深部高应力巷道底鼓演化机制与协同控制技术研究

《Scientific Reports》：Study on the evolutionary mechanism and synergistic control technology of floor heave in deep high-stress roadways

　　

摘要

为解决深部高应力巷道中的顶板鼓起问题，本研究基于塑性力学建立了巷道顶板的滑动面场模型。研究得出了顶板破坏深度、内摩擦角与煤层参数之间的定量关系，并明确了顶板鼓起幅度与肋部极限平衡区宽度及顶板破坏深度之间的线性正相关关系。新庄煤矿1802工作面尾翼区域的工程案例显示，高应力巷道顶板鼓起具有四阶段破坏特征。现场测量表明，前进支承压力の影响范围约为90米，主应力σ₁的方位角出现109°的偏转，这加剧了顶板的剪切滑动。顶板拐角处的垂直应力峰值达到15.2 MPa，引发了初始破坏，而深层水平应力持续上升至7.2 MPa则是导致顶板鼓起的主要原因。所提出的“浅部卸压-深层锚固”协同控制体系通过设置卸压槽使垂直应力峰值降低了33%–38%，同时通过底角钢缆锚固将水平应力集中峰值降至4.7 MPA，从而将顶板鼓起幅度从510毫米降低到150毫米。数值模拟与现场监测表明，该策略通过诱导双模态应力重分布并增强周围岩体结构，使塑性破坏模式由倒三角形复合破坏转变为槽肩处的局部剪切破坏。顶板与底板之间的收敛量稳定在37.4厘米，为深部巷道顶板鼓起控制提供了理论依据与工程思路。