表面巖層。布什曼N.分析對比了大量相似模型實驗,從而認為底板巖體發(fā)生破壞的最大深度和巷道跨度成相應(yīng)的比例。并研究了巷道跨度對底鼓的影響。為探究巷道底鼓產(chǎn)生的所有影響因素，Afrouz和Chugh等人對底板受荷載的能力進行了相關(guān)研究17，并認為對巷道發(fā)生底鼓現(xiàn)象有

46、影響的因素多達21個,其中有三個最主要的原因，即（1）底板巖性較松軟；（2）巷道巖體中的高支承力；（3）水對底板巖體的作用。RockwayDJ.對發(fā)生底鼓而出現(xiàn)的現(xiàn)象的調(diào)査研究后指出巷道發(fā)生底鼓的主要因素在于至少6m厚的直接底板的巖層性質(zhì)18。國內(nèi)專家學者也深入研究了巷道底鼓的影響因素，王衛(wèi)軍、李學華、潘一山等人分別用理論分析、數(shù)值模擬等方法研究了煤體強度、頂板性質(zhì)、水理作用對底鼓的影響。在底鼓的影響因素研究中，王衛(wèi)軍等應(yīng)用損傷理論，分析了給定變形下沿空掘巷實體煤幫的支承壓力分布，研究表明煤層和直接頂厚度較大時，支承壓力相對較高，巷道維護較困難，底鼓容易發(fā)生；反之，巷道維護相對較好，不易產(chǎn)生底

47、鼓；用數(shù)值模擬的方法研究了兩幫的煤體強度對巷道底鼓的影響，指出煤體的強度越大，所產(chǎn)生的底鼓量會越小，進而提出了通過加固兩幫以維護深井巷道的底板穩(wěn)定性的觀點19-21。李學華通過數(shù)值計算，分析了頂板巖體性質(zhì)對回采巷道的圍巖應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)范圍以及底鼓所產(chǎn)生的影響，從而提出了通過加強巷道頂板的支護以控制巷道底鼓量的設(shè)想。另外,他利用圍巖應(yīng)力再次分布的特點提出了通過應(yīng)力轉(zhuǎn)移的技術(shù)可以控制大斷面硐室的底鼓，即可以在硐室的底板進行巷道開掘或在硐室的底角進行松動爆破，從而在硐室底板一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力弱化區(qū)的技術(shù)22-23。潘一山等人利用有限元算法及相似模擬實驗分析了巷道底鼓產(chǎn)生的時間效應(yīng)以及水理作用所引起

48、的底鼓,指出巷道底板鼓出的大量巖石的有三部分來源：巷道空間底板下一定深度內(nèi)的巖體、兩幫下部的底板巖體和組成兩幫的巖體，并建立了底板的滲水膨脹軟化模型24-25。宋沛鑫在碩士論文中分析了在薄層狀復合底板中，支承壓力、底板巖層分層厚度、圍巖性質(zhì)等對底鼓量的貢獻量26。1.2.3巷道底鼓控制方法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀為有效控制底鼓，國內(nèi)外學者進行了大量的探索和研究工作，提出了許多底鼓控制技術(shù)，歸納起來各種防治底鼓的措施包括支護加固法、卸壓法、聯(lián)合法和加固巷道幫、角和臥底等方法27-30。（1）加固法加固法是通過提高底板圍巖強度或提高對底板圍巖的支護力來達到控制底鼓的目的，是一種最常用的控制底鼓的方法。目前采

49、用的加固法主要包括底板注漿、底板錨桿、封閉式支架及混凝土反拱等31-44。（2）卸壓法卸壓法與加固法控制底鼓的機理不同，它的特點在于設(shè)法改變巷道底板巖層受力狀況，使其處于應(yīng)力降低區(qū)，達到保持底板穩(wěn)定性的目的。蘇聯(lián)、波蘭、日本、美國等國家的井下巷道中曾采用切縫、打鉆孔、松動爆破及卸壓煤柱等卸壓法控制底鼓，并取得一定效果45-46。（3）聯(lián)合支護法聯(lián)合支護法是把不同的控制底鼓的方法結(jié)合起來使用，通常是兩種方法的結(jié)合，如底板爆破注漿、切縫與錨桿、封閉式支架與爆破等。康紅普認為：底板爆破注漿法比較適用于軟弱巖層底板，切縫與底板錨桿的聯(lián)合支護適用于深部及受強烈采動影響的高地應(yīng)力巷道，封閉式支架與爆破的聯(lián)

50、合支護法一般適用于軟弱巖層及地應(yīng)力較大的巷道。綜上，國內(nèi)外學者在軟巖巷道底鼓機理及控制技術(shù)方面已取得了大量成果。但由于巷道圍巖性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和所處地質(zhì)條件的復雜性，人們沒有也不可能提出一種結(jié)論能夠完全解釋所有底鼓現(xiàn)象。每種底鼓機理都是基于一定條件提出的，因而都有其適應(yīng)范圍，不能用來解釋一切底鼓。如“壓模效應(yīng)”理論假設(shè)巷道底板為軟弱巖體，兩幫為堅硬巖體，它不能解釋整個巷道圍巖均為軟弱巖體時發(fā)生的底鼓；“撓曲效應(yīng)”理論無法解釋巷道底板為軟弱破碎巖層的底鼓，因為軟弱破碎巖層在開巷時就已受到破壞，不會產(chǎn)生彈塑性撓曲。對某一特定的軟巖巷道來說，其圍巖性質(zhì)及所處的條件總會與底鼓機理的“理論模型”存在一些差

51、異，其底鼓現(xiàn)象的發(fā)展總存在一定的特殊性，因而只有進行具體的分析才能更深入的揭示底鼓的機理47-54。目前，所有的底鼓控制技術(shù)都只能適應(yīng)一定的地質(zhì)條件，任何巷道底鼓的產(chǎn)生都有其特殊性的一面，只有深入分析巷道底鼓產(chǎn)生的特定條件，才能揭示底鼓的機理，才能有效地、經(jīng)濟地選擇底鼓的控制措施。雖然底板巷道穩(wěn)定性的研究己經(jīng)取得了大量的成果，由于巷道布置方式的復雜性和多樣性，雖然一些成果表述了底板巷道應(yīng)力分布及變化規(guī)律的基本機理，還有一些成果研究了特殊條件下的底板巷道變形機理，但僅限于在某種特定條件下進行研究，但是不具有普遍性，對于受采動影響下，底板巷道圍巖應(yīng)力的動態(tài)變化規(guī)律有待于細致深入的研究。針對錨桿錨固

52、技術(shù)，國內(nèi)外專家做了大量的工作，陸士良認為對于節(jié)理裂隙發(fā)育的軟巖，采用注漿的方法可以改變其松散結(jié)構(gòu)，提高粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，提高圍巖的整體性和強度系數(shù)，為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ)，并提出了外錨內(nèi)注式的支護方法55。常聚才教授56通過對底鼓影響因素的理論分析和原支護效果的數(shù)值模擬以及底板巖層移動規(guī)律的現(xiàn)場實測，掌握了底板無支護條件下巷道圍巖塑性區(qū)范圍、圍巖變形移動規(guī)律和巷道周邊應(yīng)力分布狀況，提出并試驗了控制深部巖巷底鼓的新方法超挖錨注回填技術(shù)。侯朝炯等提出了巷道錨桿支護圍巖強度強化理論57。認為：錨桿支護的實質(zhì)是錨桿和錨固區(qū)域巖體相互作用，并形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)；錨桿支護可以提高錨固體強度破壞前、后的

53、力學參數(shù)，改善錨固體的力學性能；錨桿作用可以提高圍巖各種狀態(tài)下的強度值，使巷道圍巖強度得到強化。煤炭科學研究總院北京開采所認為錨桿加固對于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯的效果，但在圍巖產(chǎn)生塑性破壞后，對提高圍巖的殘余強度及承載能力有顯著作用58-59。全長錨固中性點理論認為：在錨桿尾部，錨桿阻止圍巖向壁面變形，剪力指向壁面；在錨桿頭部，圍巖阻止錨桿向壁面方向移動，剪力背向壁面。錨桿上剪力指向相背的分界點稱為中性點，該點處剪應(yīng)力為零，軸向拉應(yīng)力為最大，由中性點向錨桿兩端剪應(yīng)力逐漸增大，軸向拉應(yīng)力逐漸減少?？导t普提出高預應(yīng)力、強力支護理論，巷道開挖后立即支護，并施加足夠高的預應(yīng)力，特別強調(diào)錨桿

54、（索）預應(yīng)力及其擴散對支護的作用，進一步深化了對錨桿作用機理的認識。1.2.4課題研究的不足綜上所述，關(guān)于巷道底鼓這一礦山壓力現(xiàn)象，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量的研究分析，通過對巷道底鼓機理的探討，總結(jié)出了四種經(jīng)典的底鼓形式；通過對底鼓影響因素的分析，認為底鼓的主要影響因素有底板巖性、支承壓力和水理作用；對底鼓控制技術(shù)的分析及現(xiàn)場總結(jié)，錨桿全長錨固、錨注等加強支護，開槽、鉆孔等卸壓以及聯(lián)合支護可較好地控制底板變形。在巷道底鼓的機理研究中，對高地壓下軟巖巷道底鼓問題研究較為深入，取得了驕人的成就，對薄層狀底板的壓裂破斷，巖層破斷順序及應(yīng)力也有較為廣泛的涉及。但在煤礦巷道開挖過程中，高支承壓力作用下“薄

55、硬-厚軟-硬”型組合底板的底鼓破壞非常嚴重，煤層及底板軟巖塑性滑移對底鼓的加劇作用十分明顯，隨著垂直壓力不同及巖層厚度變化，底板破壞也呈現(xiàn)不同形式，但目前此類層狀組合底板在垂直壓力下的底鼓研究較少。本文主要分析垂直壓力作用下上述“硬-軟-硬”底板巖層組合的巷道底鼓量，底鼓破壞形式，底板巖層應(yīng)力、應(yīng)變分區(qū)。分析不同因素對巷道底鼓的影響。1.3 論文研究的主要內(nèi)容、方法、技術(shù)路線（Research Contents、Methods and Technology Roadmap）研究內(nèi)容本文運用理論分析、數(shù)值模擬、相似材料模擬多種研究方法對不同底板巖層組合在垂直壓力作用下的底鼓進行了研究,所做的主要研究工作如下:（1）建立理論簡化模型，分析底板巖層受力及形變，并分析底鼓主要影響因素運用彈性力學、材料力學和彈性地基梁理論、底板組合梁理論,建立起巷道受力的平面力學模型,并結(jié)合巖石破壞理論，分析層狀組合底板的底鼓力學機理，分析引起底鼓的主要影響因素;（2）數(shù)值軟件模擬各因素對底鼓的影響模擬巷道直接底厚度、底板軟巖厚度、煤層強度、巷道跨度及垂直壓力分別對底鼓的破壞形式及強度的