隨著淺埋資源的枯竭，中國越來越多的煤礦開始關(guān)注深煤資源。隨著采礦深度的增加，超過一半的深埋巷道和暗室受到大變形的威脅。底鼓是一種由于大變形破壞發(fā)生在深埋的巷道中的現(xiàn)象，造成大量金錢損失，極大地影響了安全生產(chǎn)。如何進(jìn)行煤礦測(cè)溫已經(jīng)成為重要的工程問題。因此，對(duì)巷道底板隆起的研究將有助于理解底板隆起的機(jī)理，甚至有助于解決問題。

近年來，許多學(xué)者已經(jīng)使用包括數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場煤礦測(cè)溫在內(nèi)的各種方法研究了巷道的破壞和穩(wěn)定性。通過理論分析和相似性模擬測(cè)試研究了底鼓的機(jī)理。從2001年開始，越來越多的研究人員通過數(shù)值模擬研究了底鼓的機(jī)理和控制方法，通過小型模型試驗(yàn)研究了與挖掘相關(guān)的問題。并且進(jìn)行了小規(guī)模模型測(cè)試，以研究隧道工作面的破壞機(jī)理。通過數(shù)值模擬研究了在潮濕條件下在膨脹地面中的隧道底鼓。通過現(xiàn)場調(diào)查和地質(zhì)調(diào)查分析了軟巖隧道地表隆起的發(fā)生機(jī)理。

圖為煤礦巷道

同時(shí)也進(jìn)行了許多模型測(cè)試，以研究道路開挖時(shí)周圍的紅外熱成像（紅外溫度）特征，以研究液壓膨脹螺栓支撐的軟巖巷道中底鼓的控制效果。通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了弱夾層對(duì)隧道周圍巖體破壞模式的影響。通過地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)分析了邊坡的開裂，穩(wěn)定性和加固。使用模型試驗(yàn)研究了厚頂煤深巷道的圍巖變形和破壞機(jī)理。由于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場測(cè)試都受時(shí)間和成本的限制，物理模型測(cè)試和數(shù)值模擬是進(jìn)行巖土工程結(jié)構(gòu)研究的兩種更有用的方法。模型測(cè)試在研究巖土工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和破壞中起著重要作用。

開挖巷道時(shí)，地面起伏是巷道的一種典型破壞形式，經(jīng)常發(fā)生。同時(shí)，地層的傾斜角度對(duì)巷道的穩(wěn)定性和破壞機(jī)理產(chǎn)生影響。但是，很少有物理模型試驗(yàn)用于研究樓板起伏破壞，很少有學(xué)者將地層傾角納入考慮范圍。紅外熱成像技術(shù)是一種無損遙感技術(shù)，已廣泛用于檢測(cè)混凝土和巖石的不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展和缺陷合并的發(fā)生。已經(jīng)結(jié)合紅外熱像儀的物理模型進(jìn)行了研究，以研究在0、45、60和90度傾斜巖層中的巷道開挖，但是尚未對(duì)10個(gè)輕微傾斜巖層中的巷道進(jìn)行研究。實(shí)際上，在緩慢傾斜的地層中有一些巷道，其傾角接近10°。在以前的工作中，主要研究巷道開挖時(shí)圍巖的紅外熱成像特征，而關(guān)于圍巖的應(yīng)變變化特征和破壞機(jī)理的研究很少。為了研究深層微傾角地層的巷道底鼓，進(jìn)行了配備了最先進(jìn)的紅外熱像儀和接觸測(cè)量方法的縮小規(guī)模的物理模型試驗(yàn)，以研究底鼓。利用紅外熱成像圖像數(shù)據(jù)，研究了側(cè)壓力系數(shù)對(duì)地面升沉破壞，地層破壞模式以及圍巖在不同水平應(yīng)力作用下應(yīng)力變化的影響。研究了地層破壞發(fā)生時(shí)的溫度變化特征。

圖為紅外熱像圖

在巷道底鼓起伏的過程中，采用紅外熱像儀和攝像機(jī)對(duì)煤礦測(cè)溫，來捕獲巷道截面的熱響應(yīng)和位移，同時(shí)，在圍巖中安裝圓形布置的應(yīng)變儀來測(cè)量巷道截面變形。通過對(duì)獲取的紅外熱像圖，視頻照片和應(yīng)變場變化的綜合分析，研究了地面起伏和破壞研究表明，巷道底鼓發(fā)生的關(guān)鍵位置在右上角。隨著水平應(yīng)力的增加，巷道右上角的切向拉伸應(yīng)力增大，巷道左腳角的切向應(yīng)力由拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，切向壓應(yīng)力上升。同時(shí)，腳拐角和巷道底部的法向拉應(yīng)力增大。巖體破壞伴隨著異常的溫度變化，當(dāng)巖體產(chǎn)生新的裂縫和裂縫時(shí)，其溫度下降；當(dāng)巖體表現(xiàn)出摩擦位錯(cuò)時(shí)，其溫度回升。水平應(yīng)力對(duì)地面起伏有很大的影響。當(dāng)水平應(yīng)力較小時(shí)，發(fā)生地板斷裂，當(dāng)水平應(yīng)力達(dá)到閾值水平時(shí)，將發(fā)生地板起伏。

輕微傾斜地層巷道底鼓失穩(wěn)的機(jī)理是：首先，當(dāng)?shù)貙邮艿狡茐牟a(chǎn)生裂縫時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)降低。則地面位移將引起車道截面的不對(duì)稱變形。同時(shí)，地板受到朝向開口自由面的高拉應(yīng)力，并使地板地層分離并起伏；最后觀察到地板起伏破壞。