巷道補(bǔ)強(qiáng)加固協(xié)同控制技術(shù)及應(yīng)用研究

杜 益

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 挖金灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

巷道開挖后，圍巖均衡承載的應(yīng)力分布發(fā)生了改變，圍巖的承載特性發(fā)生了改變，巷道由三向應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)向二向應(yīng)力變形狀態(tài)轉(zhuǎn)變[1-4]。巷道圍巖的穩(wěn)定一直以來都是采礦工作者關(guān)心和關(guān)注的重要問題，許多專家和學(xué)者在巷道圍巖控制理論及工程實(shí)踐等方面開展了卓有成效的研究工作，并取得了豐碩的研究成果[5-8]。與淺部開采相比，深部開采具有礦壓大、溫度高、采礦成本高等特點(diǎn)，開采環(huán)境潛伏著難以預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害。深部圍巖受地質(zhì)環(huán)境的變化作用顯現(xiàn)出了深部礦壓的特征，主要表現(xiàn)為巷道圍巖破碎變形量增大、構(gòu)造應(yīng)力增大，導(dǎo)致錨桿(索)變形失效，頂板圍巖垮冒的危險(xiǎn)性增大，巷道維護(hù)困難。因此，開展深部開采條件巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)的系統(tǒng)研究，為深部煤炭安全、經(jīng)濟(jì)、高效開采提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保障等方面具有重要的 意義。

1 深部軟巖巷道補(bǔ)強(qiáng)加固協(xié)同控制技術(shù)原理

1.1 巷道開挖應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系

巷道開挖前，圍巖處于原始平衡狀態(tài)，開挖破壞了圍巖原始平衡應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖從開挖到巷道穩(wěn)定需經(jīng)歷以下三個(gè)階段，分別為：掘進(jìn)影響階段、巷道應(yīng)變調(diào)整階段、穩(wěn)定階段。巷道圍巖全應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系揭示了巷道圍巖變形及應(yīng)力變化的規(guī)律。因此，深部巷道圍巖穩(wěn)定合理控制技術(shù)的確定應(yīng)首先研究巷道開挖卸荷本構(gòu)關(guān)系。同時(shí)開展地質(zhì)特征調(diào)查、現(xiàn)場查看、巖樣物理力學(xué)特性及參數(shù)實(shí)驗(yàn)等工作。深部復(fù)雜高應(yīng)力巷道開挖應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 深部巷道開挖應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圍巖原始應(yīng)力形成及巷道開挖過程共分為6個(gè)階段，分別為：壓密段(OA段)、線彈性段(AB段)、非線性指數(shù)曲線塑性強(qiáng)化段(BC段)、線性彈性卸荷段(CD段)、冪指數(shù)塑性衰減段(DE段)、松動(dòng)跌落段(EF段)。

1.2 巷道開挖過程變形準(zhǔn)則及本構(gòu)模型

巷道開挖過程的6階段，其中OA段、AB段、CD段符合廣義胡克定律，BC段服從塑性強(qiáng)化準(zhǔn)則，DE段、EF段符合Griffith屈服準(zhǔn)則。巷道開挖6階段的本構(gòu)模型構(gòu)建如下。

1) 壓密段(OA段)：

σ=Eε0<ε<εG

(1)

式中：E為巖體處于壓密段的彈性模量，MPa。

2) 線彈性段(AB段)：

σ=E1(ε-εG)εG<ε<εs

(2)

3) 非線性指數(shù)曲線塑性強(qiáng)化段(BC段)：

σ=σeεc /εsεs≤ε≤εc

(3)

4) 線性彈性卸荷段(CD段)：

σ=σc+E1εεc≥ε≥εD

(4)

5) 冪指數(shù)塑性衰減段(DE段)：

σ=σD(εE/ε)nεD≥ε≥εE0≤n≤1

(5)

6) 松動(dòng)跌落段(EF段)：

根據(jù)塑性理論及塑性變形流動(dòng)規(guī)則可知：

(6)

其中，F(xiàn)為屈服條件(應(yīng)變的函數(shù))，dλ為塑性流動(dòng)因子。

(7)

(8)

(9)

1.3 巷道開挖過程圍巖穩(wěn)定控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

壓密段(OA階段)在成煤過程的初期沉積階段。線彈性階段(AB階段)，本階段將巖層礦物顆粒間的裂隙壓密閉合、微結(jié)構(gòu)體的間距縮小，并儲(chǔ)存彈性變形能。非線性指數(shù)曲線塑性強(qiáng)化階段(BC階段)，巖體強(qiáng)度達(dá)到最大，彈塑性變形能存儲(chǔ)量達(dá)到最大。線性彈性卸荷階段(CD階段)發(fā)生于巷道開挖的初期，釋放的能量屬于AB階段存儲(chǔ)的部分彈性變形能，屬于應(yīng)力調(diào)整初期，支護(hù)體應(yīng)與圍巖變形協(xié)調(diào)。冪指數(shù)塑性衰減階段(DE階段)圍巖變形量大，需采用圍巖補(bǔ)強(qiáng)措施。松動(dòng)跌落段(EF階段)，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)應(yīng)在本段之前進(jìn)行，保證補(bǔ)強(qiáng)后的圍巖強(qiáng)度大于能量釋放后的圍巖壓力，保持巷道穩(wěn)定。松動(dòng)殘余階段(FG階段)圍巖進(jìn)入松動(dòng)變形階段，具有局部垮落的危險(xiǎn)。

因此，深部復(fù)雜高應(yīng)力巷道開挖后需在變形可控的狀態(tài)下釋放彈性變形能及部分塑性變形能，在DE階段前半段加強(qiáng)支護(hù)，改善圍巖力學(xué)特性，殘余強(qiáng)度提高到DE段內(nèi)，阻止圍巖變形進(jìn)入松動(dòng)跌落段(EF段)，保持巷道穩(wěn)定。

2 被動(dòng)支護(hù)與主動(dòng)支護(hù)協(xié)同補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

2.1 錨網(wǎng)支護(hù)與 U 型鋼棚協(xié)同補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

由圖2可以看出，錨網(wǎng)支護(hù)與 U 型鋼棚支護(hù)初期，巷道幫部圍巖位移量二者基本相當(dāng)，僅在巷道圍巖表面 U 型鋼支護(hù)略高于錨網(wǎng)支護(hù)，主要是由于 U 型鋼支架屬被動(dòng)支護(hù)，當(dāng)巷道圍巖變形量達(dá)到一定程度時(shí)才開始承載，在破碎軟巖巷道中，U 型鋼棚支護(hù)初期對(duì)圍巖提供的支護(hù)阻力很小，對(duì)淺部巖體約束變形能力尚不及錨網(wǎng)支護(hù)，但隨著圍巖變形量增大，U 型鋼棚承載能力迅速增加，由于其護(hù)表能力遠(yuǎn)高于普通錨網(wǎng)支護(hù)，對(duì)巷道圍巖表面提供的支護(hù)阻力更能夠有效控制淺部破碎巖體的剪脹變形。因此，在破碎軟巖巷道，隨著圍巖變形量的增加，相對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)而言 U 型鋼支架控制圍巖變形的能力相對(duì)較強(qiáng)。

2.2 錨噴支護(hù)和U型鋼可縮性金屬支架協(xié)同補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

U型鋼支護(hù)與錨噴支護(hù)都屬于被動(dòng)支護(hù)方式，在巷道前期階段起到抵抗圍巖變形、強(qiáng)化巷道承載能力的作用，對(duì)兩種方式進(jìn)行對(duì)比分析，研究兩種方式下的各類礦壓規(guī)律。對(duì)兩種支護(hù)方式模擬結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 不同支護(hù)方式下巷道頂板圍巖位移量

圖3 兩種支護(hù)方式下的垂直與水應(yīng)力分布

圖4 兩種支護(hù)方式下的垂直與水平位移

圖5 兩種支護(hù)方式下的塑性區(qū)分布

從圖4(a)、(b)兩種支護(hù)方式下的垂直應(yīng)力分布可以看出，分布規(guī)律大致相似，峰值應(yīng)力大小與區(qū)域呈一致性。巷道周圍應(yīng)力提高，兩種方式均提高了巷道圍巖的承載能力。而水平應(yīng)力的分布錨噴支護(hù)相較于U型鋼支護(hù)具有一定的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在幫部圍巖應(yīng)力水平較高，承載能力更強(qiáng)，圍巖控制效果更好；但其支護(hù)條件下不能很好地抑制巷道頂板擠壓情況。

在兩種支護(hù)方式下，頂板下沉量分別為298 mm和249 mm，底鼓量分別為267 mm和257 mm，幫部最大位移量分別為470 mm和415 mm。兩種支護(hù)方式同屬被動(dòng)支護(hù)，支護(hù)效果相似，噴漿支護(hù)效果比U型鋼支護(hù)對(duì)于圍巖控制更優(yōu)，但相差不大，在實(shí)際工作中為保證巷道斷面形狀和經(jīng)濟(jì)性，采用錨噴支護(hù)更加合理。

從圖5可以看出，兩種不同支護(hù)方式下的塑性區(qū)分布大致相同。兩種支護(hù)方式均改善了頂板及兩幫的塑性區(qū)情況，相較而言，U型鋼支護(hù)對(duì)于幫部支護(hù)效果更好。

3 8105運(yùn)輸巷圍巖控制方案及效果

3.1 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)協(xié)同方案

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果和深部巷道破壞機(jī)理圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)，8105運(yùn)輸巷圍巖控制技術(shù)為“及時(shí)抗壓、一次到位”的主動(dòng)高強(qiáng)支護(hù)，采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)方案。

采用錨桿錨索耦合支護(hù)，由托板和金屬網(wǎng)等構(gòu)件組成的高剛度護(hù)表結(jié)構(gòu)；施加高預(yù)應(yīng)力，形成主動(dòng)支護(hù)，一次支護(hù)既有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷道維修，以充分保護(hù)和利用圍巖的自承能力。

采用錨索對(duì)破壞關(guān)鍵部位加強(qiáng)耦合支護(hù)，消除層間剪切滑移變形，同時(shí)通過調(diào)動(dòng)深部圍巖強(qiáng)度，減少頂板垂直應(yīng)力作用在底板的應(yīng)力集中程度。

高預(yù)應(yīng)力、短強(qiáng)力錨索，并全斷面垂直巖面布置有效控制高地壓與巷道的大變形。

3.2 巷道礦壓觀測結(jié)果分析

實(shí)施項(xiàng)目制定方案后，錨桿受力狀況較好，能夠及時(shí)承載，圍巖位移較小，巷道維護(hù)效果較好。頂錨桿、幫錨桿載荷隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示：表明錨桿載荷增長迅速、能夠及時(shí)承載，因而控制圍巖變形效果較好。巷道頂板巖層內(nèi)基點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示：頂板錨桿錨固區(qū)內(nèi)巖體的下沉量約為65 mm，小于錨桿的可延伸量。頂板離層和表面位移均較小，巷道圍巖支護(hù)技術(shù)參數(shù)合理、控制圍巖效果較好。

圖6 錨桿載荷隨時(shí)間變化曲線

圖7 頂板深基點(diǎn)位移-時(shí)間曲線

4 結(jié) 語

1) 根據(jù)巷道開挖應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系及應(yīng)力應(yīng)變穩(wěn)定法則，提出了深部軟巖巷道補(bǔ)強(qiáng)加固協(xié)同控制關(guān)鍵在DE階段前半段加強(qiáng)支護(hù)，改善圍巖力學(xué)特性，提高圍巖殘余強(qiáng)度，保持巷道穩(wěn)定。

2) 開展了被動(dòng)支護(hù)與主動(dòng)支護(hù)協(xié)同補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，錨桿(索)主動(dòng)支護(hù)與U型鋼、錨噴被動(dòng)支護(hù)協(xié)同補(bǔ)強(qiáng)，能夠有效控制圍巖變形。

3) 提出了8105運(yùn)輸巷圍巖控制“高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)協(xié)同支護(hù)”方案。工程實(shí)踐結(jié)果顯示：錨桿(索)及時(shí)承載，頂板離層和表面位移均較小，支護(hù)技術(shù)參數(shù)合理，巷道維護(hù)效果較好。