程輝，趙洪寶，張歡，秦逢緣，李金雨

(1. 煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，102200；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京，100083；3. 太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西太原，030024)

隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)采深度不斷增大，井下巷道在高應(yīng)力作用下的破壞變形也越嚴(yán)重。回采巷道對(duì)井下煤炭運(yùn)輸與通風(fēng)有著至關(guān)重要的作用。回采巷道不僅承受著較大的地應(yīng)力作用，同時(shí)還受到工作面的采動(dòng)、煤柱應(yīng)力集中等的影響，若巷道底板物理力學(xué)強(qiáng)度較差，則會(huì)發(fā)生底臌現(xiàn)象，不僅影響礦井正常生產(chǎn)，還需耗費(fèi)大量人力、物力來(lái)治理底臌。因此，研究巷道底臌機(jī)理以及防治技術(shù)對(duì)于保障煤礦正常生產(chǎn)具有重要意義。

針對(duì)巷道底臌的發(fā)生機(jī)理與防治技術(shù)，學(xué)者們進(jìn)行了較為深入的研究。姜耀東等[1]在大量現(xiàn)場(chǎng)研究、實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，探討了巷道底臌的基本特征，分析了4種類(lèi)型底臌的機(jī)理及影響因素，并總結(jié)了我國(guó)近年來(lái)防治底臌的有關(guān)研究成果；柏建彪等[2]運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件確定了巷道底臌發(fā)生時(shí)底板存在著“兩點(diǎn)三區(qū)”，其中“兩點(diǎn)”即零位移點(diǎn)和零應(yīng)變點(diǎn)，并基于這兩點(diǎn)將采動(dòng)巷道底板從上向下分為拉應(yīng)變上升區(qū)、拉應(yīng)變壓縮區(qū)、壓應(yīng)變壓縮區(qū)；孫利輝等[3]認(rèn)為深部巷道底臌是由高地應(yīng)力、巖石內(nèi)黏土礦物遇水膨脹、支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理等綜合因素影響造成的，并通過(guò)相似模擬試驗(yàn)確定了底板錨索束+底板淺部及深部注漿的綜合底臌控制技術(shù)；劉泉聲等[4]針對(duì)高地應(yīng)力破碎軟巖巷道底臌問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，根據(jù)底板擠壓剪切流變特性，提出了巷道底臌綜合控制技術(shù)；楊仁樹(shù)等[5]將巷道底板視作橫觀各向同性體，對(duì)底板應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并運(yùn)用卸荷力學(xué)分析了底板損傷破壞特征；曹平等[6]將底板受水平應(yīng)力擠壓變形作用簡(jiǎn)化為受軸向力作用的板狀材料力學(xué)模型，利用彈性力學(xué)分析底板應(yīng)力狀態(tài)；康紅普等[7]運(yùn)用彈性薄板理論對(duì)巷道底臌進(jìn)行了分析，認(rèn)為巷道發(fā)生底臌的主要原因是底板受到水平應(yīng)力擠壓而發(fā)生撓曲；謝衛(wèi)紅等[8]提出了撓曲褶皺性巷道底板失穩(wěn)機(jī)理分析的突變模型，建立了判別巷道底板失穩(wěn)的充要力學(xué)條件；初明祥等[9]通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)采空側(cè)巷道底臌特征、形成原因以及防治技術(shù)進(jìn)行了深入分析，并提出了中空錨桿注漿與高強(qiáng)錨桿錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)；江東海等[10]運(yùn)用3DEC軟件對(duì)復(fù)雜節(jié)理巖體中出現(xiàn)的非對(duì)稱性底臌進(jìn)行了模擬分析，并提出了混凝土反底拱+預(yù)應(yīng)力錨索的控制對(duì)策；華心祝等[11-12]利用自行研制的四面加載裝置對(duì)巷道受一次采動(dòng)、二次采動(dòng)時(shí)底板變形演化過(guò)程進(jìn)行了相似模擬實(shí)驗(yàn)，得到了采動(dòng)影響下底板位移的偏態(tài)特征，分析了底板裂隙分形維數(shù)與底臌量的關(guān)系；王衛(wèi)軍等[13]以綜放沿空巷道為研究背景，分析了煤柱寬度對(duì)巷道底臌的影響等。

上述研究對(duì)實(shí)際的底臌防治工作具有一定的指導(dǎo)意義，然而，針對(duì)近距離煤層開(kāi)采條件下回采巷道底臌機(jī)理與防治技術(shù)的研究較少。另外，巷道底臌往往可能是多種底臌類(lèi)型組成的復(fù)合型底臌，其底臌機(jī)理往往較為復(fù)雜。為此，本文以山西焦煤回坡底煤礦回采巷道為工程背景，深入研究近距離煤層下回采巷道底臌機(jī)理與防治技術(shù)，以期為維護(hù)巷道底板穩(wěn)定性、保證礦井安全生產(chǎn)提供參考。

1 工程背景

以山西焦煤回坡底煤礦主采的10 號(hào)和11 號(hào)煤層為研究對(duì)象，2層煤均近似呈水平分布，10號(hào)煤層平均厚度為2.65 m，11 號(hào)煤層平均厚度為3.2 m，兩層煤之間平均間距為6.62 m，屬于近距離煤層開(kāi)采。本文所研究巷道為東一采區(qū)11-102工作面1021巷。1021巷沿11號(hào)煤層底板布置，巷道高度為3.3 m，寬度為4.6 m，埋深約為560 m，巷道所受垂直應(yīng)力約為14 MPa，整條巷道平均側(cè)壓系數(shù)約為1.5，因此巷道所受水平應(yīng)力約為21 MPa。同時(shí)，1021 巷上方為10-102 工作面，在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)期，10-102 工作面已全部回采結(jié)束，為采空區(qū)，而與其相鄰的10-103 工作面則處于回采階段，10-102 與10-103 工作面之間留設(shè)了平均寬度為25 m 的保護(hù)煤柱，由于10-103 工作面的開(kāi)采，原本的保護(hù)煤柱逐漸演化為孤島煤柱。1021巷與孤島煤柱錯(cuò)距為10 m，由于孤島煤柱在底板形成應(yīng)力集中，1021巷圍巖出現(xiàn)一定程度的破壞。1021巷位置分布圖如圖1所示。

1021 巷直接底為鋁質(zhì)泥巖，平均厚度為0.8 m；基本底為泥巖，平均厚度為3.0 m。兩層泥巖均呈灰黑色，較軟、表面潤(rùn)滑，普氏硬度為2～3。由于底板較軟，同時(shí)巷道受到煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中作用，巷道底板出現(xiàn)較為嚴(yán)重的底臌現(xiàn)象，巷道最大底臌量達(dá)到1 m，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)。此前，礦方多采用臥底法治理底臌，但該方法治標(biāo)不治本，浪費(fèi)了大量人力、物力。因此，探究近距離煤層開(kāi)采下1021 巷底臌機(jī)理與防治技術(shù)研究，對(duì)提高礦井生產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

2 巷道底臌機(jī)理分析

2.1 巷道底板破壞機(jī)理研究

巷道兩幫支承壓力分布對(duì)巷道底臌具有重要影響[14]，因此，探究1021 巷兩幫支承壓力分布對(duì)研究巷道底板破壞具有重要意義。

1021 巷兩幫支承壓力由巷道開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力與孤島煤柱引起的集中應(yīng)力疊加而成。巷道開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力計(jì)算公式如下[15-17]：

式中：R1為巷道半徑；r為圍巖距巷道中心的距離；θ為圍巖單元與水平方向應(yīng)力的夾角；σx和σy分別為直角坐標(biāo)系下的水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力；σr，σθ和τrθ分別為極坐標(biāo)下巷道圍巖單元所受到的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力和剪應(yīng)力。

由于10 號(hào)煤層孤島煤柱留設(shè)較寬，平均寬度約為25 m，因此，煤柱支承壓力將呈馬鞍形分布，為計(jì)算得到煤柱引起的集中應(yīng)力，取應(yīng)力增量計(jì)算10 號(hào)煤層底板應(yīng)力增量，其力學(xué)模型如圖2 所示。圖2 中，γ為巖層容重；K和K1均為應(yīng)力集中系數(shù)；H為埋深；f，j，g，l，e，m和n均為應(yīng)力作用范圍。

孤島煤柱對(duì)底板的集中應(yīng)力可采用半無(wú)限平面體理論進(jìn)行求解計(jì)算，煤柱引起的應(yīng)力增量計(jì)算公式如下[18-21]：

式中：x和y分別為底板任意一點(diǎn)的水平坐標(biāo)值與垂直坐標(biāo)值；Δσx，Δσy和Δτx y分別為水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力、切應(yīng)力增量；a和b為應(yīng)力增量作用范圍；q(ξ)為應(yīng)力分布函數(shù)。疊加原巖應(yīng)力即可得到巷道底板任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。

結(jié)合圖2 可知，各階段應(yīng)力分布函數(shù)Fi(i=1,2,…,7)的表達(dá)式為

為了更準(zhǔn)確地分析煤柱支承壓力分布，采用FLAC3D模擬10號(hào)煤層孤島煤柱的支承壓力分布情況，數(shù)值模擬模型如圖3 所示。102 與103 工作面面寬均為200 m，煤柱平均寬度為25 m。為了消除模型計(jì)算過(guò)程中的邊界效應(yīng)，模型兩側(cè)均預(yù)留25 m，因此將模型長(zhǎng)×寬×高設(shè)置為474 m×100 m×135 m。根據(jù)模型上邊界埋深并基于上覆巖層平均容重，在模型頂部施加12.25 MPa的補(bǔ)償應(yīng)力；根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，按1.5倍側(cè)壓系數(shù)在模型四周邊界施加漸變的水平應(yīng)力，底部邊界施加垂直方向的位移約束，模型采用莫爾-庫(kù)侖模型。各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

基于數(shù)值模擬結(jié)果，得到煤柱支承壓力，如圖4所示。

由圖4 可獲得式(3)中計(jì)算所需參數(shù)值，即j=2.5 m；g=2.5 m；l=15.0 m；e=2.5 m；m=2.5 m；K=4.3；K1=7.2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)從煤柱邊緣至采空區(qū)內(nèi)部10 m 范圍內(nèi)應(yīng)力達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，即f=10 m，n=10 m。聯(lián)立式(1)～(3)即可得到1021巷兩幫支承壓力分布，如圖5所示。

從圖5 可以看出，當(dāng)1021 巷不受孤島煤柱的應(yīng)力集中作用影響時(shí)，兩幫支承壓力呈對(duì)稱性分布；而當(dāng)1021 巷受到孤島煤柱應(yīng)力集中影響時(shí)，巷道兩幫支承壓力均有一定程度增大，遠(yuǎn)離孤島煤柱一側(cè)巷幫支承壓力的增量較小，最大應(yīng)力增量不到1 MPa，而在靠近孤島煤柱一側(cè)巷幫支承壓力的增量較大，且隨著離巷幫的距離越遠(yuǎn)，支承壓力逐漸保持水平。兩幫非對(duì)稱性的支承壓力分布對(duì)巷道底板破壞特征具有一定程度的影響。

依據(jù)1021 巷兩幫支承壓力分布特點(diǎn)，以巷道為中心建立直角坐標(biāo)系，取應(yīng)力增量計(jì)算巷道底板應(yīng)力分布，并計(jì)算巷道底板破壞深度hf，力學(xué)計(jì)算模型如圖6所示。圖6中，K2，K3，K4和K5均為應(yīng)力集中系數(shù)；f1，j1，g1，l1和e1均為應(yīng)力作用范圍。不同階段應(yīng)力分布函數(shù)F′i(x)(i= 1, 2,…, 5)表達(dá)式為

假定巷道底板破壞遵守莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，則底板破壞主要由抗剪強(qiáng)度決定，因此，巷道破壞的判據(jù)[22-23]如下：

式中：φ為底板巖層內(nèi)摩擦角。F(x,y)為底板巖體單元抗剪強(qiáng)度與最大剪應(yīng)力之間的差值，若F(x，y)≤0，則代表底板發(fā)生破壞。

結(jié)合圖5可確定式(4)中各參數(shù)值：f1=7 m，j1=13 m，g1=2.75 m，l1=4.6 m，e1=10.25 m，K2=4，K3=1.43，K4=1.64，K5=1.64。聯(lián)立式(2)和(4)，疊加原巖應(yīng)力并代入式(5)中，最終得到1021 巷底板破壞云圖，如圖7所示。

從圖7 可以看出，在兩幫支承壓力作用下，1021巷底板最大破壞深度可以達(dá)到4.3 m，該計(jì)算結(jié)果與回坡底煤礦底板鉆孔窺視結(jié)果較為吻合，在一定程度上證明了理論解算的正確性。針對(duì)底板在不同的內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c情況下的破壞深度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可以看出，增大底板巖層黏聚力與內(nèi)摩擦角可使底板破壞深度減小，且內(nèi)摩擦角對(duì)底板破壞深度有較大影響，而黏聚力對(duì)底板破壞深度影響較小，通過(guò)注漿等工程技術(shù)手段改變底板巖性可減少巷道底臌現(xiàn)象的發(fā)生。

在理論計(jì)算結(jié)果中，巷道底板破壞呈對(duì)稱性分布，但在實(shí)際工程中，1021 巷所產(chǎn)生的底臌現(xiàn)象具有明顯的非對(duì)稱性特征，巷道底板在靠近孤島一側(cè)底臌量較小，遠(yuǎn)離孤島煤柱一側(cè)底臌量較大。這可能是因?yàn)榛仄碌?021 巷非對(duì)稱性底臌現(xiàn)象與巷道底板速度場(chǎng)分布有關(guān)，因此，在確定底板速度場(chǎng)分布之前，需要確定底板最大主應(yīng)力分布情況。將式(2)和式(4)聯(lián)立求解的結(jié)果代入式(6)，可以得到底板最大主應(yīng)力方向矢量圖，如圖9所示。

式中：α為最大主應(yīng)力與水平方向夾角；τx y為剪應(yīng)力；σ1和σ3分別為最大與最小主應(yīng)力。

從圖9可以看出，在孤島煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中作用下，巷道底板主應(yīng)力方向產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，形成主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)區(qū)，最大主應(yīng)力方向朝向孤島煤柱，最小主應(yīng)力方向朝向10 號(hào)煤層102 工作面采空區(qū)；而在1021 巷底板下方部分區(qū)域，由于巷道開(kāi)挖影響，主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度較小，最小主應(yīng)力方向朝向巷道，最大主應(yīng)力近似保持水平。

基于圖9計(jì)算結(jié)果，采用巖土塑性力學(xué)中的滑移線場(chǎng)理論對(duì)巷道底板速度場(chǎng)進(jìn)行分析。

已知單元在最大、最小主應(yīng)力作用下，破壞面法線方向與最大主應(yīng)力方向夾角β= π/4 +ψ/2，而在滑移線場(chǎng)理論中，將單元破壞面連接形成的跡線稱為滑移線，滑移線上任意一定速度方向與滑移線的夾角為ψ，如圖10所示。經(jīng)過(guò)角度換算，最終得出滑移線速度方向與最大主應(yīng)力方向夾角β′= π/4 +ψ/2。另一方面，根據(jù)巷道底板滑移線場(chǎng)理論，巷道底板在兩幫支承壓力作用下會(huì)形成滑移區(qū)，且支承壓力越大，底板滑移線場(chǎng)范圍越廣，速度場(chǎng)也就占據(jù)“主導(dǎo)”優(yōu)勢(shì)[24]。從1021 巷兩幫支承壓力分布情況來(lái)看，靠近孤島煤柱一側(cè)支承壓力遠(yuǎn)大于另一側(cè)支承壓力，若考慮應(yīng)力增量在巷道底板引起的滑移線場(chǎng)，則遠(yuǎn)離煤柱一側(cè)巷幫支承壓力對(duì)底板滑移線場(chǎng)的影響可以忽略?；谝陨戏治?，最終得到1021 巷底板速度場(chǎng)分布，如圖11所示。

從圖11 可以看出，在孤島煤柱應(yīng)力集中影響下，巷道底板速度場(chǎng)方向與豎直方向呈現(xiàn)一定的夾角，且?jiàn)A角會(huì)因與煤柱水平距離和底板深度位置而發(fā)生漸變，但1021 巷道下方底板速度場(chǎng)方向整體上均指向遠(yuǎn)離孤島煤柱一側(cè)巷幫，導(dǎo)致巷道在遠(yuǎn)離孤島煤柱一側(cè)底臌量更大，底臌呈非對(duì)稱性分布特征。由此可見(jiàn)，理論結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較吻合。

2.2 非對(duì)稱撓曲褶皺性底臌機(jī)理研究

1021巷直接底是厚度為0.8 m的鋁質(zhì)泥巖，在水平應(yīng)力作用下，其底臌類(lèi)型屬于撓曲褶皺性底臌，針對(duì)一般巖層產(chǎn)生的撓曲褶皺性底臌，其受力模型如圖12所示，其中L為巷道寬度；t為巖層厚度；q1(x)為下覆巖層底臌時(shí)對(duì)鋁質(zhì)泥巖單位面積作用力。

將1021 巷底板鋁質(zhì)泥巖簡(jiǎn)化為板模型，在圖12所示，受力狀態(tài)下，底板彈性曲面微分方程[7]為

式中：D為巖層抗彎剛度；E為巖層彈性模量；μ為泊松比；w為底板撓度。假定底板在x=0 與x=L處為簡(jiǎn)支條件，則底板撓度表達(dá)式為

式中：Q為正整數(shù)。

聯(lián)立式(7)和式(8)，并令系數(shù)I=1，可得到底板臨界壓曲方程：

簡(jiǎn)化式(9)，最終得到底板發(fā)生壓曲時(shí)臨界應(yīng)力σc為

若巖層所受水平應(yīng)力大于等于臨界應(yīng)力，則底板發(fā)生底臌現(xiàn)象。從式(10)可以看出，底板巖層厚度t、跨度L、彈性模量E、泊松比μ與所受荷載q1(x)對(duì)臨界應(yīng)力均有一定影響，因此，通過(guò)控制變量法計(jì)算得出臨界應(yīng)力與各影響因素之間的關(guān)系，如圖13所示。

從圖13 可知，臨界應(yīng)力σc隨巖層跨度L與所受荷載q1(x)的增大而減小，兩者均呈一次線性反比關(guān)系，說(shuō)明底板巖層跨度越大，所受向上荷載越大，越容易發(fā)生壓曲失穩(wěn)；而臨界應(yīng)力σc隨巖層厚度t、彈性模量E、泊松比μ的增大而增大，且σc與巖層厚度t、泊松比μ呈二次函數(shù)型正比關(guān)系，與彈性模量E呈一次函數(shù)型正比關(guān)系，說(shuō)明該類(lèi)影響因素可減少底板壓曲現(xiàn)象的發(fā)生。

當(dāng)1021 巷直接底(厚度為0.8 m 的鋁質(zhì)泥巖)產(chǎn)生底臌現(xiàn)象時(shí)，具有較為明顯的非對(duì)稱性特征，在遠(yuǎn)離孤島煤柱一側(cè)的底臌量較大，同時(shí)，在該側(cè)的底板鉆孔窺視結(jié)果顯示，在鋁質(zhì)泥巖的局部位置出現(xiàn)了離層現(xiàn)象，如圖14所示。

由于底板產(chǎn)生了離層現(xiàn)象，因此，在遠(yuǎn)離孤島煤柱一側(cè)，下覆巖層對(duì)鋁質(zhì)泥巖向上的荷載q1(x)較小，因此，基于圖12 可以得到受線性荷載q1(x)作用的底板巖層受力模型，如圖15 所示。圖15中，λ為線性載荷系數(shù)。

由圖5 可知巷道兩幫支承壓力呈非對(duì)稱性分布，因此，將支承壓力較大一側(cè)即x=0處簡(jiǎn)化為固支邊界條件，支承壓力較小一側(cè)即x=L處簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支邊界條件。

采用彈性力學(xué)有限差分法[25]計(jì)算圖15 所示底板壓曲時(shí)的撓度分布。根據(jù)有限差分基本公式，結(jié)合式(7)，可以得到基點(diǎn)(M，N)處撓曲方程差分[25]表達(dá)式：

巷道底板邊界條件方程為

取網(wǎng)格寬度h=0.92 m，根據(jù)底板物理參數(shù)聯(lián)立式(11)和(12)，最終得到撓度系數(shù)，其分布可以反映巷道底臌形態(tài)，如圖16所示。

從圖16 可以看出，巷道最大底臌量位置會(huì)隨著λ增大而發(fā)生轉(zhuǎn)移，當(dāng)λ=1.0和1.5時(shí)，巷道最大底臌量出現(xiàn)在遠(yuǎn)離孤島煤柱一側(cè)的位置，從而形成非對(duì)稱性底臌，該現(xiàn)象與回坡底實(shí)際情況吻合；當(dāng)λ＞1.5 時(shí)，隨著λ持續(xù)增大，巷道底臌將會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)稱性分布，然后再轉(zhuǎn)化為非對(duì)稱性分布，其最大底臌量位置逐漸向靠近孤島煤柱一側(cè)轉(zhuǎn)移。由底板抗彎剛度計(jì)算公式[26-27]和圖13 可知，增大底板厚度可以減小巷道底臌量。因此，根據(jù)回坡底底板產(chǎn)生的撓曲褶皺性底臌，可采用底板錨桿索支護(hù)等方法，減少巖層離層的發(fā)生，提高底板巖層等效厚度，減小底臌量[28]。

3 底板巖性試驗(yàn)分析

11-102工作面與上覆奧灰峰峰組含水層平均距離為25.4 m，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在11-1021 巷局部位置，頂板有淋水現(xiàn)象，水量約為2 m3/h?？紤]到1021 巷底板鋁質(zhì)泥巖中伊利石及高嶺石等黏土含量高，底板遇水易發(fā)生軟化、膨脹和崩解現(xiàn)象，因此，針對(duì)1021 巷道局部區(qū)域的遇水膨脹性底臌進(jìn)行試驗(yàn)分析。

3.1 巖石遇水崩解特性試驗(yàn)

試驗(yàn)巖樣均取自山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦11號(hào)煤層1021巷道，根據(jù)回坡底1021巷底板受到的淋水情況，試驗(yàn)過(guò)程中考慮以下2種條件：1)純凈水浸泡；2)純凈水浸泡→烘干→純凈水再浸泡的干-濕反復(fù)循環(huán)狀態(tài)。其中，干-濕反復(fù)循環(huán)試驗(yàn)每10 d 進(jìn)行一次循環(huán)。每種類(lèi)型試驗(yàn)分別選取3個(gè)巖樣，均為鋁質(zhì)泥巖，浸泡過(guò)程均在恒溫箱中進(jìn)行，部分試驗(yàn)結(jié)果分別如圖17 和圖18所示。

浸泡試驗(yàn)結(jié)果表明，在正常情況下，純凈水浸泡的巖樣崩解程度較低，而經(jīng)過(guò)干-濕反復(fù)循環(huán)處理過(guò)的巖樣崩解程度較高。在干-濕交替循環(huán)條件下，巖樣因失水內(nèi)外收縮不一而產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖體表面將出現(xiàn)拉裂破壞，即巖樣有表面裂隙產(chǎn)生；當(dāng)再對(duì)巖樣進(jìn)行飽水浸泡時(shí)，水沿著表面裂隙侵入，吸水壓力使表面裂隙向深部發(fā)展，裂隙連通時(shí)，巖樣便發(fā)生較高程度的崩解。30 d時(shí)，2種實(shí)驗(yàn)條件下巖樣崩解程度較低，60 d時(shí)巖樣崩解程度較高，因此，回坡底煤礦應(yīng)在30 d 內(nèi)做好疏水防水工作，否則將加劇底板巖層破壞。

3.2 巖石遇水膨脹軟化特性試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器采用型號(hào)為FCY-20100的分離式液壓千斤頂，加載的同時(shí)記錄單軸壓縮條件下巖樣破壞時(shí)的力學(xué)強(qiáng)度。在短時(shí)間純凈水浸泡條件下，巖石膨脹軟化特性如圖19所示。

從圖19 可以看出，巖石在遇水之后會(huì)發(fā)生一定程度的膨脹變形。在試驗(yàn)初期時(shí)，巖石膨脹變形速度快，膨脹率高，之后膨脹率增長(zhǎng)速度逐漸放緩。另外，在巖石吸水膨脹以后，巖石力學(xué)強(qiáng)度降低，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越低，但強(qiáng)度降低速率減緩。因此，回坡底煤礦1021 巷底板在遇水之后，通過(guò)一段時(shí)間的浸泡，強(qiáng)度減弱，在水平應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，從而形成撓曲褶皺+遇水膨脹的復(fù)合型底臌。回坡底應(yīng)采取一定的技術(shù)措施防止頂板淋水，避免底板軟化。

4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

針對(duì)1021 巷道局部區(qū)域產(chǎn)生遇水膨脹性底臌的現(xiàn)象，可在巷道局部頂板位置搭建簡(jiǎn)易雨棚，對(duì)頂板水進(jìn)行引流，并及時(shí)做好疏水工作，減少水對(duì)底板的軟化作用。

對(duì)于巷道支護(hù)，在原支護(hù)方案中，回坡底煤礦對(duì)1021 巷底板未采取任何支護(hù)措施，為裸露狀態(tài)。由本文2.2節(jié)可知采用底板錨桿索支護(hù)等方法可減少巖層離層量，提高底板巖層等效厚度，減小底臌量。為對(duì)巷道進(jìn)行底臌防治，在對(duì)底板起底后，針對(duì)1021 巷非對(duì)稱性底臌特征，將巷道底板支護(hù)方案調(diào)整為單體錨索平行布置的非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)[29]。錨索采用該礦原先使用的直徑×長(zhǎng)度為18.9 mm×6000.0 mm 錨索，由2.1 節(jié)中底板破壞深度可知，該錨索支護(hù)具有較好的著力點(diǎn)，同時(shí)，錨索主要在巷道底鼓臌量較大一側(cè)進(jìn)行支護(hù)，錨索間距×排距為1 200 mm×1 800 mm，巷道中心線處錨索垂直于底板支護(hù)，而遠(yuǎn)離巷道中心線處的錨索與垂直方向之間的夾角約為20°，斷面支護(hù)設(shè)計(jì)如圖20所示。

在回坡底煤礦1021 巷劃分一定長(zhǎng)度巷道作為試驗(yàn)區(qū)，對(duì)圖20 所示支護(hù)方案進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整支護(hù)參數(shù)，并對(duì)巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖21 所示。由圖21 可見(jiàn)：巷道在15 d 內(nèi)圍巖變形劇烈，之后逐漸平穩(wěn)，最大底臌量約為90 mm，未出現(xiàn)較為明顯的底臌現(xiàn)象。同時(shí)，該支護(hù)方案為回坡底其余11 號(hào)煤層回采巷道底板的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了參考。

5 結(jié)論

1)孤島煤柱的存在導(dǎo)致1021 巷兩幫支承壓力呈非對(duì)稱性分布，靠近孤島煤柱一側(cè)巷幫支承壓力大，遠(yuǎn)離孤島煤柱一側(cè)支承壓力小。底板最大破壞深度達(dá)到4.3 m，速度場(chǎng)方向指向遠(yuǎn)離孤島煤柱一側(cè)巷幫，導(dǎo)致1021巷出現(xiàn)非對(duì)稱性底臌。

2)底板鋁質(zhì)泥巖(厚度為0.8 m)發(fā)生撓曲褶皺性底臌時(shí)的臨界應(yīng)力與巖層跨度L及所受荷載q1(x)呈反比關(guān)系，與巖層厚度t、彈性模量E、泊松比μ呈正比關(guān)系，且底板出現(xiàn)最大底臌量的位置隨λ的改變而發(fā)生轉(zhuǎn)移。

3)回坡底底板巖樣經(jīng)過(guò)干-濕反復(fù)循環(huán)處理后的崩解程度比純凈水浸泡的巖樣崩解程度高；且在短時(shí)間浸泡條件下，底板巖樣力學(xué)強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng)而降低。

4)采用本文所提單體錨索平行布置的非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)可取得較好的支護(hù)效果。