深層軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

駢麗軍

（晉煤集團(tuán)沁秀公司坪上煤業(yè)有限公司，山西晉城048200）

為滿足我國(guó)對(duì)煤炭的需求，開采深層煤炭成為現(xiàn)在煤炭行業(yè)需要面對(duì)的問題。由于深層煤礦圍巖的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)致在巷道掘進(jìn)時(shí)可能會(huì)挖掘到穩(wěn)定性低的軟弱類型巖層。目前最難解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一就是控制好深層采煤巷道的變形問題。針對(duì)以上問題，對(duì)深層軟巖巷道支護(hù)進(jìn)行了深入研究[1-3]。

1 深層軟巖對(duì)巷道變形的影響

影響巷道的穩(wěn)定性的因素，有很大方面是取決于圍巖本身和巷道與圍巖之間的關(guān)系。巷道是在原巖上挖掘的，挖掘巷道后，原巖的結(jié)構(gòu)遭到破壞，圍巖在張力的作用下，壓力和剪切應(yīng)力會(huì)隨著圍巖的深度逐漸增加。

隨著巷道的不斷深入，巷道頂部與基巖分離出的巖石通過重力作用對(duì)支撐結(jié)構(gòu)施加一個(gè)微弱的壓力，下落后產(chǎn)生微空隙。巷道墻體頂部的微空隙使得巖石很容易從周圍環(huán)境中分離出來。這些松散形式的塊狀巖石可以在巷道中自由移動(dòng)。巷道的中部層狀巖體將發(fā)生滑動(dòng)，巷道的側(cè)壁受巖體滑動(dòng)而產(chǎn)生變形。

另外，在高應(yīng)力狀態(tài)下的軟巖巷道，由于軟巖強(qiáng)度低，會(huì)在圍巖內(nèi)部產(chǎn)生圍巖松動(dòng)圓，松動(dòng)面積非常大。而圍巖與接觸面支護(hù)結(jié)構(gòu)之間間隙很小，在高壓下容易引起應(yīng)力集中。在這種情形下，支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖極易被破壞[4-7]。

2 圍巖巷道力學(xué)模型建立

通過上述對(duì)深層軟巖對(duì)巷道變形影響的分析，應(yīng)建立該類型圍巖巷道的力學(xué)模型，判斷巷道中圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化。

首先要按照常規(guī)巷道圍巖考慮彈性變形變量計(jì)算。因?yàn)樗苄詤^(qū)的彈性變形不是常量，而是隨著半徑的變化而變化[8-10]，需做如下假設(shè)：

（1）根據(jù)隧道的受力情況，將應(yīng)力分解為水平和豎直兩部分，其應(yīng)變屬于平面應(yīng)變，即受力長(zhǎng)度為∞，忽略隧道內(nèi)圍巖的重量。

（2）巷道圍巖的結(jié)構(gòu)為彈塑性，其性質(zhì)假設(shè)為理想狀態(tài)下的各向同性。

（3）巷道的側(cè)壓力為變值，其數(shù)值的大小會(huì)根據(jù)其壓力系數(shù)的增大而增大，壓力系數(shù)會(huì)參照具體的圍巖特性。

（4）圍巖巷道壓力坐標(biāo)軸采用極坐標(biāo)系，其中拉壓應(yīng)力為負(fù)值，拉應(yīng)力為正值。巷道圍巖力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 巷道圍巖力學(xué)模型

軟弱圍巖的應(yīng)力場(chǎng)可以分解為均勻支護(hù)抗力應(yīng)力場(chǎng)和圍巖施加的非均勻應(yīng)力場(chǎng)兩部分，其中：均勻支護(hù)抗力的應(yīng)力場(chǎng)為作用于巷道內(nèi)表面的均布支護(hù)抗力Q，通過梅拉公式求解得出：

式中：P——圍巖的圍壓，MPa；

λ——側(cè)壓力系數(shù)，0.8；

Q——巷道內(nèi)表面均布支護(hù)抗力，MPa；

R——彈塑性區(qū)邊界半徑，mm；

r——圓形巷道的半徑，mm；

σr——支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)塑性區(qū)內(nèi)的徑向應(yīng)變；

σθ——支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)塑性區(qū)內(nèi)切向應(yīng)變。

圍巖施加的非均勻應(yīng)力場(chǎng)，其彈塑性交界處邊界條件為(σr)r=R=0。根據(jù)圍巖力學(xué)模型邊界條件，運(yùn)用半逆解法和相容方程等積分求解，力學(xué)模型關(guān)系式可表示為：

式中：θ——壓力點(diǎn)與底板中心的夾角；

σr——圍巖應(yīng)力場(chǎng)塑性區(qū)內(nèi)的徑向應(yīng)變；

σθ——圍巖應(yīng)力場(chǎng)塑性區(qū)內(nèi)切向應(yīng)變。

通過文獻(xiàn)[5]研究，將上述支護(hù)抗力應(yīng)力場(chǎng)與圍巖非均勻應(yīng)力場(chǎng)疊加，就可以得到有關(guān)圍巖彈塑性半徑的等式。

3 軟弱圍巖支護(hù)彈性解

因?yàn)閲鷰r力學(xué)性質(zhì)惡化的主要因素是當(dāng)圍巖從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)至塑性狀態(tài)時(shí)，圍巖材料內(nèi)部發(fā)生變化，巖體內(nèi)產(chǎn)生微裂隙而導(dǎo)致巷道變形。通過計(jì)算巷道圍巖的彈塑性半徑，可以判定出圍巖支護(hù)是否滿足要求。

首先利用二向應(yīng)力狀態(tài)分析得到圍巖的主應(yīng)力分布。

式中：σ″θ——支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)徑向應(yīng)變與圍巖應(yīng)力場(chǎng)徑向應(yīng)變疊加；

σ″r——支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)徑向應(yīng)變與圍巖應(yīng)力場(chǎng)徑向應(yīng)變疊加。

利用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則，能夠準(zhǔn)確地反映出圍巖最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之間的關(guān)系，具體方程為：

式中：σci——單軸抗壓強(qiáng)度，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)其強(qiáng)度為19.5MPa；

mb——巖石材料常數(shù)，反映巖石軟硬度，取值10；

s——巖石材料常數(shù)，反映巖石破碎度，軟巖屬于易破碎巖體，取值0；

α——無量綱系數(shù)，取值0.5π。

根據(jù)某礦井圍巖現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，圍巖壓力P=-25MPa，側(cè)壓力系數(shù)λ=0.8，巷道半徑為2300mm；將圍巖巷道力學(xué)模型代入Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則，選取Q=0MPa、Q=3MPa、Q=6MPa分別表示圍巖巷道不支護(hù)、弱支護(hù)和強(qiáng)支護(hù)的情況，得到巷道圍巖內(nèi)的彈塑性半徑隨著角度的變化曲線，如圖2所示。

圖2 圍巖巷道彈塑性半徑的變化曲線

從圖2中可以看出，深層軟弱圍巖的巷道彈塑性半徑最小的角度在90°和270°時(shí)，即巷道側(cè)壁處，彈塑性半徑最大的角度在180°即拱頂位置。在沒有支護(hù)的巷道，彈塑性半徑最小值為2800mm，與巷道邊緣只有500mm，必須及時(shí)給巷道做支護(hù)。

在巷道增加3MPa和6MPa均勻支護(hù)后發(fā)現(xiàn)，其中，圍巖半徑最低點(diǎn)轉(zhuǎn)到了120°，最小值為3000mm，圍巖彈塑性半徑顯著增加，大約為16.8%。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，為保證深層軟巖巷道安全穩(wěn)定，應(yīng)提供相應(yīng)的支護(hù)，支護(hù)位置優(yōu)先選擇巷道側(cè)面與120°圓弧處。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

針對(duì)上述理論計(jì)算，對(duì)某礦井的軟弱圍巖巷道進(jìn)行支護(hù)實(shí)驗(yàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用U型鋼拱架與錨噴共同支護(hù)的形式。拱架分為三片，分別支護(hù)在巷道兩側(cè)及拱頂處。具體布置如圖3所示。

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確真實(shí)，檢定員會(huì)每天下井對(duì)圍巖巷道檢測(cè)巷道位移收斂量，并計(jì)算出每天的收斂率，具體數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

圖3 巷道圍巖試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▎挝唬簃m）

圖4 試驗(yàn)巷道收斂量

圖5 試驗(yàn)巷道收斂率

從圖4、圖5中可以看出，巷道變形周期大約為7周，7周后趨于穩(wěn)定，從巷道收斂量來看，巷道變形量最大值為20mm，同兩幫和頂板的變形量比較接近，說明巷道變形在其支護(hù)下得到了穩(wěn)定控制。

從圍巖收斂變形率來看，巷道變形在前10d收斂率逐漸升高，到第16d時(shí)達(dá)到最大值，最大收斂率為1.5%，隨后收斂速率顯著下滑，并在第49d趨近于零。說明該類型支護(hù)能夠有效降低深層軟巖巷道的收斂速度。

5 結(jié)論

在分析了深層軟巖對(duì)巷道的影響后，以局部支護(hù)條件下的圓形巷道截面建立了力學(xué)模型，對(duì)圍巖的彈塑性半徑進(jìn)行了分析計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于某礦井的深層軟巖巷道。得到如下結(jié)論：

（1）圍巖的彈塑性半徑是巷道可能被破壞的主要決定因素，巷道內(nèi)圍巖的剝落、底面鼓起等破壞形式均與此有關(guān)。

（2）通過理論計(jì)算，增加軟巖巷道兩側(cè)面及120°拱頂?shù)闹ёo(hù)，可有效地增加巷道的彈塑性半徑，提高巷道的穩(wěn)定性。

（3）依據(jù)深層軟巖變形的彈性解，將錨噴結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某礦井巷道，試驗(yàn)結(jié)果顯示，該類方式支護(hù)的巷道，收斂變形量較小，有效控制了巷道變形。