礦山近距離交錯(cuò)巷道硐室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制研究

許 諾，侯殿坤

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

我國(guó)的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量十分豐富。有數(shù)據(jù)顯示我國(guó)礦產(chǎn)資源的總儲(chǔ)量達(dá)到了4 億噸，位居世界第三位。我國(guó)能源開采利用具有悠久的歷史，中國(guó)早在3000 年前先秦時(shí)期，在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，人們發(fā)現(xiàn)并利用了它。它是世界上第一個(gè)開采和使用礦產(chǎn)資源的國(guó)家。漢書《地理志》記載“豫章出石，可燃為薪”。宋代《天工開物》中記載著最早的井下開采方法。近現(xiàn)代我國(guó)的發(fā)展在各方面有目共睹，礦產(chǎn)資源作為工業(yè)的糧食，為國(guó)家工業(yè)建設(shè)提供了強(qiáng)有力的支撐。為保障礦產(chǎn)資源的供給能源的穩(wěn)定輸出，保證開采技術(shù)先進(jìn)和安全生產(chǎn)是一切的基礎(chǔ)，但開采過(guò)程中大多無(wú)法避免礦井巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈影響的發(fā)生，而多巷道及交叉巷道布置引起的礦壓顯現(xiàn)更為劇烈，因此完善近距離空間交錯(cuò)巷道的研究抑制礦山壓力顯現(xiàn)極為重要。

1 巷道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

在20 世紀(jì)初，很多專家學(xué)者認(rèn)為作用在硐巷圍巖上的壓力等于上覆巖體的重量。對(duì)圍巖的了解是在經(jīng)典壓力理論。然后也生產(chǎn)太沙基和普氏松散壓力理論，并認(rèn)識(shí)到圍巖支撐上的壓力遠(yuǎn)小于上覆巖石的重量，這大約是塌陷松散圓下方的圍巖質(zhì)量。它大致是塌陷的松散圓下方的圍巖質(zhì)量。采動(dòng)擾動(dòng)和塌方的高度與巷道的跨度和圍巖的巖性有關(guān)，但沒有系統(tǒng)地給出塌方拱的高度和演化形式[1]。

到1950 年代為止，基于Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則的圍巖穩(wěn)定性研究經(jīng)歷了彈塑性理論、巖性轉(zhuǎn)換理論和軸向變形理論、圍巖疏松帶理論、分區(qū)破壞理論[2]。目前，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的研究主要基于圓形等規(guī)則巷道的理論研究，對(duì)于其它形狀的巷道主要通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)。

2 復(fù)雜巷道研究發(fā)展

當(dāng)前多巷道空間布置形式的圍巖穩(wěn)定控制問題已經(jīng)得到諸多學(xué)者密切關(guān)注。雙巷間及多巷間的近距離擾動(dòng)長(zhǎng)久以來(lái)是礦山開采的難題，多巷道布局的干擾比單獨(dú)巷道更為嚴(yán)重。探索圍巖擾動(dòng)的許多因素以及相鄰巷道間距的擾動(dòng)影響，目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開展了較多的理論研究及工業(yè)試驗(yàn)。

錢鳴高[3]院士使用了雙孔物理模型試驗(yàn)，雙巷圓形巷間距控制影響理論的實(shí)踐，得出巷道擾動(dòng)應(yīng)力影響區(qū)與巷道斷面的相關(guān)。針對(duì)此類問題，陳彥光[4]進(jìn)行了補(bǔ)充研究，巷道間距控制在6 倍硐徑以外擾動(dòng)疊加影響明顯減弱，并根據(jù)巖性不同進(jìn)行巷間距調(diào)整；劉泉聲[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)測(cè)試，可以認(rèn)識(shí)到兩個(gè)相鄰巷道之間的相互干擾程度與巷道的布局有關(guān)，得出巷道位置擾動(dòng)具有時(shí)空效應(yīng)；對(duì)于巷道群的布置，闞甲廣[6]對(duì)圍巖強(qiáng)度，水平間距和垂直間距等物理因素進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明增加巖體物理力學(xué)強(qiáng)度可增加巷間抗擾動(dòng)能力； 針對(duì)巷間距控制，宋朝陽(yáng)[7]提出了三種不同間距的應(yīng)力疊加情況，分析每種情況下的圍巖穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)巷道達(dá)到平臺(tái)應(yīng)力時(shí)，巷道間的擾動(dòng)值較小，經(jīng)濟(jì)效益較高。對(duì)于深度問題，提出間距不同的三種應(yīng)力疊加情況；針對(duì)深度問題，葉洲元[8]建議巷道群的埋深是影響巷道的關(guān)鍵因素。巷道巖石層的巖石物性隨深度的增加而增加，抗壓強(qiáng)度也隨之增加。

孔德森[9]采用有限元數(shù)值分析方法,將巖土力學(xué)常用的數(shù)值分析方法分為連續(xù)變形分析方法與非連續(xù)變形分析方法對(duì)各種方法的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述所得結(jié)論對(duì)類似的巷道工程具有重要的指導(dǎo)意義；蔣金泉[10]通過(guò)研究復(fù)雜采動(dòng)條件下礦山巷道圍巖穩(wěn)定性研究，采用有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D模擬了不同采動(dòng)條件下的巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況。華心祝、闞甲廣[11]針對(duì)巖體強(qiáng)度，巷道間距等影響巷道開挖擾動(dòng)效果的因素，研究巷道開挖次序擾動(dòng)的影響，采用數(shù)值模擬進(jìn)行相似研究。揭示其在深部開采多巷道間的礦壓顯現(xiàn)；聶軍委、馬百龍以深部巖巷巷道群是研究對(duì)象，通過(guò)理論分析，數(shù)值模擬，全面的研究方法，例如現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)測(cè)試。

當(dāng)前對(duì)復(fù)雜空間巷道問題研究取得了良好的研究成果。然而，已經(jīng)解決了諸如空間錯(cuò)開的巷道的圍巖的應(yīng)力互擾以及巷道之間的圍巖的擾動(dòng)和不穩(wěn)定性之類的工程問題。研究和理論分析仍然有限，巷道圍巖交錯(cuò)排列的圍巖應(yīng)力擾動(dòng)影響規(guī)律，近距離交錯(cuò)巷道承載結(jié)構(gòu)擾動(dòng)失穩(wěn)災(zāi)變的主要影響因素，對(duì)如何判別交錯(cuò)巷道區(qū)域圍巖承載失效災(zāi)變等工程問題迫切需要進(jìn)一步基礎(chǔ)科學(xué)研究。

3 復(fù)雜巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)學(xué)者巷道圍巖控制理論發(fā)展主要有鄭雨天和馮豫[12]聯(lián)合支護(hù)理論提出了軟巖巷道圍巖的嚴(yán)重變形問題。董方庭提出的圍巖松動(dòng)圈理論以及何滿潮[13]提出了關(guān)鍵位置的支撐與支撐理論以及主、次承載圈的支撐理論。于學(xué)馥[14]等通過(guò)研究硐巷巖石變形與其基本原地應(yīng)力之間的關(guān)系提出了“軸向變形理論”的觀點(diǎn)?！皯?yīng)力分布軸比”和“圍巖穩(wěn)定軸比”這幾個(gè)定律說(shuō)明了圍巖穩(wěn)定性與巷道軸比之間的關(guān)系。

陳衛(wèi)忠[15]考慮了多個(gè)地下巷道之間圍巖應(yīng)力互擾的影響，研究了開挖順序和巷道群的支護(hù)對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。使用數(shù)值計(jì)算方法，為相關(guān)工程案例提供借鑒。喬正[16]研究了礦柱和巷道的穩(wěn)定性研究提出了道路群變形與破壞的關(guān)系：對(duì)于水平方向平行排列的道路群，與單獨(dú)的道路排列相比，垂直應(yīng)力變化不大且水平應(yīng)力變化較大，相鄰巷道的護(hù)巷礦柱安全寬度考慮了巷道群圍巖受應(yīng)力疊加影響，為類似的交錯(cuò)巷道布置提供了技術(shù)參考。孫光中[17]等運(yùn)用應(yīng)用數(shù)值模擬軟件研究采動(dòng)工作面礦柱不同寬度對(duì)硐室群穩(wěn)定性的影響，研究顯示：巷道群圍巖應(yīng)力隨著礦柱寬度減小，應(yīng)力集中向深部轉(zhuǎn)移并且波及到巷道群與之應(yīng)力疊加擾動(dòng)，巷道群表現(xiàn)出顯著的巷間圍巖體變形破壞嚴(yán)重。因此控制圍巖穩(wěn)定恢復(fù)承載結(jié)構(gòu)十分重要。

盧興利，劉泉聲[18]等相信深埋巷道，尤其是巷道群的圍巖穩(wěn)定性控制已成為亟待解決的技術(shù)問題。該研究得出巷道群圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形開裂特征及失穩(wěn)機(jī)理，提出了綜合控制對(duì)策和設(shè)計(jì)方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)證實(shí)了方案有效性。馬立強(qiáng)[19]通過(guò)對(duì)巷道群地應(yīng)力分布特征及巷道群開挖的時(shí)空效應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)后期開挖巷道將對(duì)第一條巷道的應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響。相鄰巷道內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的疊加導(dǎo)致應(yīng)力集中的出現(xiàn)，提出了主動(dòng)與被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)控制方案。

卜慶為[20]，針對(duì)近距離交錯(cuò)巷道產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力集中、巷道圍巖變形加劇、巷間巖體喪失承載能力等特征問題，從控制巷間巖體結(jié)構(gòu)破壞、恢復(fù)圍巖承載結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了理論研究，并提出了“高強(qiáng)錨桿+金屬網(wǎng)+錨索+注漿”聯(lián)合支護(hù)體系。

如今，鑒于巷道圍巖控制技術(shù)的日趨成熟，但在技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中還需要進(jìn)行不斷改進(jìn)，可以通過(guò)研發(fā)不同形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)、承重方案為后期礦山開挖巷道的支護(hù)提供保障，另外針對(duì)不同地質(zhì)形態(tài)下的巷道圍巖采取不同處理方案，可使用多種支護(hù)方式互相配合，幫助加固巷道圍巖。在相關(guān)理論支持下，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將理論與實(shí)際相結(jié)合。礦山開挖巷道支護(hù)相關(guān)理論探討過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致巷道出現(xiàn)不穩(wěn)定的因素大部分與支護(hù)相關(guān)。進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究后，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了頂板分離機(jī)理，巷道承載機(jī)理及巷道的承載性。通過(guò)全面理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后的出的結(jié)果為維持巷道穩(wěn)定性提供了技術(shù)支撐，更有利于礦山安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）巷道圍巖的穩(wěn)定性主要基于圓形巷道的力學(xué)理論研究，并已逐漸成熟。主要通過(guò)數(shù)值模擬和相似模型的建立來(lái)研究其他類型巷道圍巖的穩(wěn)定性。空間交錯(cuò)巷道的研究正在不斷完善。

（2）復(fù)雜空間巷道問題研究取得了良好的研究成果。然而，已經(jīng)解決了諸如空間錯(cuò)開的巷道的圍巖的應(yīng)力互擾以及巷道之間的圍巖的擾動(dòng)和不穩(wěn)定性之類的工程問題，研究和理論分析仍然相對(duì)較少。對(duì)交錯(cuò)巷道的圍巖應(yīng)力擾動(dòng)影響規(guī)律，近距離交錯(cuò)巷道承載結(jié)構(gòu)擾動(dòng)失穩(wěn)災(zāi)變的主要影響因素，對(duì)如何判別交錯(cuò)巷道區(qū)域圍巖承載失效災(zāi)變等工程問題迫切需要進(jìn)一步基礎(chǔ)科學(xué)研究。