大變形軟巖巷道錨網(wǎng)支護(hù)失效機(jī)理研究

徐基根，田素川，孫 康，許興亮

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;2．淮北礦業(yè)集團(tuán) 朱仙莊煤礦，安徽 淮北 234111)

由于巷道開(kāi)掘在煤層或軟弱巖層中，一段時(shí)間后，巷道處于巖石的峰后軟化階段，強(qiáng)度低、物理性質(zhì)差、流變問(wèn)題較嚴(yán)重。軟巖巷道錨網(wǎng)支護(hù)，提高了圍巖的抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度，約束圍巖位移，改善圍巖物理性質(zhì)，使巷道得到有效維護(hù)。但是，對(duì)于錨網(wǎng)支護(hù)機(jī)理的研究，集中在錨網(wǎng)與巷道圍巖的整體作用及單方面提高支護(hù)阻力上，未將兩者作用具體化，致使一些軟巖巷道局部部位支護(hù)不耦合，錨網(wǎng)支護(hù)失效。本文以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)何滿(mǎn)潮教授提出的軟巖巷道彈塑性狀態(tài)圈狀模型［1］為基礎(chǔ)，進(jìn)行了分析。

1 錨網(wǎng)支護(hù)巷道力學(xué)分析

巷道的開(kāi)挖破壞了原巖應(yīng)力場(chǎng)中的三向應(yīng)力狀態(tài)，原有平衡被打破，巷道圍巖逐漸變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)。圍巖表面單元切向應(yīng)力達(dá)到最大值，徑向應(yīng)力為零。圍巖內(nèi)部，徑向應(yīng)力慢慢增大，圍巖總是處在第三向應(yīng)力較弱的三向應(yīng)力狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，調(diào)整后的圍巖中部分巖體在大于其強(qiáng)度的載荷作用下發(fā)生破壞，并且靠近巷道表面的巖體最先破壞，最大主應(yīng)力集中區(qū)向圍巖內(nèi)部移動(dòng)。在此過(guò)程中，巷道圍巖將出現(xiàn)4個(gè)力學(xué)性質(zhì)有差異的區(qū)域：彈性區(qū)，塑性硬化區(qū)，塑性軟化區(qū)，塑性流動(dòng)區(qū)(由內(nèi)到外)。各區(qū)對(duì)應(yīng)全應(yīng)力—應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1，軟巖巷道圍巖分區(qū)見(jiàn)圖2。

2 巷道圍巖力學(xué)行為分析

2．1 彈性區(qū)

彈性區(qū)與未受工程擾動(dòng)的巖體相接，巖體處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的性質(zhì)共同起作用，抗壓強(qiáng)度較大。其基本方程：

2．2 塑性硬化區(qū)

應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)于圖2中塑性階段AB，在彈塑性交界處圍巖開(kāi)始屈服，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移變形，擴(kuò)容現(xiàn)象明顯。在塑性硬化區(qū)中，由摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，可得：

在彈塑性區(qū)邊界r=Rs處，有σr+σθ=2P0，可得：

由上式和平衡方程可求得應(yīng)力：

2．3 塑性軟化區(qū)

塑性軟化區(qū)與塑性硬化區(qū)交界處巖體所表現(xiàn)出的載荷應(yīng)力為極限抗壓強(qiáng)度σc。該區(qū)域中，巖體中裂隙擴(kuò)展，并產(chǎn)生新的裂隙。大部分裂隙貫通，巖體中產(chǎn)生內(nèi)部空洞。內(nèi)摩擦角及結(jié)構(gòu)面黏結(jié)力變化與徑向位移成線性關(guān)系，即：

其中：

式中：

φ，φ*—巖體原狀態(tài)下內(nèi)摩擦角及完全破壞后的殘余內(nèi)摩擦角;

C，C*—巖體原狀態(tài)下內(nèi)聚力及殘余內(nèi)聚力。

在塑性軟化區(qū)內(nèi)，由摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則的另一種形式：

假設(shè)在圓形巷道開(kāi)挖時(shí)，在支護(hù)力Pi作用下，圍巖沒(méi)有出現(xiàn)塑性軟化區(qū)，則有邊界條件r=a，σr=Pi，由此可得塑性軟化區(qū)半徑：

2．4 塑性流動(dòng)區(qū)

圍巖流動(dòng)區(qū)巖體的C，φ分別為其殘余值C*，φ*，則由摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則推得巖體起塑條件：σr=Kσθ+σc，在塑性流動(dòng)區(qū)有 σ*=K*σθ*+σc

*，K*=，結(jié)合平衡方程：

式中：

q0—巷道表面的支護(hù)力。

3 錨網(wǎng)支護(hù)軟巖巷道失效機(jī)理

錨網(wǎng)支護(hù)多應(yīng)用于服務(wù)年限較長(zhǎng)的巷道。錨桿形成的錨固層組合拱是支護(hù)的主要承載結(jié)構(gòu)，金屬網(wǎng)的作用是維護(hù)該組合拱的存在，防止它因巖塊冒落而失效。軟巖巷道的錨網(wǎng)支護(hù)失效機(jī)理可從以下幾方面說(shuō)明。

3．1 錨桿支護(hù)失效

3．1．1 支護(hù)時(shí)機(jī)

軟巖巷道中，伴隨著圍巖應(yīng)力的調(diào)整，錨桿錨入巖體后受到圍巖變形應(yīng)力的作用而承受力。軟巖巷道支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要留出富余的變形空間，以釋放圍巖積聚的能量。若支護(hù)過(guò)早，長(zhǎng)時(shí)間的圍巖松動(dòng)變形將遠(yuǎn)超過(guò)桿體所能承受的變形能量，會(huì)將錨桿“拔出”或引起錨固失效;若支護(hù)過(guò)晚，圍巖塑性流動(dòng)區(qū)半徑過(guò)大，錨桿錨固作用巖體強(qiáng)度將大大降低，不能承受?chē)鷰r后續(xù)變形對(duì)錨桿施加的拔拉力，致使錨桿失效。

3．1．2 錨桿直徑對(duì)圍巖變形的影響

模擬方案采用錨桿長(zhǎng)度為2 000 mm，間排距為800 mm×800 mm。支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖3，模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，錨桿直徑的大小對(duì)圍巖變形產(chǎn)生了實(shí)際影響［2］。實(shí)際研究結(jié)果表明，隨著直徑數(shù)值的增加，巷道頂板和兩幫位移量都有小幅度減小，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量在局部階段有小幅度增加;同時(shí)，直徑過(guò)小會(huì)引起錨桿桿體抗剪能力的減弱，在塑性區(qū)中，當(dāng)τ桿＜τ巖時(shí)，則圍巖剪切應(yīng)力將錨桿剪斷，錨桿整體作用不能發(fā)揮，錨桿失效。

3．1．3 錨固組合拱

在錨桿桿體及錨固劑共同作用下，錨桿群在破碎巖體中形成“組合［3］拱”，錨固區(qū)分布示意圖見(jiàn)圖5，組合拱示意圖見(jiàn)圖6。

根據(jù)拉麥公式，組合拱支護(hù)力：

式中：

σz—破碎巖體錨固體強(qiáng)度，σz=0．7 ～0．8σc;

bb0

如果當(dāng) r=Rb，σr*＞Pi，即組合拱部分所在巖體徑向應(yīng)力大于組合拱所提供支護(hù)力，局部組合拱就會(huì)破壞失效，從而引起整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的崩潰。

3．2 錨網(wǎng)原理

3．2．1 網(wǎng)的作用

1)維護(hù)錨桿間比較破碎的巖石，防止巖塊掉落。

2)提高錨桿支護(hù)的整體效果，抵抗錨桿間破碎巖塊的碎脹壓力，提高支護(hù)對(duì)圍巖的支撐能力。

在組合拱理論中，金屬網(wǎng)維護(hù)如圖6中陰影部分巖體。該部分巖體中任意一塊巖塊的掉落都將危及錐形區(qū)域的錨固巖體，錨固巖體逐漸掉落，錨桿作用將會(huì)慢慢失去，組合拱厚度及承載能力都會(huì)降低，造成錨桿支護(hù)失敗。

3．2．2 水風(fēng)因素

軟弱圍巖主要含有高嶺土、伊利石等黏土礦物，遇風(fēng)巖體間裂隙尺寸變大，塊度變小，強(qiáng)度降低;遇水往往會(huì)泥化、崩解，巖體強(qiáng)度慢慢降低至零，形成流動(dòng)性泥質(zhì)物。在軟巖巷道中若不注意維護(hù)圍巖表面巖體及防治水，則會(huì)引起表面巖體塊度及強(qiáng)度的降低，巖石會(huì)從金屬網(wǎng)網(wǎng)孔中漏出，危及錨固體。

3．3 底 鼓［4］

3．3．1 產(chǎn)生因素

巷道開(kāi)掘引起圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和性質(zhì)都發(fā)生變化，圍巖表面的塑性流動(dòng)區(qū)下部巖體在內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)擠壓作用下向巷道空間移動(dòng)，并伴隨有巖體的進(jìn)一步變形，一起底鼓。同時(shí)，巷道底板存有積水的情況下，其中的黏土巖成分會(huì)在水的作用下膨脹、崩解，裂隙加大，使底板鼓起。若不及時(shí)處理，則會(huì)引起更大范圍的底鼓。

3．3．2 底鼓對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)的影響

塑性流動(dòng)區(qū)底部巖體向巷道內(nèi)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的空間，這部分空間會(huì)由流動(dòng)區(qū)其它部分的巖體填充。這樣會(huì)引起巷道斷面形狀的變化，斷面面積大大減小。

塑性流動(dòng)區(qū)巖體的流動(dòng)，使錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)靠近底板部分及內(nèi)部組合拱同時(shí)移動(dòng)。組合拱形狀發(fā)生較大變化，底部承載能力大大降低，而且部分移動(dòng)的錨網(wǎng)系統(tǒng)不能再按設(shè)計(jì)要求與全系統(tǒng)耦合。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，底部關(guān)鍵部位支護(hù)的失效會(huì)慢慢引起整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失效。

4 結(jié)論

1)軟弱圍巖隨時(shí)間的推移而變化，圍巖各圈層半徑隨時(shí)間推移而增大，加強(qiáng)支護(hù)后，趨于穩(wěn)定。

2)錨桿錨固體是錨網(wǎng)支護(hù)的主體，各種原因引起的錨桿錨固失效是軟巖巷道錨網(wǎng)支護(hù)失效的關(guān)鍵因素。

3)模擬結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)果一致，說(shuō)明了理論分析是正確的。

［1］ 何滿(mǎn)潮，景海河，孫曉明．軟巖工程力學(xué)［M］．北京：科學(xué)出版社，2002：108－109．

［2］ 考四明，宮能平，祈建奎．不對(duì)稱(chēng)軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(2)：86－88．

［3］ 薛順勛．軟巖巷道支護(hù)技術(shù)指南［J］．煤炭工業(yè)，2002(5)：24－28．

［4］ 劉 剛，王仁庭，董方庭．井巷工程［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005：219－228．

［5］ 許興亮，張 農(nóng)．富水條件下軟巖巷道變形特征與過(guò)程控制研究［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36(3)：288－302．