长平煤矿43092巷道底臌防治研究.pdf

硕士学位论文 长．平煤砬一躺Q 2 2 一巷道底臌防治．研究 蔓婪昏y ～0 ．n - ．量№Q ￡．舅【旦星暇曼一跏县l ￡Q 1 ．．Q ￡⋯4 ⋯3 ⋯0 ⋯9 ⋯2 一R Q 覆觑翻I 羔 ●J 1 ■●⋯ i nU n a n g p l n gN I l n e ■●●■■■●U ■■●●■●●■i ●n ■⋯●■●■⋯⋯■●■●●■●●●■ 作者姓名申金雷 指导教师李刚副教授 1 。 学科专业采矿工程 二。一七年六月 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王翟技本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝王程技本太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议。 学位论文作者签名主垒委一一 导师签名盘L 列1 年6 月 7 日山．，7 年多月≯尸日 万方数据 分类号T D 3 2 3 U D C6 2 2 学校代码】Q 】垒Z 密级公开 硕士学位论文 长平煤矿4 30 9 2 巷道底臌防治研究 S t u d y o nF l o o rH e a v eC o n t r o lo f4 3 0 9 2R o a d w a y i nC h a n g p i n gM i n e 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 研究方向 申金雷 李刚副教授 工学硕士 采矿工程 矿山压力与矿井动力灾害防治 辽宁工程技术大学 万方数据 致谢 教诲如春风，师恩似海深。在完成论文的同时，首先，我要向我的恩师李刚副教授致 以最诚挚的敬意和感谢 李老师严谨的治学态度、深厚的学术造诣，忘我的工作作风及宽 厚待人的高尚品格是我今后努力学习的方向、学习的榜样，在此，学生向恩师致以最崇高 的敬意和最衷心的感谢 感谢辽宁工程技术大学研究生院、矿业学院领导和老师的培养 感谢矿业学院肖辉瓒 副教授给予的指导 感谢宿舍室友在实验室岩石物理力学参数测试实验等方面给予的辛勤 帮助 感谢与我朝夕相处的同学，感谢我的同门师兄弟，在这三年的时间里给予的支持、 鼓励和陪伴 感谢我的家人，感谢你们这么多年在物质上与精神上的支持，使我顺利完成学业 感谢山西长平煤业有限责任公司总工程师李文龙等领导及相关工作人员在现场试验 及论文相关资料收集过程中给与的大力支持和帮助 感谢论文中所引用文献的各位作者 向在百忙中审阅本论文的各位专家致以诚挚的谢意 万方数据 摘要 巷道底臌问题是制约煤矿安全高效生产的关键性技术难题之一。长平煤矿井田构造发 育，地质条件复杂，巷道底臌现象严重。因此，针对长平煤矿4 3 0 9 2 巷底板结构特征，揭 示其底臌原因，建立科学有效的底臌防治方案，具有重要的理论意义和实际应用价值。 针对长平煤矿在生产中深受底臌困扰的问题，对4 3 0 9 2 巷道底板煤岩物理力学参数进 行测试并在此基础上对4 3 0 9 2 巷道底臌主要影响因素进行数值模拟分析，分析可得出巷道 底臌主要受工作面回采扰动影响，为采动应力扰动型底臌；通过理想弹塑性理论计算得出 4 3 0 9 2 巷道塑性区半径及底板最大破坏深度；对4 3 0 9 2 巷道底臌力学原因进行分析并得出 超前支承压力于底板分布的不规则性及底臌规律。设计底板底角锚杆 超前支护的底臌综 合防治方案，并采用数值模拟对其合理性进行验证。将研究成果应用于长平煤矿4 3 0 9 2 巷 道后并进行顶底板移近量监测，监测结果显示，工作面回采过后巷道顶底板距离逐渐趋于 稳定，且最大底臌量仅为8 2m m ，表明巷道底臌得到了合理有效的防治。 论文研究成果具有重要理论及实际意义，可为今后长平煤矿或其它煤矿类似问题提供 有益的借鉴。 关键词巷道底臌；超前支承压力；采动应力扰动型底臌；底臌综合防治方案 万方数据 A b s t r a c t T h e p r o b l e mo ff l o o rh e a v ei so n eo ft h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so fc o a lm i n es a f e t ya n d e f f i c i e n t p r o d u c t i o n ．C h a n g p i n gC o a lM i n e s t r u c t u r e d e v e l o p m e n t ，c o m p l e xg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，r o a d w a yf l o o rh e a v ep h e n o m e n o ni ss e r i o u s ．T h e r e f o r e ，i nC h a n g p i n gm i n el a n e 4 30 9 2f l o o rc o a lr o c ks t r u c t u r e ，r e v e a lt h ef l o o rh e a v er e a s o n ，e s t a b l i s has c i e n t i f i ca n de f f e c t i v e f l o o rh e a v ec o n t r o ls c h e m eh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e ． C h a n g p i n gM i n ep r o d u c t i o ni sa f f e c t e db yt h ep r o b l e mo ff l o o rh e a v e ，o nt h ep h y ’s i c a la n d m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c kb o u o mc o a lr o a d w a yt e s ta n d4 30 9 2f a c t o r so nt h e4 30 9 2m a i n e f f e c t so fr o a d w a yf l o o rh e a v eb a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r so ff l o o r h e a v ea n a l y s e d ，i sm i n i n gd i s t u r b a n c ea n dt h ef l o o rh e a v et y p ei sm i n i n gs t r e s st y p ef l o o rh e a v e d i s t u r b a n c e ；t h ei d e a le l a s t i c p l a s t i ct h e o r yc a l c u l a t e d4 3 0 9 2i np l a s t i cz o n er a d i u sa n dt h e m a x i m u mf l o o rd a m a g ed e p t h ；o nt h eb a s i so ft h e4 30 9 2f l o o rh e a v em e c h a n i c sa n a l y s i so ft h e c a u s e sa n dt h ea b u t m e n tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nt h ef l o o ra n dt h ef l o o rh e a v eo fi r r e g u l a r ． C o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ln u m e r i c a ls i m u l m i o no fF L A C 3 D ．p r o p o s e df l o o rc o m e rb o l t l e a d f l o o ri n t e g r a t e dc o n t r o ls c h e m eo fs u p p o r t ，a n du s e dt ov e r i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ．B a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t so fC h a n g p i n gm i n e4 30 9 2r o a d w a ya n dt h et o pa n d b o t t o mo fc l o s em o n i t o r i n g ，t h em o n i t o r i n gr e s u l t ss h o wt h a ta f t e rt h er o a d w a yr o o fa n df l o o r d i s t a n c eg r a d u a l l ys t a b i l i z e d ，t h em a x i m u ma m o u n to ff l o o rh e a v ei so n l y8 2m m ，s h o w st h a tt h e f l o o rh e a v eC a nb er a t i o n a la n de f f e c t i v ep r o t e c t i o n ． T h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c hr e s u l t sC a np r o v i d eau s e f u l r e f e r e n c ef o rt h ef u t u r es i m i l a rp r o b l e m so fC h a n g p i n gm i n e ． K e yw o r d s f l o o rh e a v e ；a d v a n c e da b u t m e n tp r e s s u r e ；m i n i n gs t r e s st y p ed i s t u r b a n c ef l o o r h e a v e ；i n t e g r a t e d c o n t r o lp r o g r a mo ff l o o rh e a v ec o n t r o l I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．．．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．．．I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1巷道底臌机理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 巷道底臌控制技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l O 1 ．3 ．1研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯lO 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 工程地质特征及底臌影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．1 长平煤矿工程地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 2 ．1 ．1 井田概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．1 ．2 地应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 2围岩基本物理力学参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．34 3 0 9 2 巷道底臌防治必要性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．44 3 0 9 2 巷道底臌主要影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l7 2 ．4 ．1 底臌影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．2 巷道顶帮支护参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．4 ．3 巷道底臌数值模拟分析．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3l 3 4 3 0 9 2 巷道底臌原因力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 3 ．14 3 0 9 2 巷道底板支承压力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．24 3 0 9 2 巷道塑性区半径及底板破坏深度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．34 3 0 9 2 巷底板力学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．3 ．1巷道底板力学模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．3 ．2 巷道底板位移力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 万方数据 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 44 3 0 9 2 巷道底臌防治方案研究及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 3 4 ．1 巷道底臌控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．1 ．1巷道底板锚杆加固技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 ．2 巷道底角锚杆加固技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 底臌防治方案设计及支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 4 ．2 ．1底臌防治方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 ．2 底臌防治方案数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．3 现场试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．3 ．1试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．3 ．2围岩变形监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 1 3 ．3 监测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．1 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 I V 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 ．1 研究背景及意义 我国是能源消费大国，尤其是在“贫油、少气、富煤”的能源分布格局下，导致我国 长久以来都是以煤炭作为主要消费能源，煤炭资源消费在电力、化工和民用等领域占有很 高的比例。近些年来，我国国民经济得到了飞速的发展，因而对煤炭的需求量也越来越大， 所以对煤炭的产量和煤矿的安全高效生产提出了更高的要求【1 】。在矿井生产过程中，巷道 围岩控制是影响其安全高效生产的关键因素之一，而底臌又是巷道围岩控制中必须进行针 对性解决的技术难题之一。 底臌是巷道经常发生的一种矿压显现现象，是巷道底板岩层变形和破坏的主要形式， 尤其是在软岩巷道中底臌现象更加严重和普遍，极大地影响着巷道的支护。巷道底臌的发 生，首先会导致巷道净断面积缩小，影响通风；其次巷道底臌后局部底板剧烈凸起，严重 影响行人以及设备运输；最重要的是，巷道底臌会使两帮及项板应力状态和稳定性发生改 变，使得巷道整体的承载结构发生一系列的改变，进而影响巷道整体的稳定性。目前多数 矿井都受巷道底臌的困扰，以至于矿方不得不投入大量的人力、物力和财力对巷道进行卧 底、清理巷道底板残渣等临时处理工作，但是无法从根本上解决巷道底臌问题，造成了巨 大的经济损失，底臌现象严重的巷道会导致巷道局部甚至整个巷道报废，严重影响井下工 作人员的安全以及矿井的安全高效生产【2 】。 长期以来，国内外许多专家学者对底臌机理及其控制技术进行了深入细致的研究，提 出了许多有实际意义的底臌控制技术方案，在实际的工程应用中这些底臌控制技术方案也 起到了至关重要的作用【3 ．I o 。但是由于矿井地质条件以及围岩所处应力环境的复杂多样性， 使得现有的底臌机理理论不能全面细致的分析底臌的真正原因，从而不能针对性的从根本 上解决巷道底臌问题。 山西长平煤业有限责任公司长平煤矿地质构造及围岩所处应力环境极其复杂，矿井生 产深受底臌困扰。经研究与现场写实发现，长平煤矿巷道开挖后仅对顶板与两帮进行支护， 使底板处于无支护状态或仅仅铺设人工混凝土底板，巷道底板岩层在支承压力作用下极易 发生失稳现象，产生向巷道临空面的位移，发生底臌现象。长平煤矿己发生底臌巷道底臌 量普遍达到7 0 0m m ～8 0 0l n l Y l ，局部地区甚至达到1 0 0 0m m ，严重影响行人、通风和矿井的 安全生产等。论文针对长平煤矿4 3 0 9 2 巷道底臌原因及防治进行了研究，具有重要的理论 及实际意义。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．2研究现状 1 ．2 ．1 巷道底臌机理研究现状 国外许多专家学者通过研究分析，得出了大量有实际意义的巷道底臌机理理论，主要 有以下成果 前苏联著名学者J I ．M ．秦巴列维齐【1 1 1 通过研究分析后得出，巷道底臌现象的力学本质， 与松散土体在两个压膜传递给底板的载荷作用下压出的现象是一致的，且底臌岩层作用在 巷道内支架上的压力可以通过极限平衡理论计算得出。 M ．J I ．兹包尔什其克【1 2 】等人认为，巷道底板突然臌起，是由于底板塑性岩层对下部岩层 运移的阻滞力及底板岩体的裸露面积和周长的比例发生剧烈改变时岩层储存的弹性能突 然释放的造成的。 德国人M ．安顿哥特【1 3 】基于相似材料模拟的基础上对巷道底臌全过程进行了分析，他认 为巷道围岩的变形破坏首先是两帮在垂直应力的作用下被压裂，其次是巷道项底板在水平 应力的作用下向巷道内移动，其中较先发生破坏的是巷道的直接底板岩层。 布什曼N ．【1 4 】从大量的相似材料模拟实验中总结出巷道底板岩层破坏的最大深度与巷 道跨度成一定的比例。 利特维斯基【1 5 】通过对准备巷道底臌现象的研究，创造性的提出了巷道围岩局部性破坏 准则，即将巷道周围的岩层强度与巷道四周应力对比，以此来确定巷道周边的稳定区、极 限稳定区和不稳定区，加深了对底臌过程的认识。 切尔尼亚克[ 1 6 1 通过现场实测获得了大量的数据并对数据进行了数理统计分析，归纳出 了巷道发生底臌的经验公式。 美国人K ．H a r a m y [ 1 7 l 等人将巷道底板岩层进行了简化，将其视为两端固支的岩梁结构， 并在此基础上，深入研究分析了底板岩层的应力状态及其稳定性。 A f r o u zA ．[ 1 8 1 和C h u g hY ．P ．【1 9 】等人对底板岩层的承载能力进行了研究并指出影响巷道 底臌的因素达2 1 个之多，但主要影响因素有三个，即底板为松软岩层、巷道围岩中存在 较高应力和巷道内的水理作用。 G e s e l lM ．[ 2 0 1 基于相关膨胀原理的基础上，计算得出圆形巷道围岩膨胀位移以及其膨胀 应力，从而指出巷道围岩遇水膨胀进而引起变形，认为底臌的本质原因巷道围岩遇水膨胀。 D ．J ．R o c k w a y [ 2 1 l 贝l J 通过研究巷道底臌现象，认为巷道底臌主要取决于底板表面以下至少 6 m 厚的岩层的性质。 A ．H ．W i l s o n 【2 2 】等人认为巷道底臌主要是由于底板岩层受剪切破坏后形成的塑性区的变 形与破坏，且塑性区的范围与以下因素有关 1 巷道断面形状； 2 围岩力学特性； 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 原岩应力； 4 围岩膨胀系数； 5 巷道内支护状况等。 A q q s o n 、J a m e sR [ 2 3 】等人通过对西弗吉尼亚某新矿的底臌现象研究，并加以有限元分 析论证后，认为巷道底臌是由于底板在双向高水平应力下发生了塑性流动。 P e n gSSE 2 4 】和C a r p e n t e rG 【2 5 ] 等人通过对美国中部煤矿的底臌破坏模式进行研究分析， 认为当巷道两帮传递的应力超过底板岩层的屈服极限时，底板将产生剪切破坏，继而产生 水平位移，引发底臌。 国内许多专家学者也对巷道底臌机理进行了深入的研究，主要研究成果如下 姜耀东、陆士良【z 8 ] 通过分析巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态的差异性， 认为底板岩层臌入巷道的方式和机理也各不相同，将巷道底臌分为四种类型 1 挤压 流动性底臌； 2 挠曲褶皱性底臌； 3 剪切错动性底臌； 4 遇水膨胀性底臌。 o z 。z J，．，瓜 l a 挤压流动性底臌 b 挠曲褶皱性底臌 图1 ．1 巷道底臌类型 F i g ．1 ．1T y p e so f f l o o rh e a v e C 剪切错动性底臌 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 挤压流动性底臌 挤压流动性底臌通常发生于底板岩层破碎软弱，顶帮岩层的强度高于底板岩层，在顶 板作用下，底板软弱破碎的岩层受到挤压作用而向巷道临空面流动。需要特别说明的是， 当底板岩层为软弱岩层时，底臌具有较强的流变性。 2 挠曲褶皱性底臌 挠曲褶皱性底臌多易发生在底板为层状岩体的巷道，底板岩层在平行层理方向的压力 作用下产生向巷道临空面的挠曲褶皱而失稳破坏，底板岩层分层越薄且巷道跨度越大，越 容易发生挠曲底臌。 3 剪切错动性底臌 剪切错动性底臌主要发生于巷道直接底上，即使底板岩层整体性较好时 岩层厚度大 于1 ／3 巷道跨度 ，高地应力作用下，巷道底板也极易产生剪切破坏，亦或在巷道底角处 产生很高的剪切应力而引起楔形破坏。 4 遇水膨胀性底臌 遇水膨胀性底臌大都发生在巷道底板岩层含膨胀性系数高的岩体，如蒙脱石及伊利石 等。此类型底臌与上述三种底臌机制有很大的不同，为底板由于水理作用而膨胀引起的底 臌。巷道开挖后，底板岩层遇水膨胀产生的底臌量玑为 u f 2 拟。B 1 一l o g 只／l o g R 1 ．1 式中K 一自由膨胀率； B 一巷道的宽度； P 一完全阻止膨胀性底臌所需要的支护阻力； 足一实际的支护阻力； d 一系数。 王卫军、黄成光、侯朝炯、彭刚【2 9 】在分析综放沿空掘巷底板力学环境的基础上，建立 了底板力学分析模型。运用弹性理论对底板较大范围内的应力应变分布规律进行了求解， 认为综放沿空掘巷的底臌主要与巷道底板一定深度的岩层及实煤体侧高支承压力有关，从 理论上阐述了综放沿空掘巷比普通回采巷道更易产生底臌的力学原理。 柏建彪、李文峰、王襄禹[ 3 0 1 等人采用理论分析、数值计算、现场钻孔窥视等方法研究 分析了采动巷道底板变形破坏特征，揭示了浅部臌起、深部下沉的底臌机理，进一步分析 了不同深度底板岩层的位移规律，发现了底臌的“两点三区”特征即采动巷道底板存在 零位移点、零应变点，由这两个点将采动巷道底板分为拉应变上升区、拉应变压缩区、压 应变压缩区。 李学华、黄志增[ 3 l 】等人通过研究发现，煤矿硐室受煤层跨采影响产生的采动应力通常 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 在其原岩应力的3 倍以上，这是造成硐室严重底臌的主要原因。 李树清、冯涛、王从陆、潘长良1 3 2 1 通过对葛泉煤矿一1 9 0 南翼运输大巷大范围内的掩 体进行主要物理和力学性质的室内测试、底臌影响因素的理论分析和支护效果的数值模 拟，认为围岩性质、水和支护形式是产生底臌的主要因素。 杨本生【3 3 】等人根据新景矿中条带轨道巷现场调查和监测，分析了深井工程软岩巷道底 臌影响因素和机理。他认为底臌主要是巷道底板处于无支护状态下首先发生剪切破坏，而 后由于水理作用导致岩层进一步破碎和挤压流动。 潘一山【3 4 】等人基于有限元算法及相似材料模拟实验的基础上，分析了时间效应对底臌 的影响及水理作用下引起的底臌现象并建立了底板的渗水膨胀软化模型，认为巷道底板臌 出的大量岩石有三部分来源 1 巷道地板下一定深度内的岩体； 2 两帮下部的底板 岩体； 3 两帮的岩体。 康红普【3 7 】通过研究分析认为，因挠曲而产生的巷道底臌量占总底臌量的6 7 ％左右，因 塑性区变形和底板岩层扩容而产生的底臌量分别占总底臌量的1 1 ．8 ％和1 1 ．2 ％，认为失稳 的底板岩层向巷道内压曲、偏应力作用下的扩容和岩石自身的不稳定性是造成巷道底臌的 主要原因。 贺永年、何亚男【4 l 】通过分析巷道底臌理论，大致模拟出底臌变形全过程应力从巷道 顶板通过两帮传递至底板，一方面底板岩层受到两帮的挤压，另一方面两帮也发生下沉现 象，两帮应力高于底板岩层的屈服极限时，岩层发生断裂，从而底板臌起。 侯朝炯、马念杰【4 2 1 等人在分析回采巷道底板受力的基础上，将底板位移分为两个阶段 第一阶段，在回采巷道不受采动影响时，巷道底板2m 以上的浅部岩层缓慢向上移动，而 2m 以下的岩层基本不发生位移，说明回采巷道底板与一般巷道围岩位移有相似的规律性， 即不受采动影响时底板岩层主要发生向上的位移；第二阶段，由于回采工作面的推进，巷 道顶板通过两帮作用到底板的应力迅速增加，底板浅部岩层在巨大的应力作用下发生严重 塑性变形以至产生剧烈的底臌，底板深部的岩层出现不同程度的下沉现象，且距离工作面 越近下沉越明显。 综上所述，截止到现阶段，国内外关于底臌机理方面的实验研究所取得的主要成果概 括如下 1 巷道开掘后，围岩应力受到扰动后重新分布，导致巷道底板岩层卸压，引起底 板岩层向巷道内臌起； 2 巷道两帮将顶板传递过来的垂直应力传递给底板，垂直应力部分转化为水平应 力作用于底板，导致底板岩层受到挤压向上隆起，同时两帮下沉； 3 底板岩层受到两帮传递过来的垂直应力和部分水平应力导致其发生破碎，进而 体积发生膨胀； 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 巷道底板岩层所具有的流变特性，致使巷道底臌量会随着时间的推移而增长； 5 巷道底板岩层中含有某些黏土类矿物 如蒙脱石 在水岩耦合作用下发生体积 膨胀，诱使周围岩层强度降低并导致围岩结构松散，进一步造成岩石的破碎和崩解。 1 ．2 ．2 巷道底臌控制技术研究现状 为了保证矿井巷道的正常使用，将其底臌量控制在一定的范围内，使其不影响通风、 运输和行人等，国内外许多专家学者对如何有效控制巷道底臌进行了大量的研究，得到一 系列控制底臌的技术方案[ 4 6 - 5 4 ] 。而由于巷道所处的围岩岩性与应力环境的差异性，每条巷 道的底臌机理又不尽相同，因此，根据在防治底臌工程实践中所引用底臌机理的差异性， 可将底臌控制措施分为三大类，即加固支护法、卸压法和联合支护法。 1 加固支护法 所谓加固支护法，就是通过加固巷道围岩的强度，以达到将底臌量控制在一定范围内 的一种支护手段。加固支护法就是加强围岩的抗拉、抗剪和抗弯强度等，提高围岩的屈服 强度和承载能力，以此来控制底臌。目前煤矿常采用的加固支护法主要有围岩锚杆加固、 底板注浆、封闭式支架、混凝土反拱和加固巷道底角等。 ①围岩锚杆加固 围岩锚杆加固可分为底板锚杆加固支护法、两帮锚杆加固支护法和顶板锚杆加固支护 法。围岩锚杆加固支护法即通过锚杆将围岩表面强度低且软弱易碎的岩层与较为坚硬的岩 层链接起来，抑制围岩表面软弱岩层的扩容现象，且同时通过锚杆向下的预紧力防止底板 岩层向上凸起，从而在一定程度上达到控制围岩变形破坏的目的，合理有效的控制底臌。 柏建彪、李文峰【3 0 】等人采用理论分析、数值计算、现场钻孔窥视等方法研究分析了采 动巷道底板变形破坏特征，揭示了浅部臌起、深部下沉的底臌机理，据此提出采动巷道底 臌控制重点是加固破碎底板，增大其峰后强度和残余强度，以加固的方法实现改良底板岩 性，同时尽量减小底板自由面积，控制水平应力对底臌的影响。采用全长锚固的水力膨胀 锚杆加固底板并应用于一条典型的煤柱采动巷道进行现场试验，结果表明该技术控制底臌 效果显著。 王卫军、冯涛【s 5 】认为巷道围岩是由顶板、底板、两帮组成的复合结构体，回采巷道两 帮为软弱煤体，直接影响到底板的稳定性。通过数值计算，模拟了两帮煤体强度对底臌的 影响，煤体强度越大，底臌量越小，反之，底臌量越大。因此，提出了加固两帮控制深井 巷道底臌的构想，工程实践证明，加固两帮可在一定程度上控制深井回采巷道底臌。 李学华、王卫军、侯朝炯t 5 6 1 N 用数值计算方法，研究了顶板强度对回采巷道围岩应力 分布、塑性区范围及底臌的影响，结果表明巷道顶板强度提高后，巷旁支承压力峰值将 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 向巷帮深部移动，顶板中的水平应力增加，巷道底板的塑性区范围明显减小，巷道底臌量 也将减小。在此基础上，提出了加固巷道项板控制底臌的观点，底臌控制效果明显。 ②底板注浆 底板注浆加固的原理为通过把浆液注入节理裂隙比较发育、岩体完整性较低的底板岩 层中，可以加强岩块相互之间的摩擦胶结力，从而可以提高岩块的内聚力，在一定程度上 于岩层内部形成一个强度可观向下的反拱，很大程度上阻止了底板岩层的向上凸起。另一 方面，底板岩层注浆可以增加区域内岩体的抗变形能力，即注浆区域内岩体弯曲与扩容现 象将会得到极大的改善。 张辉【5 7 】研究了新汶矿华丰矿超千米深井巷道的底臌机理，认为超千米深井巷道围岩结 构体各分区之间是一个相互作用的统一体，在支护顶帮的同时必须控制底臌，提出了采用 断面预应力锚注加固控制巷道围岩变形的方法，使巷道围岩整体成为一个强力的承载体， 将树脂锚固剂应用于底板锚索的锚固，成功解决了超千米深井高应力巷道围岩控制的难 题。 孟文福【5 8 】认为对于底板围岩破碎或岩层承受的应力超过自身强度而产生裂隙的巷道， 注浆加固技术防治底臌的效果较好。他采用F L A C 3 D 软件对注浆加固技术防治巷道底臌的 机理进行了研究，并与其他支护方式进行了比较，结果表明使用底板注浆加固技术时， 注浆浆液渗透到岩层裂隙之间，增加了破碎岩石之间的黏结力，使底板附近围岩形成具有 较高强度的整体结构，围岩变形量大大减小，巷道两帮变形量及底臌基本得到控制。 ③封闭式支架 封闭式支架底部产生的支护阻力与底板向上凸起的力相反，可在一定程度上抑制地板 凸起，大大改善了底板上部岩层的应力状态，使其成为三向受力，稳定性得到了提高，弱 化了底板岩层的变形程度，降低了底臌量。 高明中、孙家斌【5 9 】等人针对极难维护放顶煤回采巷道的变形特点，选择方环形封闭式 支架，在实验室进行了不同荷载形式下的支架整体工作性能试验。并应用方环形支架成功 地维护了高地应力区极松散围岩放顶煤回采巷道，巷道底臌、项板下沉与两帮移近都得到 了有效的控制。 ④混凝土反拱 混凝土反拱支护技术一般用于使用时间较长的巷道中，混凝土反拱可以提供很高的支 护阻力，且可以将这部分力很均匀的作用于巷道底板上，从而抑制底板岩层向上拱起。此 外，若在其上布置一些可伸缩性支撑构件，可保证其有一定的形变量，对于底臌的控制效 果更加显著。 刘成【删对近距煤层上部煤柱下方应力分布规律、巷道底臌机理、巷道断面对底臌的影 响程度以及治理底臌的方法进行了有益的探索，得出补矿最适宜的底臌治理方案为帮顶加 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 强支护混凝土反拱，并进行了现场工业试验，底臌控制取得了良好的效果。 ⑤加固巷道底角 加固巷道底角支护方法有两种方式，对底角进行注浆加固和打底角锚杆。当巷道断面 为矩形时，采用这种支护方式可以大大减小底角的应力集中系数；对底角进行加固可以使 两帮和底角组成一个共同承载体而提高其承载能力，以此可制约底角和两帮处塑性区的发 育，限制底臌的发生；对底角进行加固可以减小底角因顶板传递至两帮的巨大应力而导致 的错位和两帮下沉现象，在很大程度上可以增强两帮对顶板的支撑能力，弱化顶板的破裂 和离层，有效抑制底臌和顶板下沉。 宋沛鑫[ 2 ] 通过研究亚美大宁煤矿巷薄层状组合底板底臌发生机理、影响因素及防治措 施，他认为巷道底臌是一个动态的过程，每一阶段有不同的破坏形式，不同的力学原因， 提出了全断面锚杆 墩柱的支护措施，底臌控制效果良好。 除了上述的一些支护方法以外，加固支护法还包括底板预应力锚索、高强度预应力大 弧板、底板砼拱及可缩性钢拱支架活底板梁等支护方式。加固支护法在一定程度上可以起 到控制底臌的效果，但是在底臌强烈的巷道使用此方法，会增加材料消耗，从而会增加支 护成本，且不一定会得到理想的效果。加固支护法是一种被动的支护方式，没有从根本上 控制底臌的发生，而且个别支护方式只是临时性、局域性的，达不到全面推广的技术要求。 2 卸载法 所谓卸载法，与上述的加固支护法来控制底臌现象在机理上截然不同。卸载法的机理 是通过一定的技术手段使巷道围岩所受应力发生改变，以确保巷道处于应力降低区，从而 可以使底板更加稳定，减小底臌发生的概率。截止到现阶段，许多国家都曾使用过卸载法 来控制底臌，在特定的条件下使用会取得不错的效果。卸载法主要包括切缝、打钻孔、松 动爆破和卸压煤柱等。 ①切缝 切缝一般应用于底板 或开槽 ，目的是通过底板切缝使巷道围岩的最大应力转移到深 部围岩中去，使巷道底板处于低应力区域，以保证其稳定性。影响切缝卸载效果的重要因 素有切缝的深度、位置、宽度、形状及切缝与掘巷的时间耦合效应等。 李军【6 】] 通过分析红石岩煤矿1 2 4 0 6 回风顺槽破坏机理，指出1 2 4 0 7 回风顺槽的底臌原 因主要是1 2 4 0 6 回采工作面的二次采动影响。他认为1 2 4 0 7 回风顺槽在1 2 4 0 6 回采工作面 的影响下，两帮应力较高，两帮将应力传