深部動(dòng)壓巷道非對(duì)稱變形力學(xué)機(jī)制及控制對(duì)策

陳上元，宋常勝，郭志飚，王　炯,王　煬

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京　100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100083；3.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作　454000)

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深部動(dòng)壓巷道非對(duì)稱變形力學(xué)機(jī)制及控制對(duì)策

陳上元1,2，宋常勝3，郭志飚1,2，王炯1,2,王煬1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000)

摘要:為解決深部動(dòng)壓巷道支護(hù)的技術(shù)難題，以鶴煤九礦東總回風(fēng)巷為研究背景，針對(duì)東總回風(fēng)巷非對(duì)稱變形量大且難支護(hù)的問題，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、工程地質(zhì)分析、物理相似模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)巷道變形破壞機(jī)理和控制對(duì)策進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：巷道變形破壞受圍巖巖性、構(gòu)造應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力、重力、地質(zhì)構(gòu)造等多種因素影響，其變形力學(xué)機(jī)制確定為IABIIABDIIIABC型；采動(dòng)應(yīng)力造成巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的大小和方向發(fā)生了改變，是巷道產(chǎn)生非對(duì)稱變形的主要因素。通過選取針對(duì)性的控制對(duì)策將復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化為單一型，提出了“錨網(wǎng)索噴+底角錨桿+全斷面注漿+反底拱”非對(duì)稱耦合控制對(duì)策，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用。相似模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：該控制對(duì)策有效控制了圍巖非對(duì)稱變形，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞:深部動(dòng)壓巷道；非對(duì)稱變形；物理相似模擬；變形力學(xué)機(jī)制；控制對(duì)策

隨著大規(guī)模的煤炭開采，淺部資源日益減少和枯竭，礦井相繼進(jìn)入深部開采狀態(tài)[1]。隨著礦井開采深度的不斷增加，地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力顯著增加，各種非線性大變形力學(xué)現(xiàn)象愈加突出[2]，巷道圍巖大變形、流變現(xiàn)象層出不窮，巷道往往變形嚴(yán)重，需多次維護(hù)和返修，大大制約了礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。在礦山開采活動(dòng)中，由于開采的影響往往會(huì)對(duì)附近巷道形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，采動(dòng)壓力破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使巷道圍巖壓力增大并發(fā)生劇烈變形，最終可導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)。

國內(nèi)外專家學(xué)者已在動(dòng)壓巷道的應(yīng)力狀態(tài)、變形機(jī)理和控制對(duì)策方面進(jìn)行了一些研究。張華磊[3]基于彈性力學(xué)理論，建立了采動(dòng)支承壓力傳播的力學(xué)模型，分析了采動(dòng)應(yīng)力在底板中的傳播規(guī)律，并通過數(shù)值模擬和相似模擬方法模擬了煤層群采動(dòng)應(yīng)力對(duì)底板巷道的影響。陸士良等[4]通過大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，研究了巷道與上部煤柱邊緣間的水平距離、巷道與上部煤層間的垂直距離、圍巖巖性以及上部煤層開采狀況之間的關(guān)系，為巷道與上部回采空間相對(duì)位置關(guān)系的確定提供了主要依據(jù)。王其洲等[5]應(yīng)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究了動(dòng)壓影響下U型鋼架-錨索協(xié)同支護(hù)作用機(jī)理，研究結(jié)果顯示：巷道通過U型鋼架和結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索協(xié)同作用而形成了一個(gè)穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，達(dá)到了動(dòng)壓影響下巷道穩(wěn)定的目的。王衛(wèi)軍等[6]應(yīng)用理論分析、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，系統(tǒng)研究了采動(dòng)條件下底板應(yīng)力的分布和傳播規(guī)律、底板巷道的動(dòng)態(tài)變形破壞特征、失穩(wěn)機(jī)理及其控制技術(shù)，認(rèn)為超前支承壓力在底板中的傳遞對(duì)圍巖應(yīng)力分布的顯著影響是底板巷道破壞的根本原因，并提出了錨網(wǎng)索+注漿+底板錨索的控制技術(shù)?？导t普等[7]研究了高預(yù)應(yīng)力錨索在動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用，并取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)效果。然而，目前對(duì)深部動(dòng)壓巷道破壞機(jī)理和控制對(duì)策的研究仍然不夠充分，且動(dòng)壓巷道所處的地質(zhì)條件也不盡相同，缺乏系統(tǒng)的控制理論和技術(shù)。

鶴壁煤業(yè)集團(tuán)九礦新風(fēng)井東總回風(fēng)巷受地質(zhì)構(gòu)造和采動(dòng)壓力影響，巷道開掘后處于流變狀態(tài)、變形量大且表現(xiàn)為非對(duì)稱性，返修加固后仍變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了礦井通風(fēng)安全，成為制約礦井安全生產(chǎn)的主要瓶頸問題。東總回風(fēng)巷屬高應(yīng)力、強(qiáng)流變深部動(dòng)壓巷道的支護(hù)問題，傳統(tǒng)的砌碹、架棚、錨注、錨網(wǎng)噴、錨網(wǎng)索噴等支護(hù)技術(shù)已無法滿足支護(hù)要求，新的控制對(duì)策探索迫在眉睫。本文以鶴煤九礦新風(fēng)井東總回風(fēng)巷為研究背景，深入分析了巷道變形力學(xué)機(jī)制，有針對(duì)性地提出了新的耦合控制對(duì)策，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)效果。

1工程概況

鶴壁煤業(yè)集團(tuán)九礦新風(fēng)井東總回風(fēng)巷位于二1煤層下部約20 m，上端與新風(fēng)井相連，下端與-420回風(fēng)暗斜井相連，巷道全長674 m，距地面垂深為607～707 m。

該區(qū)地層西部為單斜構(gòu)造，巖層傾角較大，為20°～33°，中部及東部為龍宮向斜及龍宮背斜，巖層產(chǎn)狀變化較大，傾角變緩，為4°～6°。巷道在石炭系太原群上部及二疊系下部山西組巖層中掘進(jìn)，巖性以灰黑色砂質(zhì)泥巖、黑色泥巖及薄煤層為主。東總回風(fēng)巷周圍地質(zhì)構(gòu)造和采礦條件復(fù)雜，掘進(jìn)區(qū)段揭露DF2(傾角70°，落差15 m)和DF3(傾角75°，落差28 m)斷層，對(duì)掘進(jìn)和巷道穩(wěn)定有很大影響；上部工作面正進(jìn)行回采，采動(dòng)壓力對(duì)巷道穩(wěn)定具有一定的影響。

2變形力學(xué)機(jī)制分析

2.1變形破壞特征

東總回風(fēng)巷開掘后采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，后采用U29型鋼進(jìn)行修復(fù)加固，巷道礦壓仍顯現(xiàn)強(qiáng)烈，通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)巷道表現(xiàn)出以下幾個(gè)變形破壞特征：

(1)巷道圍巖變形量大，且表現(xiàn)為非對(duì)稱性。巷道初期采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，開掘后一直處于流變狀態(tài)。在80 d的觀測(cè)期內(nèi)，兩幫相對(duì)移近量最大為580 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大處達(dá)1 500 mm，變形明顯部位占巷道總量的1/2以上；變形具有非對(duì)稱性(圖1)，主要表現(xiàn)形式為：左側(cè)底板臌出變形，右肩頂板開裂、幫部臌出。

圖1　巷道非對(duì)稱變形Fig.1　Asymmetric deformation of roadway

(2)巷道拱肩及直墻混凝土噴層部分出現(xiàn)開裂、鼓出和脫落現(xiàn)象，裂縫角度呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)；多處出現(xiàn)“網(wǎng)兜”現(xiàn)象，嚴(yán)重處錨網(wǎng)扭曲、裂開，有碎石滾出。

(3)支護(hù)體破壞嚴(yán)重，多處錨桿斷裂失效，托盤懸空或掉落，鋼筋梯子梁也多處發(fā)生剪斷，失去支護(hù)作用。

(4)巷道底板破壞嚴(yán)重，多處底臌，底板臌出量最大達(dá)1 200 mm，局部底板中部出現(xiàn)縱向的張拉裂縫，寬處達(dá)200 mm，底板新鋪設(shè)軌道翹起，無法使用，影響了煤礦的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2變形破壞影響因素分析

通過現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)試驗(yàn)和理論分析，可總結(jié)出巷道變形破壞的影響因素有：

(1)圍巖巖性。

東總回風(fēng)巷所揭露的巖層巖性以灰黑色砂質(zhì)泥巖、黑色泥巖、及薄煤層為主，巖石強(qiáng)度低，巖性較差，且圍巖含有蒙脫石﹑伊-蒙混合物等礦物成分，圍巖遇水膨脹，容易發(fā)生崩解、泥化，從而導(dǎo)致圍巖松散破碎。

(2)地應(yīng)力和應(yīng)力環(huán)境。

東總回風(fēng)巷最大埋深達(dá)707 m，地應(yīng)力較高。另外，巷道附近空間內(nèi)有一些輔助巷道，例如：-420回風(fēng)暗斜井、-420軌道暗斜井及-420膠帶巷等，上述巷道與東總回風(fēng)巷共同形成了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，造成東總回風(fēng)巷周邊多重應(yīng)力疊加，使巷道處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中。

(3)地質(zhì)構(gòu)造和構(gòu)造應(yīng)力。

該巷道穿越巖層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周圍存在落差在10～40 m不等的斷層，且節(jié)理裂隙發(fā)育，大大破壞了圍巖的完整性，這些地質(zhì)構(gòu)造弱面改變了圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，使巷道抵御破壞的能力大大地降低。地質(zhì)構(gòu)造在影響圍巖力學(xué)參數(shù)的同時(shí)，也改變了巷道的受力環(huán)境。隨著開采深度的增加，構(gòu)造應(yīng)力顯著增加。構(gòu)造應(yīng)力具有明顯的方向性，主要體現(xiàn)在水平應(yīng)力方面，而國內(nèi)外的研究表明：水平應(yīng)力是巷道頂?shù)装遄冃纹茐牡闹饕蛩?。因此，?gòu)造應(yīng)力為巷道底臌變形提供了較大的力源。

(4)支護(hù)形式。

由于巷道底角和底板沒有采取支護(hù)措施，導(dǎo)致支護(hù)體與圍巖不耦合，使巷道底板成為釋放能量的通道，造成巷道底板圍巖應(yīng)力集中，產(chǎn)生剪切滑移破壞而底臌，進(jìn)而影響整個(gè)巷道的穩(wěn)定。

(5)采動(dòng)壓力。

煤層工作面回采以后，原有的應(yīng)力平衡被打破，上覆巖層的重量將向采空區(qū)周圍的煤巖體上轉(zhuǎn)移，從而形成了支承壓力區(qū)，分別為超前支承壓力、側(cè)向支承壓力和采空區(qū)支承壓力。支承壓力不僅會(huì)在煤體和頂板內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且還會(huì)向工作面底板深部傳遞，在底板巖層一定深度內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而影響了工作面底板巷道的穩(wěn)定性。

東總回風(fēng)巷道上部16～32 m為二1煤層底板，其上方工作面正進(jìn)行回采，斜上方為工作面之間的區(qū)段煤柱，相對(duì)位置如圖2所示。

圖2　巷道相對(duì)位置Fig.2　Relative position of roadway

在深部高應(yīng)力環(huán)境下，由于采動(dòng)壓力和煤柱集中壓力的影響，使東總回風(fēng)巷應(yīng)力水平升高，且產(chǎn)生的形變和應(yīng)力分布具有不對(duì)稱性。如圖3所示，煤柱在下方巖體產(chǎn)生了應(yīng)力集中，位移矢量場(chǎng)沿一定角度向斜下方擴(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散到在東總回風(fēng)巷時(shí)，使巷道承受了非對(duì)稱的附加應(yīng)力(圖4)，從而導(dǎo)致了東總回風(fēng)巷的非對(duì)稱變形。

圖3　煤柱下方位移矢量場(chǎng)Fig.3　Displacement vector field under coal pillar

圖4　巷道所受附加應(yīng)力示意Fig.4　Schematic diagram of additional stress on roadway

經(jīng)分析整個(gè)變形破壞過程如下：在深部高應(yīng)力環(huán)境下，由于采動(dòng)壓力的影響，較高的圍巖應(yīng)力通過頂板和兩幫傳遞到底板上，開放無支護(hù)的底板首先成為能量釋放的通道，左側(cè)底板在高應(yīng)力和非對(duì)稱附加應(yīng)力作用下發(fā)生變形，隨著底板的變形，右肩在煤柱集中應(yīng)力的作用下向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)，繼而引發(fā)了右肩的變形破壞，致使巷道表現(xiàn)出“左側(cè)底臌，右肩突出”的非對(duì)稱變形。

3巷道變形破壞相似模擬

試驗(yàn)采用YDM-C型物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主機(jī)、液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成(圖5)，系統(tǒng)模型尺寸為160 cm×160 cm×40 cm，可實(shí)現(xiàn)兩向三面主動(dòng)加載。

圖5　YDM-C型物理模型試驗(yàn)裝置Fig.5　YDM-C type physical model test devices

圖6　巷道模型Fig.6　Model of roadway

試驗(yàn)時(shí)按最大埋深707 m計(jì)算，鉛垂應(yīng)力σv=19.1 MPa，考慮到構(gòu)造應(yīng)力影響，取側(cè)壓系數(shù)λ=1.2。但由于受采動(dòng)壓力和煤柱集中壓力的影響，其圍巖應(yīng)力并不等于原巖應(yīng)力，本試驗(yàn)通過增加壓力的方式來模擬采動(dòng)壓力和煤柱集中壓力。本次試驗(yàn)支承壓力應(yīng)力集中系數(shù)取2；為了模擬煤柱集中壓力，在模型上部右側(cè)1/3總長度上施加5倍的原巖應(yīng)力，加載方式如圖7所示。因此，鉛垂方向左側(cè)2/3L上最大加載壓力σv1max=2γH=38.2 MPa，右側(cè)1/3L上最大加載壓力σv2max=5γH=95.5 MPa，水平方向最大加載壓力σhmax=2.4γH=45.8 MPa。試驗(yàn)過程中每次加載3 MPa，穩(wěn)壓2 h，觀察記錄巷道表面及圍巖變形破壞情況，圖8為不同壓力下巷道的變形破壞情況。

圖7　加載方式Fig.7　Loading way

圖8　不同加載壓力下巷道裂隙素描圖及巷道破壞情況Fig.8　Crack sketch map and damage condition of roadway under different load pressures

從圖8可以看出，在原支護(hù)方式下，當(dāng)鉛垂壓力σv1加載到24 MPa時(shí)，底板和巷道右?guī)烷_始出現(xiàn)裂隙。鉛垂壓力σv1=27 MPa時(shí)，巷道底板裂隙增多，部分裂隙延伸、貫通，巷道左底角輕度臌起，右肩漿皮出現(xiàn)脫落。當(dāng)鉛垂壓力σv1加載到30 MPa時(shí)，巷道底板裂隙持續(xù)發(fā)育并向深部擴(kuò)展，底板斷裂，右底角鼓起。巷道右肩形成多處疊加的破斷拱形裂隙，右肩部分冒落，右?guī)蛶r體向巷道內(nèi)小幅移進(jìn)，錨桿未出現(xiàn)破壞情況。當(dāng)加載壓力σv1為33 MPa時(shí)，底板裂隙進(jìn)一步增多、延伸，底板沿裂縫大塊斷裂、鼓起，底臌非常嚴(yán)重，巷道右肩進(jìn)一步破壞，右?guī)湾^桿部分失效。當(dāng)鉛垂壓力σv1達(dá)到36 MPa時(shí)，巷道表面漿皮大量破斷、脫落，底板裂隙持續(xù)擴(kuò)展，底鼓也愈加強(qiáng)烈，右?guī)蛶r體大幅向巷道內(nèi)移進(jìn)，巷道基本處于失穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)鉛垂壓力σv1加載到38.2 MPa時(shí)，漿皮呈破碎狀，底臌嚴(yán)重，最大底臌量達(dá)1 800 mm，底板基本完全破壞，破壞的外輪廓線呈反拱形；頂板形成多處破斷拱、大裂隙和離層現(xiàn)象，局部呈楔形冒落；兩肩層疊弧狀裂隙擴(kuò)展、貫通，右?guī)妥畲笞冃瘟窟_(dá)600 mm，右?guī)湾^固體嚴(yán)重破壞，錨桿作用失效，巷道完全失穩(wěn)。

從試驗(yàn)過程可以看出：由于采動(dòng)壓力和煤柱集中壓力影響下，巷道首先從左側(cè)底板和右肩(關(guān)鍵部位)發(fā)生變形、損傷，隨著壓力的增大，巷道頂板破斷、離層，局部楔形冒落；兩肩裂隙發(fā)育，右肩破壞嚴(yán)重，錨桿失效；底板基本完全破壞，底板裂隙范圍很大，最大底臌量達(dá)1 800 mm。因此，右肩和底板是巷道變形破壞的關(guān)鍵部位，需進(jìn)行關(guān)鍵部位耦合支護(hù)，使巷道圍巖受力均勻，消除巷道非對(duì)稱變形。

物理相似模擬試驗(yàn)真實(shí)客觀地反映了原支護(hù)下東總回風(fēng)巷變形破壞的整個(gè)過程及其非對(duì)稱變形破壞特征，為新支護(hù)方式的探索奠定了一定的基礎(chǔ)。

4控制對(duì)策及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1控制對(duì)策分析

通過對(duì)東總回風(fēng)巷工程地質(zhì)條件和巷道變形力學(xué)機(jī)制的綜合分析，并結(jié)合何滿潮院士的軟巖工程力學(xué)理論[9]，可確定巷道工程巖體為HJS(高應(yīng)力-節(jié)理化-膨脹性)復(fù)合型軟巖，變形力學(xué)機(jī)制為IABIIABDIIIABC復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制。

確定了巷道變形力學(xué)機(jī)制后，就要有針對(duì)性地選取相應(yīng)的控制對(duì)策將復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化為單一型變形力學(xué)機(jī)制[10]。針對(duì)東總回風(fēng)巷所具有的每一類型變形力學(xué)機(jī)制，選取以下相應(yīng)的控制對(duì)策[11-14]：

(1)預(yù)留變形空間和柔性噴層技術(shù)，允許圍巖有適當(dāng)?shù)淖冃危诒ＷC巷道穩(wěn)定的同時(shí)，使巷道圍巖變形能分層次釋放。

(2)通過關(guān)鍵部位耦合支護(hù)技術(shù)使圍巖受力均勻，消除巷道圍巖的非對(duì)稱變形。底角錨桿改善巷道底角應(yīng)力集中，切斷底板塑性滑移線，有效控制了巷道底臌；右肩錨索增強(qiáng)支護(hù)，抵抗右肩圍巖采動(dòng)附加應(yīng)力，控制巷道右肩大變形。

(3)通過錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)提高支護(hù)體整體強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，大大提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力和適應(yīng)性。

(4)采用全斷面注漿固結(jié)強(qiáng)化圍巖，改善了錨桿的著力基礎(chǔ)，有效控制水對(duì)圍巖的侵蝕作用。

(5)采用反底拱技術(shù)阻礙底板塑性區(qū)發(fā)展，與圍巖支護(hù)體形成封閉式結(jié)構(gòu)，提高了支護(hù)效果。

根據(jù)以上分析，確定鶴煤九礦新風(fēng)井東總回風(fēng)巷復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制的轉(zhuǎn)化過程(即控制對(duì)策)如圖9所示。

圖9　復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化過程Fig.9　Mechanism transformation process

因此，通過對(duì)東總回風(fēng)巷變形力學(xué)機(jī)制及控制對(duì)策的分析，確定東總回風(fēng)巷控制對(duì)策為“錨網(wǎng)索噴+底角錨桿+全斷面注漿+反底拱”耦合支護(hù)形式。

4.2支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)錨桿。

采用φ22 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距設(shè)計(jì)為700 mm×700 mm，平行布置；采用端頭錨固，每孔使用1根K2345(里)和1根Z2345(外)樹脂錨固劑進(jìn)行錨固；底角處錨桿下扎45°，為控制非對(duì)稱底臌，左側(cè)底角增加一排錨桿[15]；托盤采用木托盤和碟形鐵托盤組成的復(fù)合托盤。

(2)錨索。

錨索采用φ18.9 mm×8 000 mm低松弛應(yīng)力鋼絞線，間排距確定為1 400(2 100) mm×2 100 mm，與錨桿間隔布置；每孔采用一根K2850和2根中速Z2850錨固劑進(jìn)行錨固；為控制右肩變形[16]，左側(cè)頂板布置一排錨索，右側(cè)頂板布置兩排錨索。

(3)注漿。

注漿錨桿選用外徑φ=22 mm，壁厚φ=3.0 mm冷拔無縫鋼管，長度2 500 mm，桿體上鉆有交叉布置的φ=6 mm出漿孔，間排距1 400 mm×2 100 mm，與錨桿錨索間隔布置；注漿材料采用525礦渣硅酸鹽水泥，水灰比0.75∶1，45Be水玻璃作為速凝劑，用量為漿液質(zhì)量的3%～5%，采用單液注漿，橡膠或軟木止?jié){塞封孔，注漿壓力控制在1.5～2 MPa。

(4)反底拱。

反底拱設(shè)計(jì)為圓弧形，圓弧半徑7 630 mm，拱高500 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，水泥、砂子、石子質(zhì)量比為1∶2.15∶4，水灰比為0.62∶1。

具體支護(hù)參數(shù)如圖10所示。

圖10　支護(hù)參數(shù)Fig.10　Parameters of support

巷道的支護(hù)效果與施工過程密切相關(guān)，通過分析，確定東總回風(fēng)行的具體施工工序?yàn)椋核⒋髷嗝嬷辆蜻M(jìn)斷面→安裝頂錨桿→安裝幫、角錨桿→安裝錨索→安裝注漿錨桿→噴漿→注漿→打反底拱。

4.3反底拱力學(xué)分析

底板的穩(wěn)定對(duì)整條巷道的穩(wěn)定來說至關(guān)重要，巷道往往首先從底板開始變形、損傷，進(jìn)而引起巷道破壞。反底拱是一種底板支護(hù)的實(shí)用技術(shù)，其支護(hù)作用主要體現(xiàn)在以下2點(diǎn)[17]：① 能對(duì)底板破壞區(qū)發(fā)展起到阻礙作用，抑制底臌；② 能形成圍巖支護(hù)體的封閉式結(jié)構(gòu)，提高支護(hù)效果。

根據(jù)反底拱所處力學(xué)環(huán)境，取反底拱單位寬度建立力學(xué)模型(圖11)，反底拱受力狀態(tài)如下：底板巖層對(duì)反底拱垂直向上的作用力Py；兩幫圍巖對(duì)反底拱的作用力Q；底板錨桿和底板注漿錨桿對(duì)反底拱的垂向拉力S。根據(jù)豎直方向的力學(xué)平衡，可得如下關(guān)系式：

(1)

式中,Qy為圍巖對(duì)反底拱的作用力Q在豎直方向上的分量；Lx為巷道的寬度，取5.1 m；Lz為力學(xué)模型在巷道長軸方向選取的寬度，取2.1 m。

圖11　反底拱力學(xué)模型Fig.11　Mechanics model of inverted arch

反底拱所受作用力當(dāng)中，底板巖層對(duì)反底拱垂直向上的作用力Py是造成巷道底臌的動(dòng)力，對(duì)底板的穩(wěn)定性起到破壞作用；底板錨桿和底板注漿錨桿對(duì)反底拱垂直向下的拉力S抑制了巷道底臌，對(duì)反底拱的穩(wěn)定性起到積極作用；巷道兩幫圍巖對(duì)反底拱垂直向下的壓力Qy亦對(duì)底板的穩(wěn)定與平衡也起到積極作用。從上述可以看出，反底拱支護(hù)技術(shù)的優(yōu)越之處就在于：兩幫圍巖對(duì)反底拱的擠壓力可以對(duì)底板的穩(wěn)定與平衡起到積極作用。

底板設(shè)計(jì)每排3根錨桿(排距700 mm)和5根注漿錨桿(排距2 100 mm)，錨桿極限拉力為263 kN，注漿錨桿的極限拉力為182 kN，因此，在每2.1 m厚度巷道內(nèi)錨桿和注漿錨桿對(duì)反底拱的垂向拉力S計(jì)算得：

S=263×9×cos45°+182(2cos60°+

2cos30°+1)=2 353kN

即錨桿和注漿錨桿為巷道底板提供的支護(hù)反力P=S/LxLz=0.22 MPa。

根據(jù)芬納(Fenner)公式[18]，計(jì)算出此支護(hù)反力下的塑性區(qū)范圍為

(2)

式中，RP為塑性區(qū)半徑，m；R0為開挖圓半徑，m；P0為原巖應(yīng)力，MPa；φ為圍巖黏摩擦角，(°)；c為圍巖內(nèi)聚力，MPa；P為支護(hù)反力，MPa。

由理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)可知P0=17.5 MPa，R0=2.55 m，φ=32°，c=4.1 MPa，P=0.22 MPa，代入式(2)計(jì)算得RP=3.2 m，即巷道塑性區(qū)深度L=RP-R0=0.65 m，可見巷道塑性區(qū)均在錨桿錨固范圍內(nèi)。

巷道周邊的位移公式如下：

(3)

式中，u為巷道表面位移，m；G為圍巖剪切模量，MPa。

代入數(shù)據(jù)解得u=0.026 m，即巷道表面位移為26 mm，滿足巷道的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要。

從上述可知，反底拱結(jié)構(gòu)保證了鶴煤九礦東總回風(fēng)巷底板巖層的穩(wěn)定，反底拱結(jié)構(gòu)是一種可行的設(shè)計(jì)。

5圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

5.1模擬效果分析

以鶴煤公司九礦東總回風(fēng)巷為背景，應(yīng)用YDM-C型物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)“錨網(wǎng)索噴+底角錨桿+全斷面注漿+反底拱”耦合控制對(duì)策的支護(hù)效果進(jìn)行了分析，其工程地質(zhì)模型、模型參數(shù)和加載方式同前，相似模擬結(jié)果如圖12所示。

圖12　新控制對(duì)策下相似模擬結(jié)果Fig.12　Results of similar simulation under the new control countermeasure

由相似模擬監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：當(dāng)加載壓力達(dá)到σv1=38.2 MPa，σv2=95.5 MPa，σh=45.8 MPa時(shí)，兩幫移近量為45 mm，頂?shù)装逡平繛?2 mm，巷道圍巖僅出現(xiàn)微小裂隙，局部漿皮脫落，巷道穩(wěn)定性顯著提高，巷道圍巖與支護(hù)體達(dá)到了耦合，有效控制了圍巖變形，達(dá)到了巷道穩(wěn)定的目的。

5.2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)巷道表面位移，此次監(jiān)測(cè)布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)期為100 d。

圍巖位移-時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線(圖13)顯示：支護(hù)后20 d內(nèi)，巷道圍巖處于劇烈變形階段，支護(hù)后20～58 d內(nèi)，隨著支護(hù)體與巷道圍巖逐漸達(dá)到耦合狀態(tài)，巷道變形逐漸趨于平緩，支護(hù)58 d以后巷道圍巖進(jìn)入變形穩(wěn)定期。最終，鶴煤九礦東總回風(fēng)巷兩幫收縮量為30.7 mm，底臌量為35 mm，頂板下沉量為22 mm。可見新的控制對(duì)策有效控制了巷道圍巖非對(duì)稱變形，取得了良好的支護(hù)效果。

圖13　新控制對(duì)策下巷道圍巖位移-時(shí)間變化曲線Fig.13　Displacement-time curves of roadway surrounding rock under the new control countermeasure

6結(jié)論

(1)圍巖巖性、地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、采動(dòng)壓力和支護(hù)形式等是巷道變形破壞的主要因素，其變形力學(xué)機(jī)制確定為IABIIABDIIIABC復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制；采動(dòng)應(yīng)力造成巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的大小和方向發(fā)生改變，從而導(dǎo)致了巷道的非對(duì)稱變形。

(2)原支護(hù)物理相似模擬顯示：在采動(dòng)壓力和煤柱集中壓力影響下，巷道首先從左側(cè)底板和右肩發(fā)生變形、損傷。巷道左側(cè)底板和右肩為巷道變形破壞的關(guān)鍵部位，必須進(jìn)行關(guān)鍵部位耦合支護(hù)，使巷道圍巖受力均勻，消除巷道非對(duì)稱變形。

(3)針對(duì)IABIIABDIIIABC復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制，選取相應(yīng)的支護(hù)對(duì)策將其轉(zhuǎn)化為單一型變形力學(xué)機(jī)制，提出了“錨網(wǎng)索噴+底角錨桿+全斷面注漿+反底拱”非對(duì)稱耦合控制對(duì)策。

(4)相似模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：“錨網(wǎng)索噴+底角錨桿+全斷面注漿+反底拱”耦合控制對(duì)策有效控制了深部動(dòng)壓軟巖巷道的非對(duì)稱變形，使巷道穩(wěn)定性顯著提高，取得了良好的支護(hù)效果。

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Asymmetric deformation mechanical mechanism and control countermeasure for deep roadway affected by mining

CHEN Shang-yuan1,2，SONG Chang-sheng3，GUO Zhi-biao1,2，WANG Jiong1,2，WANG Yang1,2

(1.SchoolofMechanics&CivilEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing)，Beijing100083，China；2.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，Beijing100083，China；3.SchoolofEnergyScienceandEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454000，China)

Abstract:In order to solve the technical problem of roadway support under deep dynamic stress,using the background of the east main ventilation roadway in Hebi No.9 Coal Mine and its problems of large asymmetric deformation and hard supporting,the deformation failure mechanism of roadway and its control countermeasure are investigated by combining the research methods of field investigation, engineering geological analysis and physical analog simulation as well as field tests.The obtained results indicate that the deformation failure of roadway is influenced by the surrounding rock lithology,tectonic stress,mining stress,gravity,geological structure and other factors.Its deformation mechanism is determined as type of IABIIABDIIIABC.The mining-induced stress is the main factor for roadway asymmetric deformation because it can change the value and direction of surrounding rock stress field.Choosing the specific control countermeasure to transform the compound deformation mechanism into a single type,the asymmetric coupling control countermeasure of “bolt-mesh-cable-shotcrete+floor-bolt+whole-setion-grouting+inverted-arch” is proposed and then applied at Hebi No.9 Coal Mine.The results of analog simulation and field monitoring show that the control strategy is effective in controlling the asymmetric deformation of surrounding rock and a good effect of field application is achieved.

Key words:deep roadway affected by mining；asymmetric deformation；physical similar simulation；deformation mechanical mechanism；control countermeasure

中圖分類號(hào):TD353

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2016)01-0246-09

作者簡(jiǎn)介:陳上元(1986—)，男，河南范縣人，博士研究生。E-mail：CSYmining@163.com

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金面上基金資助項(xiàng)目(51479195)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51404278)

收稿日期:2015-03-18修回日期:2015-06-15責(zé)任編輯:常琛

陳上元，宋常勝，郭志飚，等.深部動(dòng)壓巷道非對(duì)稱變形力學(xué)機(jī)制及控制對(duì)策[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(1):246-254.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.0350

Chen Shangyuan，Song Changsheng，Guo Zhibiao,et al.Asymmetric deformation mechanical mechanism and control countermeasure for deep roadway affected by mining[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):246-254.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.0350