袁庆盟　袁庆帅　张胜功

(1.青岛理工大学土木工程学院；2.兖矿集团鲍店煤矿)



底板锚杆防控底鼓技术在沿空留巷中的应用

袁庆盟1袁庆帅2张胜功2

(1.青岛理工大学土木工程学院；2.兖矿集团鲍店煤矿)

针对沿空留巷复用时经常出现底鼓现象，分析了沿空巷道底板岩层的运动情况，给出了各阶段底鼓量的构成、最大破坏深度及其位置。以底板锚杆加固法为例，讨论了锚杆在防控底鼓方面的作用机理，并结合实践计算出建议的锚杆长度，供相关应用参考。

沿空留巷底板锚杆底鼓防控

自20 世纪50年代以来，沿空留巷技术一直是我国煤炭开采技术的重要发展方向[1]。沿空留巷技术能够实现无煤柱开采，有效减少掘进量、缓解采掘接替紧张、减少搬家时间，实现Y型通风、取消孤岛工作面、提高煤炭采出率，对于延长矿井服务年限具有重要意义[2]。沿空留巷经受二次采动影响，其矿压规律和巷道维护均较复杂。几乎所有沿空留巷均出现不同程度的底鼓现象，随着采深的增加和巷道断面的加大，底鼓现象越来越突出。小于 200mm的底鼓对巷道的稳定性、巷道运输和通风等影响较小，无需采取专门的防治措施。当底鼓量较大时易导致巷道失稳，影响运输和行人、妨碍通风。强烈的巷道底鼓不仅增加维修工作和维护费用，还严重影响了采煤工作面的安全高效生产[3]。沿空巷道的力学环境与普通回采巷道有所区别，巷道一帮为已进入塑性状态的实体煤壁，另一帮为巷旁支护体。为有效控制沿空留巷巷道底鼓，国内外许多专家学者基于底鼓力学机理提出诸多防控和治理方法[4-9]，主要有加固法、泄压法和联合法等。其中，加固法尤其是底板锚杆加固具有降低巷道支护成本、减轻工人劳动强度、简化支护工艺等明显优点，应用较广泛。本研究以加固法为例，着重探讨了采用底板锚杆防控沿空留巷底鼓的技术。

1　沿空留巷底板岩层运动

在长壁工作面开切眼附近，煤层底板处于下降或泄压状态，岩体处于膨胀变形阶段。工作面开采期间和停采后，底板岩层按应力状态和变形不同[10]，分为底板压缩区Ⅳ、底板不均匀隆起区Ⅴ和底板均匀隆起区Ⅵ。如图1所示。

在工作面前方支承压力作用下，煤壁前方的煤层底板承受KγH的铅垂应力，呈三向受力状态，以压缩变形为主。随着工作面推进，工作面控顶范围内煤层底板承受的铅垂应力几乎接近于零，进入采空区的煤层底板承受的铅垂应力至多恢复到γH。

图1　煤层底板应力及变形区域

长壁工作面控顶范围内的煤层底板呈膨胀变形状态，向上隆起出现底鼓，底板岩层中将出现顺岩层层理裂隙。

在支承压力作用下，从工作面煤壁到采空区一定距离和一定深度范围内的底板中出现水平拉应力，在压缩区和隆起区，分界处的底板中出现剪应力，拉应力和剪应力使底板出现一系列垂直于层面的裂隙，垂直断裂和顺层断裂交叉，形成底板破坏带。底板岩层出现的破坏形式及区域见图2。

图2　底板岩层破坏区域分布

2　底鼓量构成分析

2.1弹性阶段的底鼓量

弹塑性变形引起的底鼓量可以把原巷道看作圆形巷道来探讨[11-18]。当围岩处于弹性变形阶段时，可把巷道看作弹性厚壁筒内壁，原岩应力p作用于无穷远处，支护压力(-p1)作用于内半径周边(负号表示支护压力的作用方向指向圆心)。假设原岩应力处于静水压力状态，采用弹性力学方法可求得内壁的径向位移u1。

巷道内壁径向和切向的正应力分别为

(1)

式中,a为弹性厚壁筒内径，m；μ为泊松比。

令a=r，减去巷道在原岩应力p作用下产生的位移，可得内壁径向位移u1为

(2)

或

(3)

在巷道开掘后，在支护压力p1的作用下，围岩的切向应力值σθ和径向应力值σr为

(4)

由上式可知，周边处围岩应力增量的绝对值大小相等，即(p-p1)，但其增量的方向不同，切向应力增大，径向应力减小。由此可知，围岩变形形式为切向压缩、径向伸张，这个阶段即为弹性阶段，底鼓量大小为u1。

事实上，巷道在弹性阶段的位移量很小，相对应的底鼓量也很小。

2.2塑性阶段的底鼓量

在弹性区与塑性区交界处，围岩位移同时满足弹性条件和塑性条件，此时r=R。塑性阶段巷道底鼓量u2仍可采用弹性阶段径向位移式(3)求出

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，σR为弹塑性区交界处的径向应力，Pa；R为弹塑性区交界处到圆心的距离，m；G为围岩切变模量，又称为刚性模量，Pa。

σR和R可用微元法和莫尔-库伦强度曲线求得。

将式(6)、式(7)代入式(5)，得表达式：

(9)

(10)

(11)

式中，σc为单轴抗压强度，Pa；C为岩石内聚力，Pa；φ为围岩内摩擦角，(°)；ζ为塑性区岩石的塑性系数。

2.3回采过程中的底鼓

煤炭采出底板分为煤体下和采空区下两部分，前者需承受的垂直压力远大于后者，底板的支撑压力而造成的底板破坏深度可用图3表示，底板破坏时沿ACED曲线滑动[19]。

图3　支承压力对底板的破坏深度

(12)

令其对α的一阶导数为0，即求得最大破坏深度OH：

(13)

最大破坏深度距煤帮的间距为

(14)

式中，r为从极点B到ΔABC内任一点的连线距离，m；r0为起始半径，r0=AC=BC，m；α为r与r0夹角，弧度；φ为内摩擦角，弧度；L为极限平衡区长度,m。

图3为工作面前方底板破坏情况，工作面前方煤壁和顺槽实体煤一侧均出现应力集中区(也称煤体内极限平衡区)，其分布区域为图3中的AB段，长度为L，即

(15)

式中，M为煤层厚度，m；f为煤层摩擦系数，f=tanφ；K为应力集中系数，一般取2～6；γ为上覆岩层容重，kN/m3；H为煤层埋深，m。

3　底板锚杆防控机理

由于煤体强度低于顶底板岩层，在巷道开掘后，两帮和底角在应力集中的作用下最先出现塑性变形。随着塑性区的发展，巷道稳定后，两帮和底角处的塑性变形、黏性流动和体积膨胀造成的变形量较大。所以，为控制塑性区的发展，可加强两帮和底角的支护强度。

底板锚杆的作用主要表现为：①加强底板岩层的完整性，组成组合岩梁，其极限抗弯强度要大于岩层，从而抑制巷道底板岩层泄压状态时的向上鼓起现象；②抑制煤层采空区侧下方底板岩层主动应力区的滑移，降低过渡区和被动应力区的塑性发展过程，以此可有效降低底板岩层在泄压膨胀时期的扩容量，减缓底板岩层鼓起时间。

煤层及上覆岩层对底板的压力传递方式为静水压力，在底板岩层出现主动应力区、过渡应力区、被动应力区3个区域，这一规律在掘巷和回采期间都普遍适用，如图4所示。巷道两帮应力集中区对底板的压力可简化为条形载荷，巷道底板两侧相当于承受条形均匀载荷的地基，可采用普朗特尔原理进行分析。

图4　巷道两帮应力集中区

由上述条件，结合普朗特尔原理[21]，可得底板承受的极限承载力为

(16)

(17)

式中，Nc为承载力系数。

在BC、DF方向布置底角锚杆，主动应力区ΔABC和ΔDEF范围内的围岩应力必须克服锚杆的摩擦阻力方可移动，当摩擦阻力p不小于底板的极限承载能力pu时，底板不会达到极限平衡状态，此时不会发生底鼓；当p

对于主动应力区ΔABC，其滑移线为两组，平行于AC的α线和平行于BC的β线，实际上是塑性变形区内最大剪切应力的轨迹线，显然，当此区域破裂时产生的裂纹便是α线和β线。

巷道底角处的弯矩绝对值最大，也是最易破裂的位置，在未支护或支护强度较小的情况下容易产生断裂线，断裂线即为进入塑性状态后的破坏区域。随着工作面向前推进，微观裂隙贯通发展为细观破坏，进而导致宏观上的底板变形。底角锚杆沿BC、DF方向布置可有效增强主动区的完整程度和抗压强度，使底板极限承载能力pu大为增强，控制塑性发展过程，抑制底鼓现象。即便底角锚杆失效(即p

底角锚杆的长度需满足末端锚固位置位于稳固岩层的要求，若沿BC、DF布置，锚杆最小长度即为r0，煤矿施工中，为施工方便，角度一般取45°，此时需要的锚杆最小长度l′需满足正弦定理：

(18)

得

(19)

建议锚杆长度l为

(20)

式中，l0为锚杆外露长度，一般为0.1m；l1为锚入稳定岩层的深度，根据各自经验取值。

综上，底角锚杆控制底鼓的机理主要为增强主动区的完整性和最大切应力，消除和降低底板岩层的鼓入量，尤其是对于挤压流动性底鼓效果更为显著。

4　结　论

(1)工作面开采期间和停采后，底板岩层分为底板压缩区、底板不均匀隆起区和底板均匀隆起区。控顶范围内的煤层底板向上隆起出现底鼓，底板岩层中将出现顺岩层层理的裂隙。

(2)沿空巷道的底鼓构成量主要包括弹性形变和塑性形变，其中弹性变形量很小，可以忽略；在采动应力影响下，工作面底板存在可计算的最大破坏深度。

(3)加强巷内尤其是底角的支护强度可控制塑性区的发展。底板锚杆可增强主动区的完整性和抗剪强度，通过加强底板岩层的完整性和减缓底板岩层鼓起时间使底鼓得以防控。

(4)底角锚杆的长度需满足末端锚固位置位于稳固岩层的要求，本文从工程角度给出了建议的锚杆长度。

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ApplicationoftheFloorHeavePreventionandControllingTechniquebyFloorAnchorinGob-sideEntryRetaining

YuanQingmeng1YuanQingshuai2ZhangShenggong2

(1.SchoolofCivilEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity;2.BaodianCoalMine,YankuangGroupCo.,Ltd.)

Theroadwayheaveisusuallyappearredduringthesecondlyusinggob-sideentryretaining,themovementcharacteristicsofthefloorstrataofgob-sideentryregaining,theamountoftheroadwayheaveindifferentstages,themaximumdamagedepthandlocationareanalyzedindetail.Takingtheroadwayflooranchorreinforcementmethodastheresearchexample,themechanismofroadwayheavepreventionandcontrollingbyusinganchorisdiscussed,combingwiththeactualapplicationresults,thereasonableanchorlengthisgiventoprovidereferenceforsomerelativeapplication.

Gob-sideentryretaining,Flooranchor,Preventionandcontrollingoffloorheave

2015-12-21)

袁庆盟(1988—)，男，博士研究生，266033 山东省青岛市市北区抚顺路11号。