巷道層狀組合底板在垂直壓力下的底鼓研究

1、巷道層狀組合底板在垂直壓力下的底鼓研究Study on Heaving Mechanism of Layered Combination Roadway Floor under Vertical Pressure摘要巷道底板巖層組合結(jié)構(gòu)是巷道底鼓的根本性內(nèi)因之一，決定著在垂直壓力作用下，巷道底鼓類型及底鼓變形量。本文利用彈性地基梁理論、組合梁理論，建立了巷道底板力學(xué)模型并對(duì)巷道的底鼓影響因素進(jìn)行了理論推導(dǎo)、分析；采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算和相似模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對(duì)“硬-軟-硬”巷道底板巖層組合在層厚、強(qiáng)度、巷道跨度差異時(shí)在垂直壓力下的底鼓量、應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。得到的有益結(jié)論為：巷道底鼓量

2、與巷道底板巖層組合關(guān)系密切，底鼓主要影響因素為硬巖厚度、臨近軟硬巖層層厚比、巷道跨度、煤層強(qiáng)度。（1）巷道底板硬巖厚度的增大及軟巖厚度的減小，對(duì)巷道底鼓現(xiàn)象的減弱起著關(guān)鍵性作用；（2）煤層強(qiáng)度的提高，圍巖抗剪強(qiáng)度提高，可減小巷道的兩幫移近量，移近量的減小大大減弱了煤層移動(dòng)對(duì)底板的水平面力，進(jìn)而對(duì)底鼓影響減小。（3）采用物理實(shí)驗(yàn)研究了垂直壓力對(duì)巷道底鼓的影響：底板“硬軟硬”巖層組合下，隨壓力逐漸增加，底鼓由撓曲型底鼓逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檐泿r膨脹型底鼓，底板薄硬巖層受壓折斷成為底鼓類型轉(zhuǎn)變時(shí)機(jī)。（4）巷道跨度增加，底板不同位置處變形量均增大；巷道跨度增大，煤幫塑性區(qū)增大，煤壁對(duì)下方底板的壓模作用及位移約束減

3、弱，底鼓量增大。該論文有60幅圖，表9個(gè)，參考文獻(xiàn)63篇。關(guān)鍵詞：底鼓機(jī)理；巖層組合；硬-軟-硬結(jié)構(gòu)；影響因素AbstractThe composite structure of floor strata in roadway is one of the most fundamental internal cause for the floor heave, it determines the type and deformation of floor heave under the effect of vertical pressure.In this paper, the theory o

4、f elastic foundation beam and composite structure beam have been used to establish the mechanics model of the roadway floor, even more, factors of floor heave have been derived and analyzed on theory ; the "hard - soft - hard" combination of roadway floor rock in the layer thickness, stren

5、gth, the tunnel span differences in the amount of floor heave under the vertical pressure and stress have been analyzed and compared by synthetically using FLAC3D and numerical simulation . The conclusions are as follows: the amount of floor heave of roadway is closely related to composite floor str

6、ata of roadway, and the main influence factors are the thickness of hard rock, the ratio of layer thickness between the hard and soft rock close to each other, the span of roadway, the strength of coal seam.(1)The increase on thickness of hard rock in floor of roadway and the decrease on thickness o

7、f the soft rock plays a key role to weak the phenomenon the floor heave of roadway.(2) With the increment of the strength of coal seam, surrounding rock shear strength increase, and it can reduce the amounts of two sides closer, the decrease of closer greatly reduced the level of the horizontal forc

8、e for floor of coal seam. As a result ,the influence to the floor heave of roadway will decrease.(3) The floor heave of roadway under vertical press have been researched and analyzed by using physical experiment. The floor under the "hard-soft-hard" rock combination, with the increase of p

9、ress gradually, flexural type floor heave gradually transforms to floor heave of soft rock inflating, it will be the turning point for transforming to the type of floor heave.(4)With the increase of roadway span, the deformation will all increase in different places in floor, in the same way, the pl

10、astic area will increase on the side of coal, the pressure and displacement constraint in floor will weaken under the wall of coal, the amount of floor heave will increase.The paper has 60 pictures, 9 tables, 63 references.Key words: Mechanics of floor heave; Strata combination; Hard - soft - hard s

11、tructure; Influence factors目錄摘要I目錄III圖清單VII表清單XI變量注釋表XII1緒論1課題的提出及研究意義1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2論文研究的主要內(nèi)容、方法、目標(biāo)72 巷道層狀復(fù)合底板力學(xué)分析9塑性滑移場(chǎng)理論分析9應(yīng)用彈性地基梁分析下伏巖層地基反力10底板組合梁受力分析152.4本章小結(jié)183 基于層狀復(fù)合底板的底鼓數(shù)值模擬分析203.1 數(shù)值模擬簡(jiǎn)介203.2 數(shù)值模擬的建立20數(shù)值模擬計(jì)算與結(jié)果分析22本章小結(jié)344 相似材料模擬研究35相似模擬理論35模擬試驗(yàn)方案36相似試驗(yàn)結(jié)果分析41本章小結(jié)475 工業(yè)性試驗(yàn)49巷道基本地質(zhì)概況495.2 煤層賦存特征49底

12、板控制補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)535.4 礦壓監(jiān)測(cè)546 結(jié)論58參考文獻(xiàn)59作者簡(jiǎn)歷63學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明64學(xué)位論文數(shù)據(jù)集65ContentsAbstractIIContentsVList of FiguresVIIList of TablesXIList of VariablesXII1 Introduction1Introduction of Topics and Research Significance11.2The Research Status at Home and Abroad21.3 The Paper Studies the Main Content, Method, Target

13、72 Layered Composite Plate Mechanics Analysis of Roadway92.1The Plastic Slip Field Theory Analysis92.2Beam on Elastic Foundation is used to Analyze Underlying Rock Foundation Force102.3Plate Finite Element Stress Analysis152.4 The Summary of This Chapter183 Analysis of Floor heave of Layered Composi

14、te Floor Based on theNumerical Simulation 203.1 Numerical Simulation of Profile203.2 The Establishment of the Numerical Simulation203.3Numerical Simulation and The Result Analysis223.4The Summary of This Chapter344 Similar Material Simulation studies354.1Analog Simulation Theory354.2Simulation Test

15、Plan364.3Similar Test Results Analysis414.4The Summary of This Chapter475 Industrial Test495.1Basic Geological Condition of Roadway495.2 The Occurrence Characteristics of Coal Seam495.3Floor Control Reinforcing Supporting Design535.4Pressure Monitoring546 Conclusion58Reference59Author Resume63Declar

16、ation of Thesis originality64Thesis Date Collection65圖清單圖序號(hào)圖名稱頁(yè)碼圖1-1技術(shù)路線圖8Technology roadmap8圖2-1滑移線場(chǎng)理論示意圖91Sketch the slip line field theory9圖2-2層狀底板彈性地基梁分析模型10Fig.2-2Layered slab beam on elastic foundation analysis model10圖2-3不同q/E值對(duì)應(yīng)底板下沉量14Fig.2-3Different q/E value corresponding to the sink of f

17、loor14圖2-4不同直接底厚度對(duì)應(yīng)的巷道底板下沉量14Fig.2-4The sink of different thickness of bottom directly corresponds to the floor of roadway14圖2-5巷道底板組合梁受力分析示意圖15Fig.2-5Finite element analysis of roadway floor stress analysis diagram15圖2-6巷道直接底巖層受力分析示意圖15Fig.2-6Roadway bottom rock stress analysis diagram directly15圖2

18、-7底板壓曲示意圖16Fig.2-7Plate buckling16圖2-8抗彎剛度與臨界水平載荷關(guān)系圖18Fig.2-8Flexural rigidity and critical level load diagram18圖2-9巷道跨度與臨界水平載荷關(guān)系圖18Tunnel span and critical level load diagram18圖3-1實(shí)際模型建立示意圖21The actual model diagram is established21圖3-2硬巖層厚變化對(duì)底鼓量的影響分析23The relationship between the thickness of dire

19、ct bottom and the amount of heaving floor23圖3-3直接底厚度變化對(duì)底鼓量的影響圖24Influence of directfloor thickness and the movement of floor24圖3-4軟巖厚度對(duì)底鼓量的影響分析25Relationship between the thickness of soft rock and the amount of heaving floor25圖3-5軟巖厚度變化對(duì)底鼓量的影響圖25Fig3-5Influence of the change of soft rock thickness o

20、n the amount of heaving floor25圖3-6相鄰層厚比對(duì)巷道底鼓量的影響25Influence of the change of adjacent layer thickness ratio to the amount of heaving floor25圖3-7巷道跨度對(duì)底鼓量的影響分析26Influence of the roadway span to the amount of heaving floor 26圖3-8巷道跨度與底鼓量的關(guān)系圖27Relationship of roadway span and floor heaving27圖3-9煤體彈性模量對(duì)

21、底鼓量的影響關(guān)系28Influence of the coal seam strength to the amount of heaving floor 28圖3-10巷道形變量與煤層強(qiáng)度的關(guān)系29Relationship between the strength of coal seam and the roadway shape variables29圖3-11垂直壓力大小對(duì)底鼓量的影響30Influence of the vertical pressure on the amount of heaving floor30圖3-12巷道底鼓量與垂直壓力的關(guān)系30Relationship b

22、etween the vertical pressure and the amount of heaving floor30圖3-13巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案圖31Roadway support design diagram31圖3-14巷道在無(wú)支護(hù)狀態(tài)下垂直應(yīng)力分布32Vertical stress distribution of roadway without support32圖3-15巷道在錨桿+底角錨索支護(hù)狀態(tài)垂直應(yīng)力分布32Vertical stress distribution of roadway without support under points of anchor cable

23、 anchor supporting32圖3-16巷道在無(wú)支護(hù)狀態(tài)下位移分布32Displacement distribution of roadway without support32圖3-17模擬巷道在錨桿+底角錨索支護(hù)狀態(tài)位移分布33Displacement distribution of roadway with points of anchor cable anchor supporting33圖4-1矩形巷道受力示意圖37Rectangular roadway stress diagram37圖4-2矩形巷道受力簡(jiǎn)化圖37Rectangular roadway stress si

24、mplified diagram37圖4-3模擬試驗(yàn)臺(tái)38Simulation test bench 38圖4-4測(cè)點(diǎn)布置平面圖39Measuring point layout plan39圖4-5TS3890型靜態(tài)應(yīng)變儀39TS3890 static strain gauge type39圖4-6應(yīng)力測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)圖39Stress measurement field39圖4-7應(yīng)變測(cè)量網(wǎng)格制作39Grid strain measurement39圖4-8應(yīng)變測(cè)量網(wǎng)格監(jiān)測(cè)39Grid monitoring strain measurements39圖4-9巷道底鼓相似材料模型布置40Similar

25、 material model of floor heave of roadway layout40圖4-10米直接底巷道開挖圖410.6 meters direct bottom roadway excavation41圖4-11米直接底巷道開挖圖411.5 meters direct bottom roadway excavation41圖4-12米直接底巷道加壓410.6 meters direct bottom tunnel pressure 0.6 MPa42圖4-13米直接底巷道加壓421.5 meters direct bottom tunnel pressure 0.6 MPa

26、42圖4-14米直接底巷道加壓420.6 meters direct bottom tunnel pressure 0.8 MPa42圖4-15米直接底巷道加壓431.5 meters direct bottom tunnel pressure 0.8 MPa43圖4-16米直接底巷道加壓430.6 meters direct bottom tunnel pressure 1.4 MPa43圖4-17米直接底巷道加壓431.5 meters direct bottom tunnel pressure 1.4 MPa43圖4-18不同直接底巷道壓力與底鼓量的關(guān)系45Relationship be

27、tweenthe vertical pressureand the amount of drum at the bottom in different thick direct bottom45圖4-19直接底為米巷道底板垂直應(yīng)力分布4619Vertical stress distribution of roadway in 0.6 m direct bottom floor46圖4-20直接底為米巷道底板水平應(yīng)力分布46Fig.4-20Horizontal stress distribution of roadway in 0.6 m direct bottom floor46圖4-21直接

28、底為米巷道底板垂直應(yīng)力分布46Fig.4-21Vertical stress distribution of roadway in 1.5 m direct bottom floor46圖4-22直接底為米巷道底板水平應(yīng)力分布46Fig.4-22Horizontal stress distribution of roadway in 1.5 m direct bottom floor46圖5-1綜合柱狀圖51Integrated histogram51圖5-2原始支護(hù)斷面圖52Original supporting profile52圖5-3巷道底鼓破壞素描圖53Damage of floor

29、 heave of roadway in sketch53圖5-4底板底鼓照片53Floor bottom drum up photos53圖5-5煤幫內(nèi)移實(shí)拍圖53Coal to help move to film in figure53圖5-6巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖54Support by reinforcing and figure54圖5-7十字三角定位測(cè)量方法55Triangulation measurement method55圖5-8強(qiáng)化支護(hù)前頂?shù)装逡平俣入S距工作面距離變化規(guī)律56Rules of approaching speed between floor and top with

30、 the distance to the face before support 56圖5-9強(qiáng)化支護(hù)后頂?shù)装逡平俣入S距工作面距離變化規(guī)律56Rules of approaching speed between floor and top with the distance to the face after support 56圖5-10液壓枕安裝示意圖57Hydraulic pillow installation schematic diagram57圖5-11錨桿工作狀態(tài)57Anchor working state57表清單表序號(hào)表名稱頁(yè)碼表2-1擬合公式中各系數(shù)值12Table 2-

31、1Each department in the numerical fitting formula12表3-1主要巖層力學(xué)參數(shù)表21Table3-1Main rock mechanics parameter list21表4-1幾何相似比37Table4-1Geometric similarity ratio37表4-2模型一相似材料配比主要參數(shù)40Table 4-2Main parameters in first similar material proportion model40表4-3模型二相似材料配比主要參數(shù)40Table 4-3Main parameters in second s

32、imilar material proportion model40表4-4米厚直接底垂直壓力與底鼓量的關(guān)系44Table4-4Relationship between vertical pressure of0.6 meters thick and floor deformation44表4-5米厚直接底垂直壓力與底鼓量的關(guān)系44Table 4-5Relationship between vertical pressure meters thick and floor deformation44表5-1工作面概況50Table5-1Working situation50表5-2煤層頂?shù)装鍘r性

33、50Table5-2Coal seam roof and floor lithology50變量注釋表巷道跨度，m巖石泊松比正應(yīng)力，MPa巖石抗剪破壞力，MPa直接底厚度，m集中載荷，MPa極限載荷，MPa最大主應(yīng)力與滑移線夾角，°最大主應(yīng)力與X軸夾角，°地基反力系數(shù)梁的彈性模量，MPa軟巖的彈性模量，MPa梁的慣性距，mm4梁的撓度，mm地基剛度系數(shù)地基反力，MPa底板梁彎矩，KN·m臨界水平載荷，MPa1 緒論1 Introduction課題的提出及研究意義(Introduction of Topics and Research Significance)1.

34、1.1 課題研究的背景煤炭地下開采中一個(gè)突出的問題是底板巖層的穩(wěn)定性控制問題，中國(guó)工程院院士錢鳴高教授分析底板特征認(rèn)為：底板巖層在礦山壓力控制中涉及兩類問題，一方面是煤層開采后引起的底板破壞，其范圍將于開采范圍及采空區(qū)周圍的支承壓力分布有關(guān)，另一方面從采場(chǎng)支護(hù)系統(tǒng)而言，支護(hù)系統(tǒng)是由“底板-支架-頂板”所組成，因此底板巖層的剛度將直接影響到支護(hù)性能的發(fā)揮，在底板比較松軟的情況下，支柱易插入底板，從而影響對(duì)頂板的控制1。煤層開采后引起的底板破壞，其范圍將與開采范圍及采空區(qū)周圍的支承壓力有關(guān)，開采引起的底板破壞深度，一般采用土力學(xué)中地基的計(jì)算方法，根據(jù)塑性力學(xué)，地基中的極限平衡區(qū)劃分為三個(gè)區(qū)，分別為

35、主動(dòng)應(yīng)力區(qū)、過(guò)渡區(qū)和被動(dòng)應(yīng)力區(qū)2。類似于采場(chǎng)上覆巖層關(guān)鍵層的定義，錢鳴高院士認(rèn)為：將底板采動(dòng)破壞帶以下及含水層以上承載能力最大的一層巖層稱為底板關(guān)鍵層，在底板關(guān)鍵層上的載荷可分為正向載荷和負(fù)向載荷兩種載荷。正向載荷包括關(guān)鍵層的自重及關(guān)鍵層以上底板巖層和覆巖垮落巖層的自重。負(fù)向載荷為關(guān)鍵層下軟弱巖層受擠壓力后的反作用施壓。經(jīng)過(guò)“十五”、“十一五”期間采礦工作者對(duì)煤礦巷道底板的深入研究，巷道底鼓機(jī)理及防治措施等關(guān)鍵性問題得到了較為詳細(xì)的解決。將巷道底鼓劃分為了膨脹型底鼓、應(yīng)力型底鼓和復(fù)合型底鼓等。底鼓的關(guān)鍵在于底板巖層巖性及巖層中的應(yīng)力分布規(guī)律，什么類型的底板易導(dǎo)致底鼓，以及什么樣的底板巖層組合具

36、有天然的自穩(wěn)性而不易發(fā)生底鼓，本課題組做了大量的詳盡的工作。本文則以“層狀復(fù)合底板在垂直應(yīng)力下的底鼓研究”為題，結(jié)合龐龐塔礦巷道底板大變形控制項(xiàng)目的相關(guān)研究工作，圍繞不同層狀復(fù)合底板巖層組合在垂直應(yīng)力作用下的底鼓量進(jìn)行了有益的探索。1.1.2 課題研究的意義煤礦生產(chǎn)中，煤巷圍巖變形大，幫鼓、底鼓現(xiàn)象頻發(fā)，影響生產(chǎn)礦井的運(yùn)輸、通風(fēng)、行人。因其頂、幫巖性較軟，底板多為層狀復(fù)合底板，且軟巖多見，“硬-軟-硬”復(fù)合型底板的底鼓機(jī)理復(fù)雜，給巷道支護(hù)帶來(lái)了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。在高垂直壓力作用下，“軟硬”互層型底板在巷道開挖后，易出現(xiàn)軟巖塑性滑移，硬巖壓曲及軟巖滑移加劇硬巖形變的復(fù)雜底鼓形式，合理分析層狀復(fù)合底板在

37、垂直壓力下的鼓機(jī)理、底鼓影響因素，對(duì)于豐富底鼓研究、指導(dǎo)煤巷支護(hù)。具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀(The Research Status at Home and Abroad)對(duì)于巷道底鼓問題,國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者進(jìn)行了很多有意義的研究,用不同方法從不同角度闡述了底鼓發(fā)生的力學(xué)機(jī)理,得出了大量結(jié)論:按照挖掘巷道位置的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、底板巖體的性質(zhì)、應(yīng)力分布情況的差異及底板巖體進(jìn)入巷道的方式將底鼓大致分成四類,即假塑性流動(dòng)型底鼓、壓曲褶皺性底鼓、遇水膨脹性底鼓、剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓。姜耀東對(duì)淮南、平頂山、兗州、龍口等很多礦區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)后,經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)分析得出了在不同地質(zhì)條件下煤礦巷道底鼓的規(guī)律和特征3-4。

38、巷道底鼓機(jī)理研究在巷道發(fā)生底鼓的力學(xué)機(jī)理研究方面,前蘇聯(lián)有很多的研究成果。秦巴列維奇認(rèn)為，底鼓產(chǎn)生的力學(xué)本質(zhì)和松散土體在由兩壓模傳遞給底板的荷載的作用下被擠出的現(xiàn)象是相同的，可以用極限平衡原理來(lái)計(jì)算底板巖體對(duì)圍巖支護(hù)構(gòu)件上的作用壓力；茲包爾什奇克等人認(rèn)為，巷道中底板巖體積聚突起是因?yàn)榈装宓乃苄詭r層對(duì)其下方巖體向上運(yùn)移的阻滯力及底板巖體的裸露面積和其周長(zhǎng)的比例發(fā)生劇烈改變時(shí)儲(chǔ)存在巖體中的彈性能量積聚釋放所造成的；利特維斯基在研究采準(zhǔn)巷道底鼓如何發(fā)生時(shí)，指出了底板巖體發(fā)生局部破壞的判定準(zhǔn)則，利特維斯基將巷道圍巖的應(yīng)力分布圖和其對(duì)應(yīng)的巖石強(qiáng)度圖相比較，并利用準(zhǔn)則判定了巷道的穩(wěn)定區(qū)段、極限穩(wěn)定區(qū)段以及

39、破壞區(qū)段；切爾尼亞克通過(guò)實(shí)測(cè)獲得了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理,總結(jié)預(yù)測(cè)出巷道底板發(fā)生底鼓的經(jīng)驗(yàn)公式5-7。針對(duì)巷道底鼓機(jī)理，美國(guó)專家學(xué)者也做了大量的研究，將底板層狀巖體看成兩端邊界為固定支撐的巖梁，并用該模型進(jìn)行了計(jì)算,進(jìn)而對(duì)底板巖體的應(yīng)力分布和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析8；Gysel M利用相關(guān)的膨脹原理計(jì)算得出了圓形巷道的巖體膨脹位移及其膨脹應(yīng)力，并且指出巖體遇水發(fā)生膨脹從而影響巷道周邊巖體的變形9；關(guān)于巷道底鼓機(jī)理，國(guó)內(nèi)多位專家學(xué)者也進(jìn)行了大量的理論分析及數(shù)值模擬、礦區(qū)實(shí)測(cè)等工作，取得了豐碩的成果?？导t普、王衛(wèi)軍等人理論分析了底鼓的產(chǎn)生機(jī)理，康紅普指出巷道底鼓發(fā)生的原因有底板巖層失穩(wěn)，從而

40、向巷道空間內(nèi)發(fā)生彎曲(包括撓曲和壓彎)，底板巖體在應(yīng)力偏量的作用下發(fā)生擴(kuò)容以及巖體的遇水膨脹性質(zhì)。他認(rèn)為底板為層狀巖體情況下，受到兩端圍巖的水平擠壓力而產(chǎn)生彎曲是底鼓發(fā)生的主要原因；底板巖體膨脹和擴(kuò)容引發(fā)的底鼓其程度主要取決于軟巖自身的巖性及所處的應(yīng)力狀態(tài)；對(duì)于底鼓強(qiáng)烈的巷道,其由彈塑性引起的位移量只是底鼓量的很小一部分，巷道底板實(shí)際出現(xiàn)的底鼓量主要是因底板巖層彎曲產(chǎn)生的位移、巖體破壞后擴(kuò)容產(chǎn)生的位移、底板巖體破壞部分因其彈塑性形變而產(chǎn)生的位移、巖體的自身膨脹位移以及底板中穩(wěn)定巖體的位移之和10?？导t普經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得出結(jié)論：底板巖層撓曲引起的底鼓量占總底鼓量的67%，底板巖層彈塑性位移和擴(kuò)容位

41、移產(chǎn)生的底鼓分別是總底鼓量的11.8%和11.2%，認(rèn)為底鼓的原因在于失穩(wěn)的底板巖層向巷道內(nèi)壓曲、偏應(yīng)力作用下的擴(kuò)容、巖石自身的遇水膨脹。、曲永新等則認(rèn)為底板泥巖遇水膨脹是隧道底鼓的本質(zhì)。姜耀東、陸士良根據(jù)巷道所處的地質(zhì)條件、底板圍巖性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的差異、底板巖層鼓入巷道的方式將底鼓分為四類：(1)擠壓流動(dòng)性底鼓；(2)撓曲褶皺性底鼓；(3)遇水膨脹性底鼓；(4)剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓。王衛(wèi)軍等人研究了回采時(shí)工作面回采時(shí)產(chǎn)生的超前支承壓力和采準(zhǔn)巷道發(fā)生底鼓的關(guān)系后，指出回采巷道發(fā)生底鼓的原因是在工作面超前支承壓力影響下，底板上部巖層會(huì)受到拉應(yīng)力作用而發(fā)生離層，之后受水平應(yīng)力作用而產(chǎn)生壓曲11。侯朝炯、

42、馬念杰12通過(guò)對(duì)回采巷道底板的受力變形分析，認(rèn)為回采巷道底板位移分為兩個(gè)階段，第一階段不受采動(dòng)影響時(shí)，巷道底板淺部巖層緩慢向上運(yùn)動(dòng)，2m以下的巖層位移基本為零，說(shuō)明回采巷道不受采動(dòng)影響時(shí)底板主要發(fā)生向上的移動(dòng)，與一般基本巷道圍巖位移有一致的規(guī)律性；第二階段隨著采煤工作面的推進(jìn)，通過(guò)煤幫作用到巷道底板上的應(yīng)力迅速增加，致使底板表面附近淺部圍巖發(fā)生嚴(yán)重塑性破壞，出現(xiàn)強(qiáng)烈底鼓，較深部圍巖出現(xiàn)不同程度的下沉，離工作面越近下沉越顯著。不僅分析了巷道底鼓破壞過(guò)程，馬念杰13等認(rèn)為巷道底鼓的主要原因是由于底板巖層由于水平應(yīng)力的剪切作用，導(dǎo)致巷道底板淺部巖體被剪切破壞。塑性區(qū)內(nèi)的巖體在地應(yīng)力作用下發(fā)生變形、位

43、移，并向巷道空間逐漸過(guò)渡。塑性區(qū)的大小與原巖應(yīng)力、巖石的力學(xué)特性、巷道形狀和尺寸、支護(hù)阻力和破碎巖石的膨脹性有關(guān)。賀永年、何亞男通過(guò)大量實(shí)測(cè)分析了茂名礦區(qū)巷道底板為軟巖的巷道底板變形，李樹清分析了巷道底鼓與兩幫移近的協(xié)調(diào)一致。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析得出了該礦區(qū)巷道形成底鼓的全過(guò)程如下：頂板產(chǎn)生的壓力作用到兩幫，使得兩幫向巷道位移擠壓底板，并通過(guò)兩幫的傳力作用致使兩幫和底板一起下沉，底板受到嚴(yán)重?cái)D壓變形出現(xiàn)斷裂,進(jìn)而底板隆起14。李樹清等人經(jīng)過(guò)研究指出通過(guò)對(duì)軟弱底板的加固有利于維護(hù)大埋深軟巖巷道中兩幫的穩(wěn)定性15。到現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外在關(guān)于底鼓機(jī)理的研究方面已取得的研究成果歸納起來(lái)有：(1)巷道開掘后

44、原巖應(yīng)力會(huì)重新分布，其變化使得底板巖體會(huì)因卸載發(fā)生指向巷道空間內(nèi)的彈塑性形變；(2)巷道的兩幫在受到支承壓力的作用下對(duì)底板產(chǎn)生擠壓，使得底板巖體由于水平應(yīng)力的作用而向巷道內(nèi)突起；(3)受到高應(yīng)力作用底板巖體會(huì)發(fā)生破碎，從而產(chǎn)生碎脹效應(yīng)使得體積擴(kuò)大；(4)底板巖體的流變性質(zhì)會(huì)使得底鼓量隨著時(shí)間的推移而不斷變大；(5)巷道底板在支承壓力下會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)變使得底板巖體發(fā)生破壞而產(chǎn)生底鼓；(6)垂直壓力使得兩幫發(fā)生下沉而導(dǎo)致底鼓；(7)底板巖體中若含某些粘土類礦物像蒙脫石等，其遇水就會(huì)發(fā)生體積膨脹，并且其強(qiáng)度會(huì)降低,更容易發(fā)生崩解和破碎。巷道底鼓影響因素研究在德國(guó),M.奧頓哥特和布什曼N.分別通過(guò)大量的相

45、似材料模擬試驗(yàn)，得出了巷道底鼓的發(fā)展過(guò)程及底鼓與巷道跨度的影響。M.奧頓哥特通過(guò)巷道底鼓的相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)巷道底鼓發(fā)生發(fā)展的全過(guò)程進(jìn)行了研究16之后，指出巷道底鼓過(guò)程中底板巖體發(fā)生破壞的順序，首先是兩幫巖體在頂板施加的支承壓力下被壓裂，由于缺乏了兩幫的有效約束，巷道底板就會(huì)在水平應(yīng)力擠壓的作用下向巷道空間內(nèi)鼓起，其中最先發(fā)生破壞的是底板的表面巖層。布什曼N.分析對(duì)比了大量相似模型實(shí)驗(yàn),從而認(rèn)為底板巖體發(fā)生破壞的最大深度和巷道跨度成相應(yīng)的比例。并研究了巷道跨度對(duì)底鼓的影響。為探究巷道底鼓產(chǎn)生的所有影響因素，Afrouz和Chugh等人對(duì)底板受荷載的能力進(jìn)行了相關(guān)研究17，并認(rèn)為對(duì)巷道發(fā)生底鼓現(xiàn)象有

46、影響的因素多達(dá)21個(gè),其中有三個(gè)最主要的原因，即（1）底板巖性較松軟；（2）巷道巖體中的高支承力；（3）水對(duì)底板巖體的作用。RockwayDJ.對(duì)發(fā)生底鼓而出現(xiàn)的現(xiàn)象的調(diào)査研究后指出巷道發(fā)生底鼓的主要因素在于至少6m厚的直接底板的巖層性質(zhì)18。國(guó)內(nèi)專家學(xué)者也深入研究了巷道底鼓的影響因素，王衛(wèi)軍、李學(xué)華、潘一山等人分別用理論分析、數(shù)值模擬等方法研究了煤體強(qiáng)度、頂板性質(zhì)、水理作用對(duì)底鼓的影響。在底鼓的影響因素研究中，王衛(wèi)軍等應(yīng)用損傷理論，分析了給定變形下沿空掘巷實(shí)體煤幫的支承壓力分布，研究表明煤層和直接頂厚度較大時(shí)，支承壓力相對(duì)較高，巷道維護(hù)較困難，底鼓容易發(fā)生；反之，巷道維護(hù)相對(duì)較好，不易產(chǎn)生底

47、鼓；用數(shù)值模擬的方法研究了兩幫的煤體強(qiáng)度對(duì)巷道底鼓的影響，指出煤體的強(qiáng)度越大，所產(chǎn)生的底鼓量會(huì)越小，進(jìn)而提出了通過(guò)加固兩幫以維護(hù)深井巷道的底板穩(wěn)定性的觀點(diǎn)19-21。李學(xué)華通過(guò)數(shù)值計(jì)算，分析了頂板巖體性質(zhì)對(duì)回采巷道的圍巖應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)范圍以及底鼓所產(chǎn)生的影響，從而提出了通過(guò)加強(qiáng)巷道頂板的支護(hù)以控制巷道底鼓量的設(shè)想。另外,他利用圍巖應(yīng)力再次分布的特點(diǎn)提出了通過(guò)應(yīng)力轉(zhuǎn)移的技術(shù)可以控制大斷面硐室的底鼓，即可以在硐室的底板進(jìn)行巷道開掘或在硐室的底角進(jìn)行松動(dòng)爆破，從而在硐室底板一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力弱化區(qū)的技術(shù)22-23。潘一山等人利用有限元算法及相似模擬實(shí)驗(yàn)分析了巷道底鼓產(chǎn)生的時(shí)間效應(yīng)以及水理作用所引起

48、的底鼓,指出巷道底板鼓出的大量巖石的有三部分來(lái)源：巷道空間底板下一定深度內(nèi)的巖體、兩幫下部的底板巖體和組成兩幫的巖體，并建立了底板的滲水膨脹軟化模型24-25。宋沛鑫在碩士論文中分析了在薄層狀復(fù)合底板中，支承壓力、底板巖層分層厚度、圍巖性質(zhì)等對(duì)底鼓量的貢獻(xiàn)量26。1.2.3巷道底鼓控制方法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀為有效控制底鼓，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探索和研究工作，提出了許多底鼓控制技術(shù)，歸納起來(lái)各種防治底鼓的措施包括支護(hù)加固法、卸壓法、聯(lián)合法和加固巷道幫、角和臥底等方法27-30。（1）加固法加固法是通過(guò)提高底板圍巖強(qiáng)度或提高對(duì)底板圍巖的支護(hù)力來(lái)達(dá)到控制底鼓的目的，是一種最常用的控制底鼓的方法。目前采

49、用的加固法主要包括底板注漿、底板錨桿、封閉式支架及混凝土反拱等31-44。（2）卸壓法卸壓法與加固法控制底鼓的機(jī)理不同，它的特點(diǎn)在于設(shè)法改變巷道底板巖層受力狀況，使其處于應(yīng)力降低區(qū)，達(dá)到保持底板穩(wěn)定性的目的。蘇聯(lián)、波蘭、日本、美國(guó)等國(guó)家的井下巷道中曾采用切縫、打鉆孔、松動(dòng)爆破及卸壓煤柱等卸壓法控制底鼓，并取得一定效果45-46。（3）聯(lián)合支護(hù)法聯(lián)合支護(hù)法是把不同的控制底鼓的方法結(jié)合起來(lái)使用，通常是兩種方法的結(jié)合，如底板爆破注漿、切縫與錨桿、封閉式支架與爆破等。康紅普認(rèn)為：底板爆破注漿法比較適用于軟弱巖層底板，切縫與底板錨桿的聯(lián)合支護(hù)適用于深部及受強(qiáng)烈采動(dòng)影響的高地應(yīng)力巷道，封閉式支架與爆破的聯(lián)

50、合支護(hù)法一般適用于軟弱巖層及地應(yīng)力較大的巷道。綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在軟巖巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)方面已取得了大量成果。但由于巷道圍巖性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和所處地質(zhì)條件的復(fù)雜性，人們沒有也不可能提出一種結(jié)論能夠完全解釋所有底鼓現(xiàn)象。每種底鼓機(jī)理都是基于一定條件提出的，因而都有其適應(yīng)范圍，不能用來(lái)解釋一切底鼓。如“壓模效應(yīng)”理論假設(shè)巷道底板為軟弱巖體，兩幫為堅(jiān)硬巖體，它不能解釋整個(gè)巷道圍巖均為軟弱巖體時(shí)發(fā)生的底鼓；“撓曲效應(yīng)”理論無(wú)法解釋巷道底板為軟弱破碎巖層的底鼓，因?yàn)檐浫跗扑閹r層在開巷時(shí)就已受到破壞，不會(huì)產(chǎn)生彈塑性撓曲。對(duì)某一特定的軟巖巷道來(lái)說(shuō)，其圍巖性質(zhì)及所處的條件總會(huì)與底鼓機(jī)理的“理論模型”存在一些差

51、異，其底鼓現(xiàn)象的發(fā)展總存在一定的特殊性，因而只有進(jìn)行具體的分析才能更深入的揭示底鼓的機(jī)理47-54。目前，所有的底鼓控制技術(shù)都只能適應(yīng)一定的地質(zhì)條件，任何巷道底鼓的產(chǎn)生都有其特殊性的一面，只有深入分析巷道底鼓產(chǎn)生的特定條件，才能揭示底鼓的機(jī)理，才能有效地、經(jīng)濟(jì)地選擇底鼓的控制措施。雖然底板巷道穩(wěn)定性的研究己經(jīng)取得了大量的成果，由于巷道布置方式的復(fù)雜性和多樣性，雖然一些成果表述了底板巷道應(yīng)力分布及變化規(guī)律的基本機(jī)理，還有一些成果研究了特殊條件下的底板巷道變形機(jī)理，但僅限于在某種特定條件下進(jìn)行研究，但是不具有普遍性，對(duì)于受采動(dòng)影響下，底板巷道圍巖應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律有待于細(xì)致深入的研究。針對(duì)錨桿錨固

52、技術(shù)，國(guó)內(nèi)外專家做了大量的工作，陸士良認(rèn)為對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的軟巖，采用注漿的方法可以改變其松散結(jié)構(gòu)，提高粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，提高圍巖的整體性和強(qiáng)度系數(shù)，為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ)，并提出了外錨內(nèi)注式的支護(hù)方法55。常聚才教授56通過(guò)對(duì)底鼓影響因素的理論分析和原支護(hù)效果的數(shù)值模擬以及底板巖層移動(dòng)規(guī)律的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，掌握了底板無(wú)支護(hù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)范圍、圍巖變形移動(dòng)規(guī)律和巷道周邊應(yīng)力分布狀況，提出并試驗(yàn)了控制深部巖巷底鼓的新方法超挖錨注回填技術(shù)。侯朝炯等提出了巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論57。認(rèn)為：錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是錨桿和錨固區(qū)域巖體相互作用，并形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)；錨桿支護(hù)可以提高錨固體強(qiáng)度破壞前、后的

53、力學(xué)參數(shù)，改善錨固體的力學(xué)性能；錨桿作用可以提高圍巖各種狀態(tài)下的強(qiáng)度值，使巷道圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化。煤炭科學(xué)研究總院北京開采所認(rèn)為錨桿加固對(duì)于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯的效果，但在圍巖產(chǎn)生塑性破壞后，對(duì)提高圍巖的殘余強(qiáng)度及承載能力有顯著作用58-59。全長(zhǎng)錨固中性點(diǎn)理論認(rèn)為：在錨桿尾部，錨桿阻止圍巖向壁面變形，剪力指向壁面；在錨桿頭部，圍巖阻止錨桿向壁面方向移動(dòng)，剪力背向壁面。錨桿上剪力指向相背的分界點(diǎn)稱為中性點(diǎn)，該點(diǎn)處剪應(yīng)力為零，軸向拉應(yīng)力為最大，由中性點(diǎn)向錨桿兩端剪應(yīng)力逐漸增大，軸向拉應(yīng)力逐漸減少?？导t普提出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，巷道開挖后立即支護(hù)，并施加足夠高的預(yù)應(yīng)力，特別強(qiáng)調(diào)錨桿

54、（索）預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對(duì)支護(hù)的作用，進(jìn)一步深化了對(duì)錨桿作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)。1.2.4課題研究的不足綜上所述，關(guān)于巷道底鼓這一礦山壓力現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究分析，通過(guò)對(duì)巷道底鼓機(jī)理的探討，總結(jié)出了四種經(jīng)典的底鼓形式；通過(guò)對(duì)底鼓影響因素的分析，認(rèn)為底鼓的主要影響因素有底板巖性、支承壓力和水理作用；對(duì)底鼓控制技術(shù)的分析及現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)，錨桿全長(zhǎng)錨固、錨注等加強(qiáng)支護(hù)，開槽、鉆孔等卸壓以及聯(lián)合支護(hù)可較好地控制底板變形。在巷道底鼓的機(jī)理研究中，對(duì)高地壓下軟巖巷道底鼓問題研究較為深入，取得了驕人的成就，對(duì)薄層狀底板的壓裂破斷，巖層破斷順序及應(yīng)力也有較為廣泛的涉及。但在煤礦巷道開挖過(guò)程中，高支承壓力作用下“薄

55、硬-厚軟-硬”型組合底板的底鼓破壞非常嚴(yán)重，煤層及底板軟巖塑性滑移對(duì)底鼓的加劇作用十分明顯，隨著垂直壓力不同及巖層厚度變化，底板破壞也呈現(xiàn)不同形式，但目前此類層狀組合底板在垂直壓力下的底鼓研究較少。本文主要分析垂直壓力作用下上述“硬-軟-硬”底板巖層組合的巷道底鼓量，底鼓破壞形式，底板巖層應(yīng)力、應(yīng)變分區(qū)。分析不同因素對(duì)巷道底鼓的影響。1.3 論文研究的主要內(nèi)容、方法、技術(shù)路線（Research Contents、Methods and Technology Roadmap）研究?jī)?nèi)容本文運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、相似材料模擬多種研究方法對(duì)不同底板巖層組合在垂直壓力作用下的底鼓進(jìn)行了研究,所做的主要研究工作如下:（1）建立理論簡(jiǎn)化模型，分析底板巖層受力及形變，并分析底鼓主要影響因素運(yùn)用彈性力學(xué)、材料力學(xué)和彈性地基梁理論、底板組合梁理論,建立起巷道受力的平面力學(xué)模型,并結(jié)合巖石破壞理論，分析層狀組合底板的底鼓力學(xué)機(jī)理，分析引起底鼓的主要影響因素;（2）數(shù)值軟件模擬各因素對(duì)底鼓的影響模擬巷道直接底厚度、底板軟巖厚度、煤層強(qiáng)度、巷道跨度及垂直壓力分別對(duì)底鼓的破壞形式及強(qiáng)度的