《Geotechnics》：Numerical Studies of the Floor Heave Control Method in Gob-Side Entry Retaining in Deep Coal Mines
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在无煤柱采煤条件下，沿空留巷的底鼓量占总垂直收敛量的60%–80%，而总收敛量常超过1.0 m，这是制约深部煤矿无煤柱开采的关键因素之一。传统沿空留巷底鼓控制方法效果不足，需加以改进。本文致力于改进沿空留巷中的抗剪桩（anti-shear pile）方法，以有
在无煤柱采煤条件下，沿空留巷的底鼓量占总垂直收敛量的60%–80%，而总收敛量常超过1.0 m，这是制约深部煤矿无煤柱开采的关键因素之一。传统沿空留巷底鼓控制方法效果不足，需加以改进。本文致力于改进沿空留巷中的抗剪桩（anti-shear pile）方法，以有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）为主要研究方法，确定了桩径及其设计对围岩应力–应变分布及底鼓量的影响。研究发现，充填桩（filled piles）在降低底鼓量、底鼓非对称性及直接底峰值后应变区尺寸方面效率最高。在充填桩中，钢管阻止混凝土芯断裂，而混凝土芯阻止钢管发生塑性屈服，因此在相同直径与弹性模量下，充填桩的底鼓控制效能为同类对比方案的1.06–1.7倍。
研究背景与立项依据
无煤柱采煤技术近十年取得显著进展，以N110工法为代表，通过定向切顶在主梁上方形成短悬臂梁结构。在欧洲，以速凝材料充填墙（filling wall）支承顶板成为主流。沿空留巷中，顶板与两帮通常由U型钢拱、锚杆、锚索及吸能锚杆支护，而底板一般不加固；底鼓量占垂直收敛的60%–80%，深部软岩巷道尤为严重。传统底鼓机制（承载力失效、屈曲、膨胀）在深部沿空留巷中耦合复杂化，水平应力被公认为直接诱因，竖向荷载通过两帮挤压转化为底板层裂上鼓。既有控制手段（锚杆、注浆、卸压、反拱）及新兴切顶卸压、抗剪桩法中，抗剪桩法虽由Xu等提出、Sakhno等优化至跨中布桩，但桩型与桩径影响仍属空白。鉴于FLAC3D、UDEC等对支护构件精细建模存在局限，研究人员选用ANSYS 17.2开展有限元分析，以填补上述缺口。
论文发表于《Geotechnics》，研究对象为乌克兰Pokrovske煤矿（采深800–1000 m，煤厚0.8–2.0 m）10区块9北bis工作面Y型长壁沿空留巷，现场总收敛约初始高度33%，其中底鼓占78%（1.2 m），反拱清底前U型钢拱严重不对称变形。
主要技术方法
研究人员采用三类手段：①实验室制备直接底粉砂岩及Bi-Krep充填墙材料试件，测自然含水率（0.91%，排除水理膨胀）、单轴抗压强度（UCS）与平均变形模量；②基于Hoek-Brown准则由RMR89推GSI将岩块参数修正为岩体参数，在ANSYS中用Drucker-Prager模拟岩体/充填/碎矸、双线性各向同性硬化模拟U型钢与管桩，建立65×65×65 m模型（顶部施加20 MPa等效800 m埋深载荷）；③分三步计算：无底板加固基准步、“2桩5+2”布桩下变直径（57–273 mm）混凝土桩/管桩/充填桩对比步、同直径133 mm变弹性模量（3–200 GPa）混凝土桩与充填桩敏感性步。
研究结果
5.1 第一步模拟（无底板加固）
最小主应力σ3呈典型“蝶形区”，充填墙侧下方竖向应力集中更高，直接底出现充填墙侧深5.0 m、煤体侧深2.0 m的水平拉伸峰值后应变区；两区之间转化出竖向拉伸峰值后应变，模型最大底鼓0.9 m（现场清底1.2 m含0.2 m落矸，误差约10%）。机制归结为两侧高竖向压应力→腿下高水平应力→跨中竖向拉伸胀裂。
5.2 第二步模拟（变直径三桩型）
273 mm桩径时，充填桩使跨中水平峰值后应变消失，管桩使其减至1/6.5，混凝土桩几乎无效；竖向峰值后应变区仅充填桩全面抑制。底鼓最大值由无加固0.9 m降至：混凝土桩57→273 mm降0–24.1%，管桩25.5–43%，充填桩37.5–45.9%。充填桩对直径变化最不敏感（仅8.4%波动），混凝土桩最敏感；最大上鼓点由充填墙侧内移至跨中附近。立即底0.5–1.5 m为水平压缩–竖向膨胀核，管桩与273 mm充填桩可使核内应变退入峰值前。
5.3 第三步模拟（变弹性模量）
直径133 mm下，E=3 GPa时混凝土桩降鼓21%、充填桩36%；E=30 GPa时27%对39%；E=200 GPa仅充填桩使底应变全低于限值。同E下充填桩因钢管限裂效高于混凝土桩1.44–1.71倍。弹性模量上升使应变极值核下移（充填桩高E时至1.6 m）。
讨论与结论翻译
讨论指出：充填墙嵌入直接底致应力场不对称是底鼓偏移根因；抗剪桩截断“竖向压→水平拉→竖向拉”转化链；控鼓主导因子为桩弹性模量与变形模式而非直径，充填桩中钢管阻混凝土裂、混凝土阻钢管塑屈，故同径同E下效能最优；后续应优化桩构造而非继续加径。
结论：（1）沿空留巷底鼓非对称源于充填墙嵌入直接底，桩设截断侧帮高竖向压应变向跨中竖向拉应变转化；（2）混凝土桩效最弱、充填桩最强，直径57→273 mm时降鼓分别为0–24.1%、25.5–43%、37.5–45.9%，充填桩对直径不敏感；（3）桩材E由3升至30 GPa，混凝土桩降鼓21%→27%，充填桩36%→39%，钢管-混凝土协同定成败；（4）桩设计准则是小直径下极大刚度与承载力，后续研究转向桩构造改良。
