软岩巷道底鼓机理分析

的破坏范 围 和 底 鼓 量。显 然，随 着 巷 道 服 务 时 间 的 增 加，
最终导致底鼓量增加。
2 工程实例
2. 1 工程概况 朱集矿井的巷道底鼓变形现象相当严重，几乎达到了
无巷道不底鼓的程度。主要巷道，如井底车场巷道、主要 大巷、主要硐室等，虽然支护强度很高，底鼓依然很严重， 日均底鼓量达 0. 2 ～ 0. 7 mm。回采巷道，如采煤工作面两 巷、瓦斯抽排巷等，日均底鼓量更大，甚至达到了 1 mm 以 上，有的巷道在工作面支承压力到来之前就严重变形破坏， 不得不进入返修程序。
底鼓破坏是所有巷道破坏的“第一步”： 巷道底板首先隆 起甚至开裂，继而巷道两帮从下往上依次向内收敛，由于
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失去了两帮 的 支 撑， 巷 道 顶 板 也 难 以“独 善 其 身 ”，最 终 垮 落，整体巷道也随之宣告破坏。
3 数值计算及分析
3. 1 模型建立 对于围岩，本模拟在其前后面、左右面及底面施加唯
一约束。在 Y 方向上施加重力。 根据不同埋置深度，我们先计算出位于顶部的重力荷
载大小。 P = ρgh
式中，密度为 2 400 kg / m3 。 将 h = 700 m，800 m； 分别代入式上式得加载于岩层顶 部的荷载分别为 1. 68 × 107 Pa，1. 92 × 107 Pa。 3. 2 计算结果 结果 1 给出了埋深 700 m 巷道开挖加入衬砌，其岩层顶 底板的位移改变量，利用 ABAQUS 后处理测的其顶板下沉量 为 6. 4 × 10 － 3 mm，底鼓量为 9. 5 × 10 － 3 mm。如图 1 所示。
图 2 800m 埋深巷道顶底板位移云图
结果 3 给出了混凝土支护在有锚网索衬砌的作用下以 及素混凝土喷层巷道底鼓量的曲线图，从图中可以看出沿 路径下素混凝土支护底鼓量为 0. 012 m，如图 3 对比锚网为 0. 004 m。
Displacement
0.012 素混凝土
0.008
0.004
0.000 0.0
Key words： Mining Engineering； Ｒoadway Floor Heave； Bolt-Mesh-Anchor Support
0前言
底鼓是巷道由于岩石开挖或开采扰动引起围岩应力的 重新分布以及巷道运行过程中围岩性质不断发生变化，造 成巷道顶底板及两帮变形使巷道断面内敛、底板向上隆起 的现象。目 前， 绝 大 部 分 底 鼓 控 制 方 法 均 围 绕 底 板 进 行， 通过加固巷道其他部位（ 包括顶板、两帮、顶角、底角） 控 制底鼓的技术尚未得到深入研究。实际上，巷道是由两帮、 顶板、底板构成的有机整体，相互之间存在受力与变形的 相互影响，改变其中一部分的力学特性和应力环境，势必 造成对其他部分的受力和变形，因此，底鼓控制技术如只 围绕 底 板 进 行 就 难 以 达 到 理 想 的 控 制 效 果。本 文 通 过 ABAQUS 有限元软件分析模拟出底鼓变形量的关系。
+1.016e-02
+9.056e-03
X
+7.953Βιβλιοθήκη Baidu-03
+6.850e-03
+5.748e-03
+4.645e-03
+3.543e-03
+2.440e-03
+1.338e-03
+2.350e-04
-8.676e-04
ODB:700mmm.odb Abaqus/Standard 6.10 -1 Tue Nov 20 21:53:24 GMT+08:00 2012 Step:Step-3 Increment 1:Step Time=1.000 Primary Var:U，U3 Deformed Var:U Deformation Scale Factor:+1.000e+00
底鼓越严重。因此，深部开采的巷道比浅部开采的巷道底
鼓严重得多。通过 ABAQUS 模拟不同埋深可以很清楚的看
到这一点。
1. 2 围岩岩性
围岩的矿物成分、结构和软弱程度对巷道底鼓起到重
要作用。当底板位于坚硬岩层时，一般处于稳定状态，一
般不会发生底鼓； 而当底板位于软弱的泥岩中时，岩体强
度低时在地应力作用下极易产生底鼓。
图 1 700 m 埋深巷道顶底板位移云图
结果 2 给出了埋深 800 m 巷道开挖加入衬砌，其岩层顶 底板的位移改变量，利用 ABAQUS 后处理测的其顶板下沉量
为 8. 6 × 10 － 4 mm，底鼓量为 1. 2 × 10 － 2 mm。如图 2 所示。
U,U3 Z
+1.236e-02
+1.126e-02
1. 3 支护方式
为了有效的减小巷道的变形量，巷道支护中顶板、两
帮底板应形成有效的关联体，这样的底板通常处于封闭支
护状态，才能有效抑制底鼓。在巷道的支护上，一般均采
用锚网喷及各种钢性支架有效地对巷道顶帮进行支承。底
板进行锚索注浆支护，从而平衡各个方向的巷道围岩压力。
1. 4 围岩流变效应
软岩巷道服务时间较长时，岩石的流变作用将会大大
锚网喷层
0.4
0.8
1.2
True distance along path
u,u3:True Dist.along "path-1"
u,u3:True Dist.along "path-1"
图 3 底鼓对比曲线图
3. 3 结果分析
1） 从结果 1，2 的对比我们可以看出巷道埋深增加了
100 m，对于巷道的底鼓量增加了 1. 3 倍。说明了巷道的埋
MENG FanPeng （ Department of Civil Engineering and Architecture Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）
Abstract： In recent years，with the continuous extension of coal deep mining engineering，the pressure of roadway increases much，the roadway floor heave is becoming more and more intensified，the roadway floor heave is a common form of roadway deformation． This paper analyzes the main factors of roadway floor heave． By engineering examples，the paper resumes the variety rule of roadway floor heave and the influence of the flanks． Meanwhile puts forward the bolt-mesh-anchor support for roadway floor heave deformation effect． This paper provides a certain basis for the maintenance of roadway floor heave．
由于岩石在高地应力作用下会表现出软化特性，即表 现出软弱围岩的特征，因此当巷道处于较深的层位时，发 生底鼓的最主要的两个因素就会同时出现，故当巷道处于 高地应力岩层中时，底鼓往往不可避免的会发生影响。围 岩的变形 不 仅 表 现 出 弹 性 和 塑 性，而 且 也 具 有 流 变 性 质。 流变性质就是指材料的应力 － 应变关系与时间因素有关的 性质，材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。 岩石的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。蠕变是当应力不 变时，变形随时间增加而增长的现象； 松弛是当应变不变 时，应力随时间增加而减小的现象； 弹性后效是加载或卸 载时，弹性应变滞后于应力的现象。 2. 2 支护方式
U,U3
+9.501e-03 +8.173e-03 +6.845e-03 +5.518e-03 +4.190e-03 +2.862e-03 +1.534e-03 +2.066e-04 -1.121e-03 -2.449e-03 -3.777e-03 -5.104e-03 -6.432e-03
Z X
ODB:800MMM.odb Abaqus/Standard 6,10 -1 Tue Nov 20 20:07:56 GMT+08:00 2012 Step:Step-3 Increment 1:Step Time=1.000 Primary Var:V,V3 Deformed Var:U Deformation Scale Factor:+1.000e+00
对于巷道的底鼓治理，我们应该充分考虑巷道的整体 关联性。一般情况下，巷道的底鼓作用常常与两帮的失稳 有着密不可分的联系； 随着巷道的开挖，原岩应力发生了 显著变化，巷道周边产生了松动圈效应，在巷道的整体作 用下底鼓不可避免的产生。由此，我们从中得到启示，在 巷道两帮施加支护，用以监测底鼓的变化情况。支护设计 如下所示，采用双盘双网支护设计，对巷道打入锚杆同时 配以两层钢筋网，这样可以有效抑制两帮位移。
护巷道及底鼓的治理提供了一定的依据。
关键词： 矿业工程； 巷道； 底鼓； 锚网索支护
中图分类号： TD353
文献标志码： A
文章编号： 1672 － 4011（ 2013） 06 － 0144 － 03
Soft Ｒock Ｒoadway Floor Heave Mechanism and Numerical Simulation
深增加，底鼓效应会产生显著的增加。从材料力学的角度
看，底鼓及为底板的位移变化。底板的变形量可以根据有
限单元法分析，取单元构件，其应变为：
ε=
σ E
式中，σ 为单元所受应力，E 为弹性模量。
而对于 σ 的计算，根据 P = ρgh，在不同的深度下所受里
的大小与深度成正相关，符合 ABAQUS 的分析结果。
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Sichuan Building Materials
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1672 － 4011． 2013． 06． 063
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第 39 卷 总第 176 期
软岩巷道底鼓机理分析
孟凡鹏
（ 安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）
作者简介： 孟凡鹏（ 1987 － ） ，男，江苏徐州人，在读硕士研究生，主要 从事巷道支护工程研究。
1 巷道底鼓影响因素
研究表明，巷 道 底 鼓 的 产 生 是 由 于 多 种 因 素 引 起 的，
在不同的条件下，各种因素所起的主次作用各不相同，究
其主要原因有如下几类：
1. 1 岩层应力
构造应力对巷道的底鼓有一定的作用。岩层应力越大，
2） 从结果 3 可以看出，加入锚网索支护的巷道，在巷
道整体联动作用下，其底鼓量为 0. 004 m； 而在素混凝土喷
层作用下，巷道在相同条件下的底鼓量达到了 0. 012 m 多，
为其 3 倍之多。
巷道的整体联动性反映的是在一条巷道断面内，其顶
板、两帮及底板组成了一个整体的结构体。任何一项的位
移变动都可能影响到周边的稳定性。因此，在两帮加入了
网壳结构喷层，使巷道的受力由平面应力状态变为了三向
应力状态。在此条件下由强度理论公式可得：
σmax ≤ σ1 － σ3 当围岩处于三向压应力状态后，巷道的强度会大幅增
增加巷道的破坏，引起底板岩层强度的降低及底鼓量的增
加此时应引入时间参数。引进奠尔一库仑准则应为：
σ3 ≥ － 2C（ t）
cosφ（ t） 1 + sinφ（ t）
+
1 1
－ +
sinφ（ sinφ（
tt））·σ1
式中 C— 粘结力；
φ— 内摩擦角；
T—计量时间。
依据软岩的时刻力学数值，可以分析计算该时刻底板
摘 要： 近年来，随着煤田深处矿业工程的不断延伸，
巷道围压逐渐增大，巷道发生底鼓的现象也愈演愈烈，巷
道底鼓是造成巷道变形破坏的常见形式。文章分析了巷道
底鼓的主要因素，通过工程实例，简述了巷道的底鼓变化
规律以及两帮对于巷道底鼓的联动作用，同时有针对性的
提出了锚网索支护对于巷道底鼓变形量的影响。文章为维