深井錨網(wǎng)巷道安全性判別模型及機(jī)理分析

張 軍，王建鵬

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.華北科技學(xué)院科技管理處，河北 三河 065201；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；4.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪礦，山西 太原 030026)

隨著煤炭資源開采向深部延伸，開采環(huán)境及條件逐步惡化，深部巖體的強(qiáng)度、密度、脆性特性更加顯著，在深部高應(yīng)力(含構(gòu)造應(yīng)力)的作用下，變形能量的積聚程度較高，在巷道開挖及施工過程中，如支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，不能實(shí)現(xiàn)支護(hù)體和圍巖承載一體化，無法有效約束巷道開挖卸荷中彈性變形能的釋放速度，巷道將會產(chǎn)生前兆不明顯的突然失穩(wěn)。因此深部錨網(wǎng)巷道的整體安全性成為深部煤炭開采中的主要難題。為了預(yù)測防止巷道圍巖片冒、支護(hù)失效和整體失穩(wěn)，多年來，巖土工程領(lǐng)域的專家進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐、理論探索和技術(shù)研究，深部構(gòu)造應(yīng)力對巷道的作用機(jī)理，深部巷道安全性的巖石力學(xué)問題，環(huán)境、圍巖、支護(hù)體協(xié)同作用機(jī)理，深部巖體的流變、擴(kuò)容機(jī)理及巖體地質(zhì)力學(xué)模型，“先柔后剛，剛?cè)峁矟?jì)” 的不良巖層巷道支護(hù)措施及“ 新奧法” 的研究與推廣，為施工效率的提高、實(shí)現(xiàn)巷道、基坑等地下工程安全穩(wěn)定奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1-8]。

目前，從巷道設(shè)計(jì)初期對方案進(jìn)行超前預(yù)測評價，提前發(fā)現(xiàn)巷道工程變形破壞特征及缺陷，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及工程施工提供理論依據(jù)顯得尤為重要。本文對基于摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則的巷道安全性判別力學(xué)模型進(jìn)行等效變換，從巷道塑性區(qū)半徑、塑性區(qū)位移及其應(yīng)力三個方面對巷道安全性進(jìn)行判別，判別指標(biāo)數(shù)據(jù)反映的巖體力學(xué)變形破壞機(jī)理與工程實(shí)際相符，表明等效變換后的巷道安全性判別模型科學(xué)合理，能為巷道工程優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全預(yù)警提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 巷道安全性判別模型

巷道開挖并進(jìn)行適當(dāng)支護(hù)后，易于獲取并適用于判別其安全性或支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)為巷道的位移、塑性區(qū)半徑、塑性區(qū)應(yīng)力。其中，位移臨界值與圍巖巖性有關(guān)，脆性較大的砂巖、灰?guī)r取小值，脆性較小的泥巖、頁巖取大值；塑性區(qū)半徑不僅影響巷道的安全性，而且決定了支護(hù)方式及其參數(shù)；塑性區(qū)應(yīng)力是評價支護(hù)阻力是否合理的指標(biāo)。

1.1 Mohr-coulomb屈服條件

(1

式中：σr、σθ分別為切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；φ為圍巖的內(nèi)摩擦角；C為圍巖的粘結(jié)力(或內(nèi)聚力)。

1.2 當(dāng)λ=1時安全特性參數(shù)臨界值

1.2.1 塑性區(qū)半徑Rp

1)無支護(hù)

(2)

2)有支護(hù)(Pi為支護(hù)力)

(3)

1.2.2 塑性區(qū)應(yīng)力

1)無支護(hù)

(4)

2)有支護(hù)(Pi為支護(hù)阻力)。

(5)

1.2.3 位移

(6)

1.3 當(dāng)λ≠1時安全特性參數(shù)臨界值

1)當(dāng)λ≠1時近似塑性區(qū)半徑Rp可以表達(dá)為

Rp=

(7)

2)近似塑性區(qū)應(yīng)力場

(8)

其中

式中，σcs為巖石在塑性區(qū)的抗壓強(qiáng)度；其他字符意義同上。

3)位移計(jì)算通式為

(9)

1.4 安全性判別的等效處理

1)有錨桿加固時，圍巖參數(shù)等效處理。① 圍巖內(nèi)聚力的增加；② 圍巖內(nèi)摩擦角的增大；③ 圍巖等效單軸抗壓強(qiáng)度的提高；④ 圍巖等效變形模量的增加。

2)回采巷道所受的最大應(yīng)力見式(10)。

pc=Kp0

(10)

式中：K為動壓作用引起的綜合應(yīng)力集中系數(shù)；p0為原巖垂直應(yīng)力。

2 安全性判別解算軟件

基于巷道安全性判別準(zhǔn)則及其相應(yīng)的等效變換，利用VB.net平臺開發(fā)了巷道安全性判別解算可視化軟件，操作界面如圖1所示。根據(jù)計(jì)算巷道基本參數(shù)及支護(hù)參數(shù)，完成巷道斷面基本參數(shù)、巷道圍巖力學(xué)參數(shù)、支護(hù)參數(shù)設(shè)置后，并選擇采動影響、側(cè)壓系數(shù)后，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，即可完成巷道安全性判別參數(shù)的準(zhǔn)確解算，見圖1～4。

圖1 無采動影響巷道安全性判別計(jì)算結(jié)果(操作界面)

圖2 有采動影響巷道安全性判別計(jì)算結(jié)果

圖3 有支護(hù)無采動影響巷道安全性判別計(jì)算結(jié)果

圖4 有支護(hù)有采動影響巷道安全性判別計(jì)算結(jié)果

3 安全性判別解算結(jié)果及機(jī)理分析

3.1 安全性判別模型解算結(jié)果

本文以大屯煤電公司孔莊礦7432工作面軌道順槽為研究對象，巷道基本參數(shù)、支護(hù)參數(shù)如圖1～4所示。圖1所示巷道在無支護(hù)、無采動影響條件下，當(dāng)塑性區(qū)半徑發(fā)展到2.49m，位移達(dá)到60mm時，巷道就會失穩(wěn)；圖2所示巷道在無支護(hù)、采動影響條件下，當(dāng)塑性區(qū)半徑發(fā)展到3.30m，位移達(dá)到130mm時，巷道就會失穩(wěn)；圖3所示巷道在有支護(hù)、無采動影響條件下，當(dāng)塑性區(qū)半徑發(fā)展到2.01m，位移達(dá)到50mm時，巷道就會失穩(wěn)；圖4所示巷道在有支護(hù)、有采動影響條件下，當(dāng)塑性區(qū)半徑發(fā)展到2.59m，位移達(dá)到100mm時，巷道就會失穩(wěn)。

3.2 安全性判別模型解算結(jié)果的巖石力學(xué)機(jī)理分析

1)有采動與無采動相比，塑性區(qū)半徑和位移均有不同程度的增加，塑性區(qū)切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力保持不變。表明采動不會影響圍巖應(yīng)力狀態(tài)，只會影響圍巖塑性區(qū)范圍及位移；從巖體變形破壞及深部巖體儲存彈性能的釋放來講，采動應(yīng)力導(dǎo)致圍巖存儲彈性變形能的緩慢釋放、巖體持續(xù)均勻變形、巷道失穩(wěn)表現(xiàn)出漸變性，裂隙經(jīng)歷了發(fā)生→發(fā)展→發(fā)育→滑移錯動的全過程；機(jī)理表現(xiàn)在塑性區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生了較多的非臨界擴(kuò)容裂隙，當(dāng)臨界裂隙產(chǎn)生時誘導(dǎo)圍巖體發(fā)生離層斷裂破壞、巷道失穩(wěn)。

2)有支護(hù)與無支護(hù)相比，塑性區(qū)半徑和位移均有明顯減小，應(yīng)力有所增大。表明錨桿支護(hù)作用在于增強(qiáng)圍巖的整體性、改變圍巖體的受力狀態(tài)(將巷道開挖卸荷巖體的單向受力變成雙向或三向受力)；機(jī)理表現(xiàn)在通過增加巖體的圍壓，提高其抵抗變形破壞的能力；徑向和切向應(yīng)力的增大提高了巖體結(jié)構(gòu)面之間的摩擦力及圍巖塊體之間的夾制力，提高了巷道圍巖體的自撐能力，約束了塑性區(qū)的發(fā)展和位移的增大。

3)巷道的失穩(wěn)破壞是由圍巖體的變形超臨界導(dǎo)致的，而不是應(yīng)力超臨界導(dǎo)致的；應(yīng)力是變形破壞的動力，巷道失穩(wěn)是圍巖變形累積效應(yīng)的結(jié)果。

4 結(jié)論

1)巷道安全性判別模型的解算結(jié)果及機(jī)理分析揭示了深井圍巖的力學(xué)現(xiàn)象。①采動導(dǎo)致深井圍巖體彈性變形能的緩慢釋放和裂隙的均勻分布；②支護(hù)體約束了塑性區(qū)的發(fā)展，改善了應(yīng)力狀態(tài)，提高了巷道破壞的臨界應(yīng)力值，但巷道失穩(wěn)時會發(fā)生彈性變形能的突然釋放。

2)判別模型解算結(jié)果映證了巷道圍巖破壞是變形超臨界，而不是應(yīng)力超臨界。

3)深部巷道安全性判別模型及其等效變換科學(xué)合理，能為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論參考，為巷道的安全預(yù)警提供定量化指標(biāo)。

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