隨著(zhu)淺(qian)埋資源(yuan)的(de)(de)(de)枯竭，中國(guo)越來越多的(de)(de)(de)煤礦(kuang)開始關注深(shen)(shen)煤資源(yuan)。隨著(zhu)采礦(kuang)深(shen)(shen)度的(de)(de)(de)增加，超過一(yi)半的(de)(de)(de)深(shen)(shen)埋巷(xiang)道(dao)和(he)暗室受(shou)到(dao)大變形的(de)(de)(de)威脅(xie)。底(di)鼓是(shi)一(yi)種由于大變形破壞發生在深(shen)(shen)埋的(de)(de)(de)巷(xiang)道(dao)中的(de)(de)(de)現象，造成大量金(jin)錢損失，極大地影響了安全生產(chan)。如何進行煤礦(kuang)測溫已經成為重要的(de)(de)(de)工程問題。因此，對(dui)巷(xiang)道(dao)底(di)板隆(long)起的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)將有助于理解(jie)底(di)板隆(long)起的(de)(de)(de)機理，甚至有助于解(jie)決問題。

近年(nian)來，許(xu)多學者(zhe)已經(jing)使(shi)用包(bao)括數(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬，實(shi)(shi)驗室實(shi)(shi)驗和(he)現場煤(mei)礦測(ce)溫在內的(de)(de)(de)(de)各種方法研(yan)究了(le)巷道的(de)(de)(de)(de)破壞和(he)穩定(ding)性。通過(guo)(guo)理(li)論分(fen)析和(he)相似性模(mo)擬測(ce)試(shi)研(yan)究了(le)底鼓的(de)(de)(de)(de)機(ji)理(li)。從2001年(nian)開始，越(yue)來越(yue)多的(de)(de)(de)(de)研(yan)究人員通過(guo)(guo)數(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬研(yan)究了(le)底鼓的(de)(de)(de)(de)機(ji)理(li)和(he)控制方法，通過(guo)(guo)小型(xing)模(mo)型(xing)試(shi)驗研(yan)究了(le)與挖掘相關的(de)(de)(de)(de)問題。并且(qie)進行了(le)小規模(mo)模(mo)型(xing)測(ce)試(shi)，以研(yan)究隧道工作面的(de)(de)(de)(de)破壞機(ji)理(li)。通過(guo)(guo)數(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬研(yan)究了(le)在潮濕條件(jian)下(xia)在膨脹地面中的(de)(de)(de)(de)隧道底鼓。通過(guo)(guo)現場調(diao)查(cha)和(he)地質調(diao)查(cha)分(fen)析了(le)軟巖隧道地表隆起(qi)的(de)(de)(de)(de)發生機(ji)理(li)。

圖為煤礦巷道

同時(shi)也進行了許多(duo)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)測(ce)(ce)試(shi)，以(yi)研(yan)究(jiu)(jiu)道(dao)路開挖(wa)時(shi)周(zhou)圍(wei)的(de)(de)(de)(de)紅外熱成像（紅外溫度(du)）特征，以(yi)研(yan)究(jiu)(jiu)液(ye)壓膨脹(zhang)螺栓支撐的(de)(de)(de)(de)軟巖(yan)巷道(dao)中底鼓的(de)(de)(de)(de)控制效果(guo)。通過(guo)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)試(shi)驗(yan)和(he)數值(zhi)模(mo)(mo)(mo)擬研(yan)究(jiu)(jiu)了弱夾層(ceng)對隧道(dao)周(zhou)圍(wei)巖(yan)體破壞模(mo)(mo)(mo)式的(de)(de)(de)(de)影響。通過(guo)地質力學模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)試(shi)驗(yan)分析了邊(bian)坡的(de)(de)(de)(de)開裂，穩定性和(he)加(jia)固。使(shi)用(yong)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)試(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)(jiu)了厚頂煤深(shen)巷道(dao)的(de)(de)(de)(de)圍(wei)巖(yan)變形和(he)破壞機理。由于現場(chang)實驗(yan)和(he)現場(chang)測(ce)(ce)試(shi)都受(shou)時(shi)間和(he)成本的(de)(de)(de)(de)限制，物理模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)測(ce)(ce)試(shi)和(he)數值(zhi)模(mo)(mo)(mo)擬是進行巖(yan)土(tu)工(gong)程結(jie)構研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)(de)(de)兩種更有用(yong)的(de)(de)(de)(de)方法。模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)測(ce)(ce)試(shi)在研(yan)究(jiu)(jiu)巖(yan)土(tu)工(gong)程結(jie)構的(de)(de)(de)(de)穩定性和(he)破壞中起著重要作用(yong)。

開挖巷道時，地面起伏是巷道的一種典型破壞形式，經常發生。同時，地層的傾斜角度對巷道的穩定性和破壞機理產生影響。但是，很少有物理模型試驗用于研究樓板起伏破壞，很少有學者將地層傾角納入考慮范圍。紅外熱成像技術是一種無損遙感技術，已廣泛用于檢測混凝土和巖石的不穩定裂紋擴展和缺陷合并的發生。已經結合紅外熱像儀的(de)(de)(de)物(wu)理(li)模型(xing)進(jin)行(xing)了研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)，以研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)在0、45、60和90度傾斜巖(yan)層(ceng)(ceng)(ceng)中(zhong)的(de)(de)(de)巷(xiang)(xiang)道開挖，但是尚未對10個輕微傾斜巖(yan)層(ceng)(ceng)(ceng)中(zhong)的(de)(de)(de)巷(xiang)(xiang)道進(jin)行(xing)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)。實際(ji)上，在緩慢傾斜的(de)(de)(de)地(di)層(ceng)(ceng)(ceng)中(zhong)有一些巷(xiang)(xiang)道，其傾角接近10°。在以前(qian)的(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)中(zhong)，主要研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)巷(xiang)(xiang)道開挖時圍(wei)巖(yan)的(de)(de)(de)紅(hong)外(wai)熱成像特(te)(te)征，而關于(yu)圍(wei)巖(yan)的(de)(de)(de)應變變化特(te)(te)征和破(po)壞(huai)機理(li)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)很(hen)少。為了研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)深層(ceng)(ceng)(ceng)微傾角地(di)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)巷(xiang)(xiang)道底鼓(gu)，進(jin)行(xing)了配備了最先進(jin)的(de)(de)(de)紅(hong)外(wai)熱像儀和接觸測量(liang)方(fang)法的(de)(de)(de)縮小規模的(de)(de)(de)物(wu)理(li)模型(xing)試驗，以研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)底鼓(gu)。利用紅(hong)外(wai)熱成像圖(tu)像數據(ju)，研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)了側壓力(li)系數對地(di)面升(sheng)沉破(po)壞(huai)，地(di)層(ceng)(ceng)(ceng)破(po)壞(huai)模式以及(ji)圍(wei)巖(yan)在不同水平應力(li)作(zuo)用下應力(li)變化的(de)(de)(de)影響。研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)了地(di)層(ceng)(ceng)(ceng)破(po)壞(huai)發生時的(de)(de)(de)溫度變化特(te)(te)征。

圖為紅外熱像圖

在巷(xiang)(xiang)道底(di)鼓(gu)起伏(fu)的(de)(de)過程(cheng)中，采用紅外熱像儀和(he)攝像機(ji)對(dui)煤礦測(ce)溫(wen)，來捕(bu)獲巷(xiang)(xiang)道截面(mian)的(de)(de)熱響(xiang)應(ying)(ying)(ying)和(he)位移，同時(shi)，在圍巖(yan)中安裝(zhuang)圓形布置的(de)(de)應(ying)(ying)(ying)變儀來測(ce)量巷(xiang)(xiang)道截面(mian)變形。通過對(dui)獲取的(de)(de)紅外熱像圖(tu)，視頻(pin)照片和(he)應(ying)(ying)(ying)變場變化的(de)(de)綜(zong)合分析，研究(jiu)了(le)地面(mian)起伏(fu)和(he)破壞研究(jiu)表明，巷(xiang)(xiang)道底(di)鼓(gu)發(fa)生的(de)(de)關鍵位置在右上(shang)角(jiao)。隨著水平(ping)應(ying)(ying)(ying)力(li)的(de)(de)增加，巷(xiang)(xiang)道右上(shang)角(jiao)的(de)(de)切(qie)(qie)(qie)向拉伸應(ying)(ying)(ying)力(li)增大(da)，巷(xiang)(xiang)道左腳(jiao)角(jiao)的(de)(de)切(qie)(qie)(qie)向應(ying)(ying)(ying)力(li)由拉伸應(ying)(ying)(ying)力(li)轉變為壓應(ying)(ying)(ying)力(li)，切(qie)(qie)(qie)向壓應(ying)(ying)(ying)力(li)上(shang)升(sheng)(sheng)。同時(shi)，腳(jiao)拐角(jiao)和(he)巷(xiang)(xiang)道底(di)部的(de)(de)法向拉應(ying)(ying)(ying)力(li)增大(da)。巖(yan)體破壞伴隨著異常的(de)(de)溫(wen)度變化，當巖(yan)體產(chan)生新的(de)(de)裂(lie)(lie)縫和(he)裂(lie)(lie)縫時(shi)，其(qi)溫(wen)度下降；當巖(yan)體表現出(chu)摩擦位錯(cuo)時(shi)，其(qi)溫(wen)度回升(sheng)(sheng)。水平(ping)應(ying)(ying)(ying)力(li)對(dui)地面(mian)起伏(fu)有很大(da)的(de)(de)影響(xiang)。當水平(ping)應(ying)(ying)(ying)力(li)較(jiao)小時(shi)，發(fa)生地板斷裂(lie)(lie)，當水平(ping)應(ying)(ying)(ying)力(li)達到閾值(zhi)水平(ping)時(shi)，將發(fa)生地板起伏(fu)。

輕微傾(qing)斜地層巷道底鼓失穩的(de)機理是：首先(xian)，當地層受到(dao)(dao)(dao)破(po)(po)壞(huai)并(bing)產生裂縫(feng)時，其強度會(hui)降低。則地面位移(yi)將引(yin)起(qi)車道截(jie)面的(de)不(bu)對(dui)稱變形。同時，地板(ban)受到(dao)(dao)(dao)朝向開口自(zi)由(you)面的(de)高拉應力，并(bing)使地板(ban)地層分離并(bing)起(qi)伏(fu)(fu)；最后(hou)觀察到(dao)(dao)(dao)地板(ban)起(qi)伏(fu)(fu)破(po)(po)壞(huai)。