林 业，马春德（中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083）

底角锚杆在深部软岩巷道底鼓控制中的应用研究

Application research on floor anchor in controlling floor heave in deep soft rock roadway

林 业，马春德（中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083）

底鼓作为深部软岩巷道围岩变形与破坏的主要形式之一，一直困扰着贵州开磷集团马路坪矿。通过对700m中段运输大巷变形状况的实地调查，以及对底鼓因素的理论分析，同时运用数值模拟方法，研究底角锚杆在控制底板变形中的受力特征，从而提出底角锚杆控制底鼓的工作机理。通过对三种底锚形式（单排底锚、双排底锚以及垂直底锚）的数值模拟对比，得出如果在高地应力情况下，安设垂直底锚能够防治由于较高的应力集中而形成的剪切破碎带随着破坏的发展、剪切带贯通而形成的楔形破坏。同时加设双排底锚，利用材料自身的抗剪强度，切断底板基角部位的塑性滑移线，使应力向岩体深部传递，最终有效地控制巷道底鼓。

软岩巷道；底鼓；数值模拟；单排底锚；双排底锚；垂直底锚

1 前言

巷道由于掘进或回采影响引起其围岩的应力状态和围岩性质发生变化，使顶底板和两帮岩体发生变形并向巷道内位移，底板岩体向巷道内位移为底鼓。目前，随着支护技术的发展，已经能够将顶板下沉和两帮内移控制在一定程度内，但对于防治底鼓却一直缺乏既经济又有效的办法。强烈的巷道底鼓不仅带来大量的维修工作，增加维护费用，而且还影响矿井安全生产[1]。

贵州开磷集团马路坪矿软岩巷道顶板下沉、两侧帮内移和变形与底鼓是显著的矿山压力作用的结果。实测数据表明，在巷道顶、底板移近量中，大约有2/3是由于底鼓引起的。这类问题给深部开采矿井，特别是软岩矿井的正常生产带来了极大的困难。

2 工程背景

马路坪矿段位于洋水背斜东翼，为一单斜构造，地层倾向120°～130°，倾角30°～35°。700m中段运输大巷于2003年开始施工，该地段主要为紫红色页岩，原来的支护方式为拱部钢筋砂浆锚杆、喷浆支护，支护材料主筋采用6#钢筋，锚网尺寸为2m×2m，锚杆长1.5m，网度为15mm×15mm,锚杆排距1m，间距800～1 000mm，喷射厚度120mm。经过一段时间后，喷层局部开裂剥落，局部片帮冒顶，底鼓现象严重，表1列出了在巷道开掘后的三个月时间内的底鼓量。底鼓量与时间关系见图1，底鼓速率变化见图2。

表1 700m中段运输大巷第一测站底板位移观测结果统计

图1 700m中段运输大巷第一测站巷道底鼓量与时间关系

图2 700m中段运输大巷开掘后巷道底鼓速率的变化

3 700m中段运输大巷底鼓影响因素

目前国内外针对巷道底臌的机理及控制方法的研究表明，引起巷道底鼓的因素很多，其中，影响最大的有底板的围岩性质、围岩应力、水理作用和支护强度等[2～6]。通过对马路坪700m中段运输大巷变形状况的实地调查，经分析表明，底鼓一般是由下列方面原因引起的。

（1）围岩性质。巷道底板岩体软弱，强度低，承载力不足是造成底鼓的直接原因。开磷集团矿业公司马路坪矿700m中段运输大巷，巷道布置在矿层底板软弱的紫红色页岩中，该岩体的强度较低，在较高的围岩应力作用下表现出显著的塑性和流变性。

（2）围岩应力。井巷围岩中的高支承压力是造成底鼓的决定性因素。深部巷道遇到底鼓的情况比浅部巷道多，孤岛盘区或孤岛工作面中巷道的底鼓情况比其他盘区或工作面的巷道严重。这完全是由于地压升高，存在着一个高支承压力带所至。从图3中可看出巷道周边围岩的应力方向都是向上的趋势，为底鼓的造成起着决定性的因素。

图3 700m中段运输大巷周边应力分布趋势

（3）水的作用。水的作用是产生底鼓的主要环境因素。水可以大大改变软弱岩体的强度和体积。由于水的渗入，特别是在饱和状态下，岩体的承载力降至最低点，甚至完全丧失。与此同时，增强了岩体的塑性流变和膨胀流变。由于700m中段运输大巷的围岩主要是紫红色页岩，该岩体遇水后具有强烈的膨胀性，能引起围岩的膨胀变形。

（4）支护设计。原巷道支护形式单一，没有根据围岩地质条件、巷道服务年限、巷道用途来选择支护形式，轻视底板支护。由于底板无支护，使压力沿底板释放，造成严重底鼓并使两帮底角向内收敛，造成两帮的破坏失修。

4 底角锚杆防治底鼓的机理分析

图4为将底板围岩简化为弹塑性介质，得出的挤压流动性底鼓的滑移线场[7]。

图4中PU为松动围岩给底板的压力，按静水压力传递。PU=Hgγ，H为围岩的松动高度，γ为岩石密度；B为围岩的松动宽度；α=45°-Φ/2；Φ为围岩的内摩擦角。

图4 巷道底板滑移线场

根据滑移线的速度场性质可推导出：图4中△AOC、△A′O′C′分别与 x轴成沿的方向整体移动，并由间断线可知，移动方向垂直AC、A′C′。扇形区 ACD、A ′C′D′分 别绕 A、A′两点在径向法线方向上作整体移动。如果在AC、A′C′方向布置锚杆，围岩的移动方向则垂直于锚杆轴向。围岩移动就必须克服锚杆的绕流阻力。如果绕流阻力足以平衡PU-P(P为无反拱时，底板的极限承载压力)，则底板处于极限平衡状态，不会发生底臌。即使在A、A′两点布置的锚杆失效，导致锚杆绕A、A′点转动，围岩向巷道空间的移动量也远小于底板中部的移动量。所以在AC、A′C′方向布置底角锚杆，可以有效控制挤压流动性底鼓[8]。

5 数值模拟分析

为深入分析700m中段运输大巷的底鼓机理，利用ANSYS数值计算软件模拟原支护状态下的巷道变形情况。模型中原岩处于侧压系数近似为1的静水压力状态，原岩应力的大小采用巷道周边地应力大小转化为的垂直应力和水平应力。约束条件为左右边界承受地应力转化成的水平应力，铅垂自由；上边界承受地应力转化成的垂直应力，水平自由；底边界铅垂约束，水平自由。

模拟过程分为四步：首先模拟原岩应力状态，待模型平衡后再进行巷道开挖；在第二步巷道开挖时，对硐室全断面以及初喷层和复喷层开挖后，进行求解平衡；第三步进行初喷，然后进行锚杆安设，考虑锚杆的加固效果，再运行至平衡状态；最后一步进行复喷完后的求解计算，整个过程通过生死单元进行分析。模拟中采用的参数见表2及表3。

表2 材料主要力学参数

表3 锚杆力学参数

为了更好地研究底锚的作用机理，对单排底锚和双排底锚及垂直底锚进行了模拟并进行对比。方案一为没有安设底锚；方案二为安设单排底锚；方案三为安设双排底锚；方案四为安设双排底锚加垂直底锚，见图5所示。

图5 底角锚杆加固示意图

5.1 巷道Y轴应力场

巷道Y轴应力场见图6所示。从图6中可看出，双排底锚对减弱巷道周边应力场有明显作用，但此时垂直底锚对巷道周边应力场的减弱无明显作用。

图6 巷道Y轴应力场

5.2 巷道周边最大主应力场

巷道周边最大主应力场见图7所示。从图7中可以看出，安设双排底锚能够明显改善巷道周边的最大主应力场，使得巷道周边的最大主应力值减小，从而能够减小对巷道周边的破坏。但此时垂直底锚对巷道周边最大主应力值的减弱无明显作用。

图7 巷道周边最大主应力场

5.3 巷道周边应力强度

巷道周边应力强度见图8所示。从图8中可以看出，垂直底锚可以有效地增加底板的应力强度，从而有效地阻止底鼓的发生。

图8 巷道周边应力强度

5.4 底角锚杆受力分析

底角锚杆受力分析见图9所示，图9（a）显示的是靠近巷道底角的上排底角锚杆所受的剪应力；图9（b）显示的是下排底角锚杆所受的剪应力；图9（c）显示的是垂直底角锚杆所受的剪应力。从图9（c）可以看出垂直底角锚杆中部所受的剪应力最大；从图9（b）可得出下排底角锚杆中上部所受的剪应力最大；从图9（a）可得出上排底角锚杆的端部所受的剪应力最大。分析可知，从巷道底板到巷道两帮剪应力逐渐向巷道边界面转移，所以底板所受的水平剪应力最大，最容易产生剪切错动性底鼓。所以在高地应力地段很有必要安设垂直底锚，以便及早控制由于剪应力而产生的滑移线，以达到控制底鼓发生的目的。

图9 底角锚杆受力分析

6 结语

本文借助数值模拟方法，从理论角度建立了开挖与支护形式的的力学模型，对底角锚杆在深部软岩巷道底鼓的作用进行了探讨，得出如下结论。

（1）围岩性质、高地应力、水和支护形式是引起700m中段运输大巷底鼓的主要原因。

（2）双排底锚比单排底锚在减小巷道周边最大主应力方面有着更明显的作用，成排的底角锚杆所形成的支护体系将巷道开挖后应力重分布所导致的竖向与水平荷载力进行了有利的转化，起到了切断底板基角部位塑性滑移线的作用，而且将应力向岩体深部传递[9]。

（3）当地应力特别大时，容易产生剪切错动性底鼓，这时应安设垂直底角锚杆，防治由于较高的应力集中而形成的剪切破碎带随着破坏的发展剪切带贯通而形成的楔形破坏。

（4）系统研究了底锚对贵州开磷集团马路坪矿700m中段运输大巷底鼓的控制作用，对将来的施工提供一定的理论参考。

[1]薛顺勋，聂光国，姜光杰等.软岩巷道支护技术指南[M].北京：煤炭工业出版社，2002.

[2]姜耀东，赵毅鑫，刘文岗等.深部开采中巷道开采中巷道问题的研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(14)：2396-2401.

[3]J.C.斯坦卡斯等.锚杆加固底板控制煤巷底鼓[J].中国煤炭，1995，（4）：63-70.

[4]潘一山，祝 平，王德利.深埋巷道底臌及防治的蠕变模拟试验和数值分析[J].黑龙江矿业学院学报，1998，8(2)：1-7.

[5]康红普.软岩巷道底鼓的机理及防治[M].北京：煤炭工业出版社，1993.

[6]李树清，冯 涛，王从陆等.葛泉矿软岩大巷底鼓机理及控制研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(8)：1450-1455.

[7]钟新谷.锚杆防治软岩巷道底臌的分析[J].力学与实践，1994，16(4)：37-40.

[8]陆士良，汤 雷，杨新安.锚杆锚固力与锚固技术[M].北京：煤炭工业出版社，1998.

[9]杨生彬，何满潮，刘文涛等.底角锚杆在深部软岩巷道底臌控制中的机制及应用研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(增1).

TD353

A

2010-06-07

林 业（1987-），男，福建龙岩人，在读硕士研究生，主要从事地下空间工程等领域的研究工作。

湖南省研究生学位创新项目（1343-74236000013）

Abstract:As one of the main failure modes in deep soft rock roadway,floor heave is a great problem in Maluping mine,Kailin Group.Through the in-situ investigation in haulage tunnel of the level of 700m and the theoretical analysis of the factors resulting in floor heave,by using the method of numerical simulation,the stress characteristics of the anchors fixed in floor in controlling de⁃formation of the floors is studied.Based on the analysis results,the work mechanism of anchors in floor is summarized.Through the numerical simulation contrast of single-row anchor in floor,double-row anchor in floor and vertical anchor in floor,the reasult shows that the vertical anchor in floor can prevent the wedge failure which is caused by the developing and connection of shear fracture zones due to the high stress concentration.At the same time,the anchors with high shear strength are fixed into the floor in double rows,and they can cut off the plastic slip line of the floor,so the stress can transfer to the deep rock,and which make the deformation of the floor is controlled effectively.

Key words:soft rock roadway;floor heave;numerical simulation;single-row floor anchor;double-row floor anchor;vertical floor anchor

1672-609X（2011）01-0035-05