置孔釋壓支護(hù)材料孔型排列方式研究

張 博，李彥斌,2，韋慶量，谷 攀

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 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)

隨著煤礦開采深度逐年增加，深部越來越多的巷道在高地應(yīng)力、松散軟弱的巖層中掘進(jìn)[1-4]，傳統(tǒng)剛性支護(hù)變形協(xié)調(diào)性差，支護(hù)強(qiáng)度低，難以適應(yīng)深部高應(yīng)力軟巖巷道變形特點(diǎn)，極易出現(xiàn)錨桿(錨索)滑脫折斷、錨網(wǎng)破網(wǎng)、U型鋼支架扭曲變形等現(xiàn)象，迫使企業(yè)投入大量人力物力對巷道進(jìn)行多次翻新維護(hù)[5-9]。為有效控制圍巖變形，降低深部高應(yīng)力軟巖巷道返修率，李彥斌教授提出了置孔釋壓一次成巷支護(hù)技術(shù)[10-12]，孫雁新、吳智勇等又分別從孔形選擇與材料布置形式等方面對置孔釋壓材料做了改進(jìn)研究[13-14]。但目前置孔釋壓支護(hù)技術(shù)仍有不足之處，需要完善提升。

從巷道能量轉(zhuǎn)化角度闡述了置孔釋壓支護(hù)原理，并基于孔距、孔徑等置孔參數(shù)對置孔釋壓材料塑性區(qū)邊界的影響，對不同孔型排列方式下的置孔釋壓材料進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確定了置孔釋壓材料最佳孔型排列方式，進(jìn)一步優(yōu)化了置孔釋壓支護(hù)技術(shù)。

1 深部高應(yīng)力軟巖巷道能量轉(zhuǎn)換

在高地應(yīng)力、松散軟弱的巖層中，巖體積聚了大量原始勢能，巷道開挖擾動(dòng)打破了能量初始平衡狀態(tài)[15]，隨著圍巖內(nèi)部能量釋放，巖體在強(qiáng)度低、應(yīng)力集中、能量聚積的地方發(fā)生形狀和體積的改變，產(chǎn)生彈性或塑性變形甚至破裂崩解。M.D.G.Salamon將巖體視作均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)，列出了地下巖體能量守恒表達(dá)式：

Wc+Um=Wr+Uc

(1)

式中：Wc為地下原巖應(yīng)力因開挖擾動(dòng)而做的功；Um為挖出巖體釋放的應(yīng)變能；Wr為開挖過程中損耗的彈性能；Uc為巖體重新積聚的應(yīng)變能。

在對式(1)進(jìn)一步分析后，陶振宇[16]認(rèn)為在許多情況下，只要巖體性質(zhì)和硐體形式確定，Wc、Um與Wr可被近似認(rèn)為不變。同時(shí)，巷道等硐體在開挖過程中除損耗一部分彈性能外，還會(huì)損耗另一部分非彈性能Wn，構(gòu)筑支護(hù)措施后，支護(hù)結(jié)構(gòu)也要吸收一部分能量Wf。能量守恒公式改寫如下：

(2)

(3)

(4)

Wf+Wx=const

(5)

式中Wx為誘發(fā)巷道圍巖變形破壞的能量。

根據(jù)式(5)，增大Wf會(huì)降低能量Wx的積聚程度，從而保持圍巖穩(wěn)定。但傳統(tǒng)剛性支護(hù)需要在增加支護(hù)成本前提下，通過提高支護(hù)強(qiáng)度才能使Wf增大[17]。因此，針對深部高應(yīng)力軟巖巷道，合理的支護(hù)方式應(yīng)當(dāng)能夠有效提高支護(hù)結(jié)構(gòu)能量吸收能力，而又不必付出巨額支護(hù)成本。置孔釋壓支護(hù)正是通過設(shè)置柔性置孔釋壓材料來達(dá)到這一目的的。

2 新型置孔釋壓支護(hù)技術(shù)

2.1 置孔釋壓支護(hù)方法

置孔釋壓支護(hù)體系構(gòu)建方法如圖1所示。

圖1 置孔釋壓支護(hù)體系剖視圖

1)巷道開挖后，立即進(jìn)行錨噴支護(hù)，對圍巖進(jìn)行封堵。

2)根據(jù)圍巖應(yīng)力狀況，留足釋壓空間層，在釋壓層中放置對應(yīng)大小置孔釋壓材料。其中，置孔釋壓材料是一種新型可壓縮支護(hù)材料，由粉煤灰、 煤矸石與不飽和聚酯樹脂混合而成，在材料成型過程中通過預(yù)置一定樣式的圓孔和添加劑，使材料具有抗壓強(qiáng)度高﹑讓壓空間大﹑能量吸收性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3)在釋壓層表面架設(shè)由U型鋼支架與鋼筋網(wǎng)相互連接構(gòu)成的金屬支架層，起到強(qiáng)力支撐作用。

該方法通過上述構(gòu)架，將置孔釋壓材料緊密填充在圍巖與金屬支架之間，利用其特殊力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征實(shí)現(xiàn)與圍巖的變形協(xié)調(diào)，體現(xiàn)了圍巖—釋壓材料—支護(hù)體的協(xié)同作用原理。

2.2 置孔釋壓支護(hù)原理

在深部高應(yīng)力軟巖巷道中，當(dāng)切向應(yīng)力高于圍巖應(yīng)力時(shí)會(huì)在巷道周圍形成一部分應(yīng)力增高區(qū)，圍巖受擠壓影響而逐漸被壓密甚至壓碎，能量Wx正是在圍巖擠壓變形和破壞過程中得到積聚。置孔釋壓支護(hù)原理如圖2所示。

圖2 置孔釋壓支護(hù)原理

相較于傳統(tǒng)剛性支護(hù)，置孔釋壓支護(hù)通過合理架構(gòu)使置孔釋壓材料與巷道圍巖緊密接觸，利用釋壓材料在高應(yīng)力條件下主動(dòng)受壓變形代替部分圍巖變形，從而減小能量Wx的積聚程度。同時(shí)隨著圍巖變形對釋壓材料做功，支護(hù)結(jié)構(gòu)吸收的能量Wf得到增加，Wx進(jìn)一步降低，置孔釋壓材料經(jīng)被開始壓縮至完全壓密，可以釋放掉大部分圍巖應(yīng)力，大幅改善切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力及整體圍巖應(yīng)力環(huán)境，使巷道圍巖高應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛻?yīng)力狀態(tài)，確保圍巖與其他支護(hù)體的承載力得以有效發(fā)揮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巷道的長期穩(wěn)定。

3 置孔釋壓材料孔型排列方式選擇

3.1 置孔釋壓材料力學(xué)分析

在置孔釋壓支護(hù)系統(tǒng)中，置孔釋壓材料承擔(dān)了系統(tǒng)吸收的大部分圍巖能量，當(dāng)高應(yīng)力作用在置孔釋壓材料上時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，吸收的能量又分為兩部分[18]：

Wf=Wmf+Wsf+Wzf

(6)

Wsf=Wc+Wn

(7)

式中：Wmf、Wsf、Wzf分別為錨桿、置孔釋壓材料和金屬支架層吸收的圍巖能量；Wc、Wn分別為置孔釋壓材料塑性變形過程中儲(chǔ)存和消耗的圍巖能量。

根據(jù)式(7)，若置孔釋壓材料自身塑性區(qū)越大，則其變形吸收消耗的圍巖能量就會(huì)越小。因此，置孔釋壓材料自身塑性區(qū)大小成為影響其支護(hù)效果的直接原因。為便于分析材料塑性邊界特點(diǎn)，建立置孔釋壓材料力學(xué)模型，如圖3所示。設(shè)其所受壓力為p，測壓系數(shù)為λ，所置圓孔半徑均為r，相鄰圓孔間距分別為d1、d2、d3。

圖3 置孔釋壓材料力學(xué)模型圖

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，若相鄰圓孔孔距d1、d2、d3均超過2倍影響半徑R，則預(yù)置圓孔之間不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng)。置孔影響半徑計(jì)算公式如下：

(8)

則極坐標(biāo)下置孔釋壓材料預(yù)置圓孔附近任意一點(diǎn)(a、θ)處的切向應(yīng)力σt、徑向應(yīng)力σr、剪應(yīng)力τtr為：

(9)

將式(9)代入Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則中，經(jīng)過推導(dǎo)可得出無應(yīng)力疊加狀態(tài)下置孔釋壓材料自身塑性區(qū)邊界隱性方程[19]：

(10)

式中C、φ分別為置孔釋壓材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

根據(jù)式(10)，當(dāng)置孔釋壓材料所受壓力及自身屬性(黏聚力和內(nèi)摩擦角)一定時(shí)，改變其孔型排列方式，材料塑性區(qū)邊界會(huì)跟隨所置圓孔的孔距、孔徑等變化而發(fā)生改變，但塑性區(qū)邊界計(jì)算過程過于繁瑣，從力學(xué)角度無法直接推算究竟何種孔型排列方式的置孔釋壓材料塑性區(qū)分布范圍最小，支護(hù)效果最佳。

3.2 不同孔型排列方式實(shí)驗(yàn)對比

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)釋壓材料圓孔預(yù)置參數(shù)公式(11)的要求，按圖4制作6種不同孔型排列方式的置孔釋壓材料，分組測定抗壓強(qiáng)度及可連續(xù)變形量。

l1l2l3ω=nπr2li

(11)

式中：l1、l2與l3分別為置孔釋壓材料的3個(gè)邊長，為降低尺寸效應(yīng)干擾，本次實(shí)驗(yàn)材料邊長均取100 mm；ω為置孔率，取0.35；n為孔數(shù)；li為置孔深度，取l1、l2或l3。

(a)單孔排列(b)三角形排列 (c)正方形排列

(d)菱形排列(e)梅花形排列 (f)長方形排列

每種孔型排列方式的試件3塊為一組，依次用JL-WAW60伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。其中正方形排列方式的置孔釋壓材料實(shí)驗(yàn)過程如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，實(shí)驗(yàn)初期，圓孔飽滿未發(fā)生明顯改變，材料僅依靠自身強(qiáng)度就可抵抗壓力作用；當(dāng)壓力加載至27 MPa時(shí)，圓孔出現(xiàn)變形，材料開始釋壓，此狀態(tài)標(biāo)志著材料已達(dá)自身強(qiáng)度極限，見圖5(b)；隨著加載范圍不斷擴(kuò)大，材料承受壓力越來越高，圓孔出現(xiàn)了明顯變形,見圖5(c)；當(dāng)壓力加載至 36 MPa 時(shí)，圓孔閉合程度接近一半，材料逐漸被壓實(shí)，釋壓能力變?nèi)?見圖5(d)。

(a)22 MPa (b)27 MPa

(c)31 MPa (d)36 MPa

同理，對其他孔型排列方式的置孔釋壓材料進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)觀察，6組材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 不同排列方式的置孔釋壓材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖6可知：無論采用何種孔型排列方式，置孔釋壓材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線皆呈現(xiàn)出3個(gè)階段的“階梯狀”特征。第一階段：彈性階段，壓力作用前期，置孔釋壓材料近似呈線彈性變形；第二階段：釋壓階段，置孔釋壓材料自身強(qiáng)度小于圍巖應(yīng)力，材料壓縮變形釋放壓力；第三階段：釋壓材料被徹底壓實(shí)、破壞后，剩余壓力可通過支架承擔(dān)。研究表明：當(dāng)材料強(qiáng)度超過30 MPa時(shí)會(huì)使金屬支架等支護(hù)體產(chǎn)生較大變形，達(dá)不到支護(hù)目的；當(dāng)強(qiáng)度低于20 MPa時(shí)材料則不易產(chǎn)生連續(xù)釋壓，易出現(xiàn)沖擊破壞現(xiàn)象[20]。因此，當(dāng)可連續(xù)壓縮量無明顯區(qū)別時(shí)，在合理區(qū)間內(nèi)按照抗壓強(qiáng)度就高不就低的原則進(jìn)行判斷，正方形排列方式的置孔釋壓材料更滿足支護(hù)要求。

4 置孔釋壓支護(hù)工程實(shí)踐應(yīng)用

山西介休青云煤礦埋深680 m，020202軌道平巷屬于深部高應(yīng)力軟巖巷道，設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面寬4 000 mm，高3 850 mm，原支護(hù)方案如圖7(a)所示。

(a)原支護(hù)方案

(b)置孔釋壓支護(hù)方案

頂板：錨桿采用?20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨索采用?18.8 mm×8 500 mm鋼絞線；兩幫：錨桿采用?20 mm×1 800 mm圓鋼錨桿，錨索采用?17.8 mm×4 300 mm鋼絞線；金屬支架所用U型鋼為29 U。目前巷道出現(xiàn)明顯變形，錨桿、錨索及 U型鋼支架等支護(hù)結(jié)構(gòu)開始不同程度被損壞。

現(xiàn)采用正方形排列方式的置孔釋壓支護(hù)方案對巷道圍巖重新進(jìn)行控制，其中：頂部和兩幫全部選擇?20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，金屬支架選擇U29型鋼制作，圍巖與金屬支架間緊密充填單塊規(guī)格為200 mm×200 mm×400 mm的置孔釋壓材料，具體布置如圖7(b)所示。

兩種支護(hù)方案的巷道圍巖塑性區(qū)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示，從圖8中可以看出，原支護(hù)方案下巷道塑性區(qū)在兩幫與底板處厚度尤深，圍巖承載力嚴(yán)重下降；采用正方形排列方式的置孔釋壓支護(hù)方案后塑性區(qū)范圍縮小至圍巖淺部位置，有利于巷道的長期穩(wěn)定。

(a)原支護(hù)方案

(b)置孔釋壓支護(hù)方案

在020202軌道平巷中，對置孔釋壓支護(hù)方案下的巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏窟M(jìn)行監(jiān)測，并與原支護(hù)方案進(jìn)行比較，兩種支護(hù)方案的位移收斂計(jì)的監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

(a)原支護(hù)方案

(b)置孔釋壓支護(hù)方案

由圖9可知：原支護(hù)方案下，巷道支護(hù)35 d后盡管圍巖變形速率減小，但變形仍在持續(xù)增加，最終的巷道頂?shù)装遄冃瘟窟_(dá)89 mm，兩幫變形量達(dá)到 138 mm，變形嚴(yán)重需要及時(shí)返修；而采用正方形排列方式的置孔釋壓支護(hù)方案35 d后，圍巖變形得到有效控制，巷道頂?shù)装遄冃瘟繛?3 mm，兩幫變形量也僅為 41 mm，兩處變形量降幅均達(dá)到70%以上。因此，置孔釋壓支護(hù)能有效控制深部高應(yīng)力圍巖變形。

5 結(jié)論

1)針對深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制問題，相較于傳統(tǒng)剛性支護(hù)，置孔釋壓支護(hù)依靠置孔釋壓材料壓縮變形吸收和消耗圍巖能量，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，有效發(fā)揮出圍巖和支護(hù)體承載力，體現(xiàn)了圍巖—釋壓材料—支護(hù)體的協(xié)同作用原理，達(dá)到巷道長期穩(wěn)定目的。

2)根據(jù)材料塑性區(qū)邊界隱性方程的推導(dǎo)過程，孔距、孔徑等置孔參數(shù)都會(huì)對置孔釋壓材料的支護(hù)性能造成影響，并基于對6種不同孔型排列方式的置孔釋壓材料抗壓實(shí)驗(yàn)，分析得出正方形排列方式的釋壓材料抗壓強(qiáng)度最符合高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)要求，正方形排列方式是置孔釋壓材料的最佳孔型排列方式。

3)通過實(shí)際應(yīng)用得出，采用正方形排列方式的置孔釋壓支護(hù)方案比原剛性支護(hù)方案巷道頂?shù)装寮皟蓭褪諗孔冃瘟繙p小70%，進(jìn)一步驗(yàn)證了置孔釋壓支護(hù)的合理性。