不同側(cè)壓系數(shù)下深部軟巖巷道穩(wěn)定性分析及控制

黃 肖 阮懷寧 王小偉 許方領(lǐng)

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省南京市，210098；2.河海大學(xué)江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇省南京市，210098)

隨著開(kāi)采深度的增加，煤巖體中存在的復(fù)雜地應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響尤為突出。深部巷道出現(xiàn)的圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍加大，斷面顯著收斂，圍巖持續(xù)蠕變等現(xiàn)象，均與地應(yīng)力有著直接或間接的關(guān)系。側(cè)壓系數(shù)作為描述地應(yīng)力狀態(tài)的一個(gè)物理量，反映巖體內(nèi)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值，對(duì)于對(duì)應(yīng)力敏感性強(qiáng)的深部軟巖巷道穩(wěn)定性有著極為重要的影響。本文以邢東礦1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)為研究對(duì)象，理論分析不同側(cè)壓系數(shù)下巷道周邊應(yīng)力及沿水平方向剪應(yīng)力的分布規(guī)律，采用FLAC3D軟件研究不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖的畸變破壞程度和塑性區(qū)的響應(yīng)特征，揭示深部軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)制，針對(duì)性提出“密集長(zhǎng)錨桿索+強(qiáng)金屬網(wǎng)+二次噴漿”的綜合支護(hù)方案，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

1 工程條件及變形破壞特征

1.1 工程概況

1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)先平行于軌道大巷沿巖層掘進(jìn)，后與運(yùn)料巷貫通，全長(zhǎng)156 m，埋深795～815 m。1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)圍巖主要以粉砂巖、細(xì)砂巖和泥巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，泥質(zhì)膠結(jié)。1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)圍巖巖性較差，易在工程擾動(dòng)及高地應(yīng)力作用下發(fā)生變形破壞。1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)起始段附近存在1條落差為4 m的斷層，在掘進(jìn)過(guò)程中又揭露1條落差為6 m的斷層。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)約為1.08～1.91。

1.2 原支護(hù)形式及變形破壞特征

1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)斷面形狀為直墻半圓拱，巷道尺寸4.8 m×3.8 m(寬×高)。支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)形式，具體參數(shù)如下：頂、幫錨桿均采用?22 mm×2400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；錨索采用?21.8 mm×6500 mm的鋼絞線(xiàn)錨索，間排距為2100 mm×1800 mm。1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)在原支護(hù)方案施工完成后不久出現(xiàn)了嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象：巷道斷面收縮率大，部分地段斷面形狀由直墻拱形變?yōu)榘霗E圓或其他不規(guī)則形狀；圍巖嚴(yán)重破碎，網(wǎng)兜、擴(kuò)容現(xiàn)象明顯；支護(hù)體嚴(yán)重變形扭曲，甚至破壞，鋼筋網(wǎng)與托盤(pán)連接處多處被撕裂，頂錨桿主要以受拉和剪切方式破壞，幫錨桿則以剪切破壞為主，金屬網(wǎng)的撕裂以拉斷為主；巷道斷面交岔點(diǎn)出現(xiàn)剪切破壞，斷層附近頂板更加破碎，形成網(wǎng)兜。

2 不同側(cè)壓系數(shù)下直墻拱形巷道圍巖應(yīng)力及變形分析

2.1 直墻拱形巷道圍巖應(yīng)力近似解

根據(jù)彈性力學(xué)理論，求解巷道圍巖應(yīng)力時(shí)可視為無(wú)限區(qū)域內(nèi)含孔的平面應(yīng)變問(wèn)題。對(duì)于直墻拱形等非圓形巷道，需將巷道外域映射到單位圓內(nèi)域進(jìn)行處理，但直墻拱形的映射函數(shù)目前無(wú)法精確獲得。通過(guò)將直墻拱形巷道斷面簡(jiǎn)化為對(duì)稱(chēng)六邊形，然后進(jìn)行保角變換，校核邊界條件及確定相關(guān)函數(shù)等，可得出直墻拱形巷道圍巖應(yīng)力近似解的極坐標(biāo)表達(dá)式：

式中：σρ——徑向正應(yīng)力；

σφ——環(huán)向正應(yīng)力；

τρφ——切應(yīng)力；

ρ——單位圓域內(nèi)的半徑；

α、α1、R——與巷道尺寸相關(guān)的常數(shù)；

φ0(ζ)、ψ0(ζ)——邊界條件確定的相關(guān)函數(shù)；

w(ζ)——簡(jiǎn)化的直墻拱形巷道外域映射到單位圓內(nèi)域的映射函數(shù)。

2.2 不同側(cè)壓系數(shù)下圍巖應(yīng)力及變形分析

邢東礦1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)尺寸參數(shù)及應(yīng)力邊界條件如下：底板寬度4.8 m，簡(jiǎn)化的頂板寬度1.0 m，總高度3.8 m，拱高2.4 m；巷道埋深約810 m，取上覆巖層平均容重25 kN/m3，可得無(wú)窮遠(yuǎn)處施加的垂向應(yīng)力為20.25 MPa；側(cè)壓系數(shù)為λ；假定巷道表面無(wú)支護(hù)。將各參數(shù)帶入相應(yīng)公式，即可得到直墻拱形巷道圍巖應(yīng)力。

巷道圍巖邊界徑向及切應(yīng)力為0，在不同側(cè)壓系數(shù)下，環(huán)向應(yīng)力集中系數(shù)自底板、幫部至頂板的分布曲線(xiàn)如圖1所示。φ介于-90°～90°之間表示底板中點(diǎn)到頂板中點(diǎn)的圍巖邊界，縱坐標(biāo)正值表示圍巖受壓，負(fù)值表示圍巖受拉。由圖1可知，當(dāng)λ<1時(shí)，圍巖邊界拱頂中點(diǎn)出現(xiàn)拉應(yīng)力，拱肩壓應(yīng)力集中系數(shù)較大，因而處于中間區(qū)域圍巖易沿剪切滑移面變形；當(dāng)λ1時(shí)，底板、巷幫中點(diǎn)附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，易出現(xiàn)片幫和底鼓，拱頂、底角壓應(yīng)力較大，且應(yīng)力集中系數(shù)隨λ的增加而增大；當(dāng)λ足夠大時(shí)，圍巖邊界拉應(yīng)力區(qū)域由巷幫擴(kuò)展至拱肩； 1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)側(cè)壓系數(shù)約為1.2，拱肩和底角壓應(yīng)力集中系數(shù)分別約為4.8和2.5，處于兩關(guān)鍵部位間的巷幫圍巖在兩端高壓應(yīng)力作用下向自由面擠出，易產(chǎn)生大變形。

圖1 巷道圍巖邊界應(yīng)力集中系數(shù)分布圖

不同側(cè)壓系數(shù)下，巷道圍巖剪應(yīng)力集中系數(shù)沿水平線(xiàn)分布如圖2所示。ρ為映射單位圓域內(nèi)的半徑，表示圍巖深度自無(wú)窮遠(yuǎn)處至淺部。由圖2可知，巷道淺部圍巖剪應(yīng)力最大，集中程度與水平和垂直應(yīng)力的差值(主應(yīng)力差)呈正相關(guān)，隨著向圍巖深部延伸剪應(yīng)力逐漸減小至消失；1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)剪應(yīng)力集中系數(shù)約為0.6，圍巖因抗剪強(qiáng)度較低易發(fā)生剪切破壞。

玳瑁眼鏡聽(tīng)得有些感動(dòng)，起身踱了幾步：實(shí)話(huà)說(shuō)吧，我們是劉英領(lǐng)導(dǎo)的浙南游擊隊(duì)一部，前幾天從麗水遂昌一帶運(yùn)動(dòng)到龍游，本想襲擊鬼子搞些槍支彈藥，沒(méi)想剛動(dòng)手就引來(lái)大批鬼子，慌亂中逃到蘭江邊，被藏在草叢中的船工救了過(guò)江。

圖2 巷道圍巖剪應(yīng)力集中系數(shù)分布圖

3 不同側(cè)壓系數(shù)下深部巖巷圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型的建立

模擬對(duì)象為邢東礦1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)，模型尺寸59 m×40 m×46 m(長(zhǎng)×寬×高)，直墻拱形巷道斷面，尺寸為4.8 m×3.8 m(寬×高)。選取y軸正方向?yàn)橄锏谰蜻M(jìn)方向，x、z軸方向分別為巷道寬度和高度方向。模型上部為應(yīng)力邊界條件，施加19.66 MPa的均布載荷，底部邊界垂直方向固定，左右邊界為位移邊界條件。圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾—庫(kù)侖模型，煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

模擬方案主要是計(jì)算分析側(cè)壓系數(shù)λ分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0時(shí)，巷道開(kāi)挖引起的圍巖偏應(yīng)力第二不變量與塑性區(qū)的分布特征。

3.2 圍巖偏應(yīng)力第二不變量的分布特征

偏應(yīng)力第二不變量反映物體變形狀態(tài)的實(shí)質(zhì)，同時(shí)也表征物體剪應(yīng)力和畸變能的大小，是衡量煤巖體介質(zhì)屈服和破壞的綜合性指標(biāo)。設(shè)σi(i=1，2，3)為圍巖中任意一點(diǎn)的3個(gè)主應(yīng)力分量，且σ1σ2σ3，則偏應(yīng)力第二不變量J2可由下式表示：

(3)

不同側(cè)壓系數(shù)下圍巖偏應(yīng)力第二不變量分布規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，圍巖偏應(yīng)力第二不變量隨深度增加均先迅速增大后緩慢減小最終趨于穩(wěn)定；λ越大時(shí)，頂、底板巖層偏應(yīng)力第二不變量峰值及其所處圍巖深度越大，且峰后曲線(xiàn)間較離散，表明頂、底板巖層對(duì)水平應(yīng)力敏感性強(qiáng)，易產(chǎn)生剪應(yīng)力集中和畸變能積聚，且向深部圍巖轉(zhuǎn)移；巷幫偏應(yīng)力第二不變量隨λ的變化規(guī)律與頂、底板相反，表明垂直應(yīng)力顯著影響巷幫圍巖的變形破壞；錨桿(索)錨固端應(yīng)避免布置在偏應(yīng)力第二不變量峰值所在圍巖附近，因?yàn)殂@孔打入會(huì)使圍巖內(nèi)高畸變能釋放，局部圍巖塑性裂化，錨固端可能失去穩(wěn)定的錨固基礎(chǔ)；1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)頂、底板及巷幫偏應(yīng)力第二不變量峰值所在圍巖深度約為5.0 m、4.0 m和4.2 m，為錨桿索長(zhǎng)度的選擇提供了參考。

圖3 不同側(cè)壓系數(shù)下圍巖偏應(yīng)力第二不變量分布圖

3.3 圍巖塑性區(qū)分布特征

不同側(cè)壓系數(shù)條件下，深部巖巷圍巖塑性區(qū)分布特征如圖4所示。由圖4可以看出，λ<1時(shí)，圍巖塑性區(qū)形態(tài)近似倒梯形，底板因承擔(dān)巷幫向下傳遞的巨大垂向應(yīng)力而出現(xiàn)不同程度拉應(yīng)力集中；隨著λ增大趨向1，頂、底板圍巖塑性區(qū)向深部擴(kuò)展，底板拉應(yīng)力區(qū)域不斷減小，表明最大主應(yīng)力為垂向應(yīng)力時(shí)易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象；λ=1時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)分布均勻，呈直墻拱形，底板仍會(huì)出現(xiàn)小區(qū)域的拉應(yīng)力；λ1時(shí)，圍巖塑性區(qū)形態(tài)類(lèi)似橢圓，頂?shù)装逅苄悦娣e比巷幫圍巖大；隨著λ不斷增大，頂?shù)装遢^直墻圍巖塑性擴(kuò)展顯著，且直墻圍巖剪應(yīng)力區(qū)域不斷減?。划?dāng)λ進(jìn)一步增大后，底板巖層在高水平應(yīng)力擠壓作用下會(huì)出現(xiàn)小區(qū)域拉應(yīng)力。1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)幫部圍巖塑性區(qū)深度約2.4 m，與原支護(hù)錨桿長(zhǎng)度相同，錨桿因無(wú)穩(wěn)定的錨固基礎(chǔ)易失效。

圖4 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)分布圖

4 深部巖巷圍巖控制機(jī)理與技術(shù)

4.1 深部巖巷穩(wěn)定性控制原理

根據(jù)邢東礦1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)的變形破壞特征以及理論和數(shù)值模擬分析結(jié)果，認(rèn)為深部軟巖巷道圍巖及支護(hù)體變形破壞機(jī)制為：深部巷道開(kāi)挖引起淺部圍巖剪應(yīng)力集中，同時(shí)促使一定深度內(nèi)的圍巖積聚高畸變能，在周邊集中應(yīng)力作用下淺部圍巖發(fā)生剪切破壞，引起巖層錯(cuò)動(dòng)和離層，給較深處圍巖高畸變能釋放提供位移空間，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖大范圍擴(kuò)容變形，在支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，巷道斷面大幅度收縮，淺部圍巖嚴(yán)重破碎，極易產(chǎn)生網(wǎng)兜現(xiàn)象；同時(shí)，普通錨桿因長(zhǎng)度較短、抗剪強(qiáng)度弱而無(wú)法適應(yīng)大變形及高剪應(yīng)力而出現(xiàn)被拉出、剪斷等現(xiàn)象。因此，采取合理支護(hù)措施提高淺部圍巖承載強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并適度釋放較深處圍巖高畸變能，是實(shí)現(xiàn)此類(lèi)巷道圍巖穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵。

針對(duì)性提出“密集長(zhǎng)錨桿索+強(qiáng)金屬網(wǎng)+二次噴漿”的深部巖巷圍巖控制技術(shù)，即形成多層次承載結(jié)構(gòu)，圍巖適度讓壓，增強(qiáng)錨固區(qū)圍巖強(qiáng)度，圍巖與支護(hù)體系協(xié)同作用的支護(hù)方式，主要步驟如下：

(1)形成多層次承載結(jié)構(gòu)。巷道開(kāi)挖后及時(shí)噴射混凝土漿液，減弱剪應(yīng)力對(duì)淺部巖層的剪切作用；錨入預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨桿在圍巖內(nèi)形成壓縮承載拱，抵抗較深處圍巖高畸變能誘發(fā)的擴(kuò)容變形；施加預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索，與錨桿群形成的強(qiáng)承載壓縮拱相互組合；鋪設(shè)金屬網(wǎng)掛鋼筋梁，復(fù)噴混凝土漿液增加噴層厚度，提高金屬網(wǎng)混凝土承壓拱的剛度與強(qiáng)度。

(3)圍巖與支護(hù)體系協(xié)同作用。錨桿群在巷道圍巖淺部形成高強(qiáng)度壓縮拱，向內(nèi)通過(guò)錨索與深部巖體相連，充分調(diào)動(dòng)深部圍巖承載能力，向外與金屬網(wǎng)混凝土噴層間往往存留適當(dāng)?shù)淖冃慰臻g，釋放部分圍巖畸變能；各次生承載結(jié)構(gòu)協(xié)同變形，共同維系著巷道圍巖的穩(wěn)定性。

4.2 深部巖巷圍巖控制技術(shù)

在邢東礦1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，巷道支護(hù)斷面如圖5所示。

圖5 邢東礦1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)斷面支護(hù)圖

具體支護(hù)參數(shù)為：頂幫錨桿采用?22 mm×3000 m螺紋鋼超強(qiáng)錨桿，間排距0.8 m×0.8 m，底角錨桿與水平方向呈15°，每個(gè)錨桿孔分別使用S2360和Z2360樹(shù)脂錨固劑各1卷加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊扭矩不小于450 N·m。頂錨索采用19股?21.8 mm×8500 mm鋼絞線(xiàn)，間排距2 m×1.6 m，五花眼布置；每個(gè)錨索鉆孔分別使用S2360樹(shù)脂錨固劑一卷和Z2360樹(shù)脂錨固劑兩卷，預(yù)緊力不小于120 kN。金屬網(wǎng)采用?6 mm冷拔絲鋼筋焊接而成，網(wǎng)片規(guī)格為1.1 m×1.1 m；鋼筋梁規(guī)格為?14 mm×3800 mm，采用長(zhǎng)2.6 m的14#槽鋼進(jìn)行連鎖，排距1.6 m；托盤(pán)為拱形，保證托盤(pán)一面與錨桿垂直，一面緊貼沿面。噴層采用強(qiáng)度等級(jí)為C20的混凝土漿液，巷道擴(kuò)刷后及時(shí)進(jìn)行第一噴漿，噴層厚度50 mm；施錨掛梁網(wǎng)后進(jìn)行第二次噴漿，噴層厚度50 mm；每排噴漿量為1.88 m3。

4.3 礦壓觀測(cè)

為監(jiān)測(cè)1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)的控制效果，分別在連接1126工作面運(yùn)料巷交岔點(diǎn)附近區(qū)段、車(chē)場(chǎng)中部區(qū)段、連接-760 m軌道大巷交岔點(diǎn)附近區(qū)段，設(shè)置3個(gè)測(cè)站，觀測(cè)巷道表面位移情況。觀測(cè)結(jié)果表明，支護(hù)初期圍巖變形較快，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖逐漸耦合平衡，圍巖變形速度減緩，最終趨于平穩(wěn)；運(yùn)料車(chē)場(chǎng)交岔點(diǎn)附近區(qū)段圍巖變形量較車(chē)場(chǎng)中部稍大，頂板最大下沉量為59 mm，底板最大移近量為78 mm，兩幫最大相對(duì)移近量123 mm。1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)維護(hù)期間未出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等嚴(yán)重礦壓現(xiàn)象，表明“密集長(zhǎng)錨桿索+強(qiáng)金屬網(wǎng)+二次噴漿”的綜合支護(hù)方案有效控制了邢東礦深部軟巖巷道變形破壞，保證了巷道穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文以邢東礦1126工作面運(yùn)料車(chē)場(chǎng)為背景，運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬等方法研究了不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律和變形破壞特征，從而揭示了深部巷道失穩(wěn)機(jī)制，并針對(duì)性提出深部軟巖巷道支護(hù)技術(shù)，主要得出以下結(jié)論：

(1)λ1時(shí)，底板、巷幫中點(diǎn)附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，λ足夠大時(shí)，圍巖邊界拉應(yīng)力區(qū)域由巷幫擴(kuò)展至拱肩；淺部圍巖剪應(yīng)力集中程度與主應(yīng)力差呈正相關(guān)，隨著向深部延伸剪應(yīng)力逐漸減小至消失。

(2)不同λ值下，圍巖偏應(yīng)力第二不變量隨深度增加均先增大后減小最終趨于穩(wěn)定；λ<1時(shí)，圍巖塑性區(qū)形態(tài)類(lèi)似倒梯形，最大主應(yīng)力為垂向應(yīng)力時(shí)易產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象；λ1時(shí)，圍巖塑性區(qū)形態(tài)似“豎橢圓”。

(3)深部軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)制為：開(kāi)挖引起淺部圍巖應(yīng)力集中、較深部圍巖高畸變能積聚→巖層剪切錯(cuò)動(dòng)→高畸變能釋放→擴(kuò)容大變形。

(4)提出“密集長(zhǎng)錨桿索+強(qiáng)金屬網(wǎng)+二次噴漿”的深部巖巷圍巖控制技術(shù)，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。井下試驗(yàn)表明，該技術(shù)有效控制了邢東礦深部軟巖巷道圍巖變形破壞，保證巷道穩(wěn)定。