0 引  言

维持巷道的稳定性及采用适宜的支护手段是人们长期以来一直致力于研究和解决的课题，巷道围岩由顶板、两帮和底板组成且相互作用，加固其中一个部位不仅可以提高本身的强度，也可以对其他两个部位的稳定性产生影响^[1-3]。李树清^[3]等通过数值模拟，分析了底板支护和注浆加固底板后深部软岩巷道两帮围岩的稳定性，得出加固软弱底板有利于提高深部软岩巷道两帮围岩稳定性的结论。王卫军^[4,5]等认为巷道围岩是由顶板、底板和两帮组成的复合结构体，通过模拟两帮软弱煤体强度对底鼓的影响，提出了加固巷道两帮可控制深井巷道底鼓的构想。康继忠、赵红超^[6]等建立了不同巷道围岩条件下巷道两帮位移与底鼓的力学模型，提出加强回采巷道两帮支护强度可控制两帮位移量，从而减小巷道底鼓量，控制巷道围岩的稳定性。丁国锋、王苏健^[7]等通过理论分析与数值模拟分析了提高两帮强度对底板岩层稳定性的影响，掌握了加固两帮有利于减小发生底鼓的底板岩层宽度，减小底板挠曲效应和压曲效应。

巷道围岩的失稳主要为顶板变形、两帮破坏和底板凸起，为了控制巷道围岩的稳定性，国内外学者提出了很多方法，如锚网喷支护控制巷道顶板失稳，加固两帮控制巷道底鼓的机理，巷道支护的自稳平衡圈理论^[8-12]，本文基于前人提出的巷道变形控制理论，提出了控制巷道两帮变形的支护方式。

1 巷道两帮强度对底鼓的影响

1.1 巷道底鼓的机理

巷道底鼓存在挤压流动性底鼓、挠曲褶皱性底鼓、遇水膨胀性底鼓及剪切错动性底鼓四种基本形式^[10-11]，因此，巷道不同的底鼓机理需采用不同的治理方法。而巷道发生底鼓现象通常由下述的一个或多个因素引起：

(1) 开巷后围岩应力变化造成巷道底板岩层卸载产生弹塑性变形向巷道内鼓起；

(2) 巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板，使底板受水平应力作用向巷道内鼓起；

(3) 在上述应力作用下底板破碎后集中堆积出现的体积扩大；

(4) 水对底板的作用，底板中某些粘土矿物（如蒙脱石等）遇水后体积突然膨胀，并促使围岩强度降低，导致底板结构松散，易崩解至破碎。

如图1所示，为某矿回采巷道底板0~7m深度内垂直位移实测曲线：

图1 底板岩层位移实测曲线

图1中A点为底板岩层鼓起和下沉的分界点，在其上方的岩层向上产生位移，下方岩层向下产生位移。A点应变为0，A点上方为拉应变，下方为压应变。

1.2 两帮煤体性质对底鼓的影响

当不考虑水平应力，只研究垂直应力作用的情况下，巷道底板岩层受到的垂直应力由上覆岩层的自重通过煤体施加在底板岩层上，可以将巷道底板岩层受力简化为简支梁模型。

底鼓类型为挠曲褶皱型底鼓时，底板主要受到垂直应力的影响。巷道掘进后，巷道两帮在水平方向上的应力先增大后减小，直至原岩应力。巷道两帮煤体强度较大，支护强度较高，巷道两帮围岩变形较小，塑性区也较小，巷道两帮的应力峰值由深部向浅处移动；反之，两帮煤体强度小、围岩支护强度低，巷道在围岩应力的作用下，两帮变形加大，围岩塑性区扩张，最终导致围岩应力峰值向巷道深部转移。将巷道底板岩层受力简化为简支梁力学模型，如图2所示。

图2 底板岩层受力模型

图中：Q— 底板岩层受到的水平力

F_A—巷道变形量小时底板最大垂直应力

F_B—两帮变形量大时底板最大垂直应力

L— 巷道宽度的1/2

b— 垂直应力峰值距离煤帮的距离

x₀— 垂直应力峰值向深部偏移的距离

煤层巷道开挖后,巷道周边附近围岩应力重新分布，两侧煤体边缘首先遭到破坏，并逐步向深部扩展，直至弹性应力区边界，这部分煤体应力处于极限平衡状态。

1.3 矿井实测分析与数值模拟

以某矿为工程研究背景，其煤层巷道的地层条件为：巷道尺寸5m×4m，埋深400米。通过现场实测发现了巷道两帮的煤层强度与底鼓量之间呈负相关，即两帮煤层强度增大时，巷道底鼓量相应减小，反之，巷道底鼓量随之增加。其煤层强度与底鼓量实测曲线如图3所示，煤层巷道的物理力学参数见表1。

表1煤层巷道物理力学参数

图3 煤层强度与底鼓量的关系

为研究煤体强度对底鼓量的影响，本文制定出两个方案进行FLAC^3D数值模拟的对比。即方案(1)： 原煤层的单轴抗压强度为12.5MPa；方案(2)：煤层的单轴抗压强度增加为25MPa。基于煤层单轴抗压强度的变化，数值模拟结果如图4、5所示。

(a) 水平应力变形       (b) 垂直应力变形

图4 煤层单轴抗压强度为12.5MPa

(a) 水平应力变形       (b) 垂直应力变形

图5 煤层单轴抗压强度为25MPa

当两种方案下巷道的顶底板条件及其它条件一致时，基于模拟结果可得，煤层单轴抗压强度为25MPa时，巷道底鼓量为382mm，远低于原煤层低强度下的底鼓量756mm。故模拟数值与实测数值规律一致。

2 底板强度对两帮影响的数值模拟

为研究巷道底板强度对两帮变形量的影响，保持其顶板与两帮的强度不变，将方案2的巷道底板粘聚力与抗拉强度适当降低，建立数值计算模型，巷道岩层力学参数见表2。

表2 巷道岩层强度组合方案

根据表2可知，方案2比方案1的底板粘聚力降低了68%，抗拉强度降低了82%。两种方案下的水平应力与垂直应力分布时巷道两帮变形量的数值模拟结果如图6、7所示。

           方案1             方案2

图6巷道水平应力分布

方案1             方案2

图7巷道垂直应力分布

经计算可得，方案2对应的巷道两帮水平应力比方案1对应的降低了35.9%，其垂直应力比方案1对应的巷道两帮垂直应力降低了24.7%。

因此，可得出当底板岩层软弱出现底鼓时，将促使两帮破坏区的范围进一步扩展，从而使得巷道两帮的水平应力大幅度降低，但水平位移持续增加，故两帮移近量增大。故提出，当煤层强度，巷道顶板条件等不变时，采用加强底板支护的方式（即锚杆、锚索间隔布置在巷道两帮脚部位的支护方式），来控制巷道两帮的变形。

3 结论

(1) 以A点为底板岩层底鼓和下沉的分界点，其在0~4m底板岩层范围内，底鼓量在810mm~0mm范围降低，A点后底板岩层开始下沉。

(2) 基于现场实测，发现了巷道两帮的煤层强度与底鼓量之间成反比关系，即两帮煤层强度增大时，巷道底鼓量相应减小，反之，巷道底鼓量增加。

(3) 采用FLAC^3D模拟结果可知，巷道两帮煤层单轴抗压强度与底鼓量呈负相关。即煤层单轴抗压强度为25MPa时，巷道底鼓量为382mm，远低于原煤层12.5MPa对应的底鼓量756mm。

(4) 基于巷道两帮变形量与底板强度呈负相关，提出了当煤层强度、巷道顶板条件等不变时，采用锚杆、锚索间隔布置在巷道两帮脚部位的支护方式，来控制巷道两帮的变形。

参考文献(References)：

[1] 康红普.软岩巷道底鼓的机理及防治[M].煤炭工业出版社，1993.

[2] 杨建中.巷道底鼓的机理分析[J].云南冶金，1998.27(4)：13-16. 

[3] 李树清，王卫军等.加固底板对深部软岩巷道两帮稳定性影响的数值分析[J].煤炭学报，2007(2)：123-126.

[4] 王卫军，冯涛. 加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究[J]岩石力学与工程学报，2005.24(5)：808-811.

[5] 王卫军.回采巷道底鼓力学原理及控制技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2002.

[6] 康继忠，赵洪超，王襄禹等.巷道两帮强度对底鼓控制的影响[J].煤矿安全，2013. 44(7)：179-182

[7] 丁国锋，王苏健，谢文兵等.加固顶板和两帮控制回采巷道底臌研究[J].西安科技大学学报，2014.34(4)：384-389.

[8] 黄庆享，石中情. 三软煤层巷道围岩极限自稳平衡圈分析[J].西安科技大学学报，2016.36(3)：331-335.

[9] 侯朝炯，马念杰.煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨[J].煤炭学报，1989(4)：21-29.

[10] 姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等.深部开采中巷道底鼓问题的研究[J]. 岩石力学与工程学报，2004.23(14)：2  396-2401. 

[11] 康红普，陆士良. 巷道底臌机理的分析[J]. 岩石力学与工程学报，1991.2(4)：362-373.

[12] 张红军，李海燕，李术才，等.深部软岩巷道围岩变形机制及支护技术研究[J].采矿与安全工程学报，2015.32(6)：955-962.

作者简介:

王张辉（1984-），男，汉族，陕西西安人，硕士研究生学历，工程师，现在中煤西安设计工程有限责任公司从事矿井开采设计工作。单位邮编710054。