高地應(yīng)力下巷道底板拱結(jié)構(gòu)分析及其應(yīng)用

陳 盼，谷拴成

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 水文地質(zhì)研究所，陜西 西安 710052)

0 引 言

深部巷道掘進(jìn)后，其底板巖體在高地應(yīng)力作用下將發(fā)生不同程度的變形與破壞，強(qiáng)烈的巷道底鼓不僅顯著增加維護(hù)費(fèi)用，而且嚴(yán)重影響煤礦的安全高效生產(chǎn)，已成為深部巖體工程領(lǐng)域研究的熱點和難點[1]，近年來諸多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作?？导t普認(rèn)為底板巖層的壓曲、擴(kuò)容和膨脹是引起礦山巷道底鼓的重要原因[2]；文志杰等建立了剪切錯動型巷道底臌力學(xué)模型，提出一種與剪切錯動型巷道底臌力學(xué)機(jī)理相適應(yīng)的新型反底拱底臌控制技術(shù)[3]；孫闖建立壓桿模型并提出一種估算巷道底鼓水平應(yīng)力的方法[4]；孟祥瑞等基于彈性模型分析底板任一點的應(yīng)力狀態(tài)，建立底板破壞判據(jù)[5]；黃慶享等針對回采巷道底板破壞深度確定難題，建立底板破壞力學(xué)模型，分析巷道底板的極限承載力和擠壓流動型變形的破壞機(jī)理[6]；楊仁樹等提出以“協(xié)調(diào)圍巖非均勻變形、控制擠壓流動底鼓、強(qiáng)化圍巖承載結(jié)構(gòu)”為核心的聯(lián)合支護(hù)方案[7]。黃琪嵩等分析巖性對底板應(yīng)力狀態(tài)及其破壞特征的影響[8]；丁國峰等分析回采巷道頂板和兩幫強(qiáng)度對底板巖層穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為加固頂板和兩幫有利于控制巷道底板變形[9]；孫曉明等利用壓桿穩(wěn)定理論建立巷道底板的撓曲破壞機(jī)理[10]。

在巷道底板穩(wěn)定性控制方面，王衛(wèi)軍等根據(jù)底鼓機(jī)理提出通過加固兩幫和底角來控制巷道底鼓的方法[11]；何滿潮等基于深部軟巖巷道的非線性大變形破壞現(xiàn)象，討論巷道底鼓的錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)[12]；謝廣祥等研究采用注漿錨桿配合混凝土回填控制深部巷道底鼓技術(shù)[13]；張農(nóng)等認(rèn)為巷道底板應(yīng)構(gòu)建整體封閉式進(jìn)行主動支護(hù)，并輔以結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)[14]；劉泉聲等提出采用混凝土反底拱結(jié)合注漿、預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合加固軟巖巷道底板的方法[15]；侯朝炯等分析深部巷道底鼓“兩點三區(qū)”的變形特征，可以通過控制巷道頂幫來抑制底板的變形[16]。

在實際工程中，由于底板所處地質(zhì)條件和力學(xué)環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，其變形機(jī)理及控制措施也不盡相同，從而導(dǎo)致底板支護(hù)參數(shù)確定依然具有很大的盲目性，造成支護(hù)效果不佳。以陜西彬長礦區(qū)某煤礦回風(fēng)大巷為工程背景，在總結(jié)分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建高地應(yīng)力條件下巷道底板的隱形拱結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析底板拱結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，提出底板最大破壞深度及其加固拱厚度的確定方法，為合理設(shè)計高地應(yīng)力下巷道底板的錨固參數(shù)提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 巷道底板變形破壞力學(xué)機(jī)理

高地應(yīng)力條件下，巷道開挖以后，圍巖應(yīng)力重新分布，在兩幫形成支承壓力，巷道底板除受下部巖層向上的擠壓荷載，以及水平地應(yīng)力作用外，還受幫部破裂區(qū)和極限平衡區(qū)支承壓力作用，在這些荷載共同作用下底板巖層將由上向下逐層發(fā)生剪切滑移破壞，上部巖體逐漸從水平擠壓狀態(tài)向上隆起變?yōu)榫植坷瓚?yīng)力狀態(tài)，實踐證明，巷道圍巖破壞到一定程度后即停止變形，能夠形成“隱形拱狀自穩(wěn)結(jié)構(gòu)”，使圍巖保持極限平衡狀態(tài)，并能長期穩(wěn)定[17-18]，如圖1所示。

圖1 巷道底鼓示意Fig.1 Sketch of floor heave

巷道底板變形破壞形成的隱形拱把底板巖體分為受拉區(qū)和受壓區(qū)2部分，以拱軸線為界，在受拉區(qū)內(nèi)，底板單元體中拉應(yīng)力大于零，為潛在危害巖體；拉應(yīng)力為零的應(yīng)力單元連線形成隱形拱軸線，拱軸線處巖體只受沿拱軸線方向的壓應(yīng)力；拱軸線以外巖體仍然處于三向應(yīng)力狀態(tài)，為穩(wěn)定區(qū)。文獻(xiàn)[19]的實測結(jié)果也驗證了這一點。

由于擴(kuò)容作用，巷道底板受拉區(qū)的巖體體積增大，向上位移后形成底鼓。對于高地應(yīng)力條件下的巷道，如果底板處于敞開不支護(hù)狀態(tài)，很難在淺部形成穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巷道底板破壞不斷向深部發(fā)展，造成巷道嚴(yán)重底鼓。由此可見，巷道底鼓量大小主要取決于底板拱結(jié)構(gòu)的位置。

2 不同側(cè)壓條件下巷道底板最大破壞深度

以巷道底板變形破壞過程中形成的自穩(wěn)隱形拱為研究對象，由拱軸線的受力特征可知，拱軸線上所有點的彎矩及剪力均為零，只有軸向力的作用。根據(jù)對稱性取半拱結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型如圖2所示[20]。

圖2 底板拱結(jié)構(gòu)計算分析模型Fig.2 Calculation and analysis model of floor arch structure

圖2中，N1和N2分別為半拱結(jié)構(gòu)所受軸力，qh和qv分別為半拱結(jié)構(gòu)所受水平荷載和豎直荷載。取拱軸線AM進(jìn)行分析，由該段拱軸線的靜力平衡條件可得

(1)

將式(1)化簡得

(2)

由式(2)可見，底板自穩(wěn)隱形拱結(jié)構(gòu)為中心在巷道底板中點的半橢圓。

3 基于隱形拱的巷道底板支護(hù)措施

3.1 高應(yīng)力下底板支護(hù)機(jī)理

由以上分析可知，巷道劇烈底鼓的原因是底板不能在淺部形成穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致拱結(jié)構(gòu)一再向深部發(fā)育。故巷道底板控制的出發(fā)點是阻止巷道底板拱結(jié)構(gòu)向深部發(fā)育，或在淺部構(gòu)建一個拱結(jié)構(gòu)以抵抗巷道底板荷載，保證底板穩(wěn)定。

和巷道頂幫支護(hù)類似，底板支護(hù)應(yīng)首先最大限度利用圍巖的自承能力和自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，故對于新掘進(jìn)巷道，底板控制施工應(yīng)緊跟掘進(jìn)工作面，及時施加支護(hù)結(jié)構(gòu)，改善底板巖層受力特征，減小圍巖強(qiáng)度損失，防止底板自穩(wěn)隱形拱結(jié)構(gòu)向深部發(fā)育。若此時底板巷道圍巖強(qiáng)度不能滿足要求，需通過注漿等人工補(bǔ)強(qiáng)方式形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。對于已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重底鼓的巷道，在清理底板至設(shè)計巷道斷面后，就需要采用更加有效的手段來增加底板已破壞巖體的峰后殘余強(qiáng)度，并配合高預(yù)應(yīng)力錨桿(索)等措施使其形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

阻止巷道底板拱結(jié)構(gòu)向深部發(fā)育的主要方法是增加巷道底板巖體強(qiáng)度，改善巷道底板巖體受力特征。具體可采用注漿加固的方式增加底板巷道圍巖強(qiáng)度，采用預(yù)應(yīng)力錨桿(索)方式改善底板巷道圍巖受力特征。如圖3所示，可通過高預(yù)應(yīng)力錨桿(索)配合底板注漿的方式在巷道底板構(gòu)建一個擠密加固拱結(jié)構(gòu)來抵抗底板荷載，以達(dá)到預(yù)防底鼓的目的。

圖3 巷道底板拱結(jié)構(gòu)支護(hù)機(jī)理示意Fig.3 Supporting mechanism of laneway floor arch structure

3.2 擠密加固拱有效跨度的確定

為保證所構(gòu)建底板拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，將拱腳作用在巷道幫部穩(wěn)定巖體上，故擠密加固拱的跨度取巷道跨度加兩幫極限破壞厚度。有效跨度L可表示為

L=l+2x0

(3)

式中L為底板擬構(gòu)建擠密加固拱的跨度，m；l為巷道寬度，m；x0為巷道幫部極限平衡區(qū)寬度，m。

由文獻(xiàn)[21]可知，巷道幫部極限平衡區(qū)寬度為

(4)

式中h為巷道高度，m；λ為側(cè)壓力系數(shù)；k為應(yīng)力集中系數(shù)；H為巷道埋深，m；Px為煤幫支護(hù)阻力，MPa。

此外，為防止幫部破裂區(qū)寬度增大后影響拱腳穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)巷道幫部支護(hù)，保證幫部破裂區(qū)不再向深部發(fā)育，破裂區(qū)寬度為[22]

(5)

式中φu和φd分別為巷道頂?shù)装迮c煤幫上下界面的摩擦角，(°)，其他符號意義同前。

3.3 底板擠密加固拱厚度的確定

所構(gòu)建底板擠密加固拱拱軸線取巷道自穩(wěn)隱形拱軸線，拱軸線各截面只受沿拱軸線方向的壓應(yīng)力，故可以根據(jù)底板巖石抗壓強(qiáng)度來確定擠密加固拱的厚度，拱軸線上任一點受力如圖4所示。

圖4 擠密加固拱受力模型Fig.4 Stress model of arch strengthened by compaction

由于軸線上任意一點M(x，y)處的水平分力Hi和豎向分力Vi分別為

(6)

故拱軸線上任意一點的軸力為

(7)

假設(shè)在擠密加固拱處一定厚度范圍內(nèi)只受軸向壓力，則該拱的受力模型就可以簡化為單向軸壓破壞。根據(jù)摩爾-庫侖強(qiáng)度理論可知

(8)

式中σc，c，φ分別為底板巖體注漿改善后的單軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角。

由式(7)和式(8)可得巷道底板擠密加固拱要保持穩(wěn)定的極限最小拱圈厚度為

(9)

將式(6)代入式(9)得

(10)

由式(10)可以看出，當(dāng)?shù)装鍘r性參數(shù)和所受荷載一定時，極限拱圈厚度是變量(x，y)的函數(shù)，即極限拱圈厚度在拱軸線各處均不同，并呈現(xiàn)一定規(guī)律分布。在實際施工中，要構(gòu)建厚度不等且呈一定規(guī)律變化的底板拱結(jié)構(gòu)難度較大，故取最大極限拱圈厚度作為底板擠密加固拱厚度。

(11)

(12)

比較式(11)和式(12)可知，當(dāng)qh

當(dāng)qh>qv，同理可求得擠密加固拱在長軸和短軸處極限拱圈厚度分別為

(13)

(14)

比較式(13)和式(14)可知，當(dāng)qh>qv，擠密加固拱極限拱圈厚度同樣在短軸處較大。

由以上分析可知，擠密加固拱極限拱圈厚度最大值始終位于短軸頂點處，故取式(12)和式(14)確定底板擠密加固拱厚度。

4 工程驗證

陜西彬長礦區(qū)某礦二采區(qū)回風(fēng)大巷平均埋深620 m，斷面尺寸為4 m×3.2 m(寬×高)。巷道開挖后，由于水平構(gòu)造應(yīng)力較大，且底板除采用混凝土鋪底外，沒有采取其他支護(hù)措施，巷道圍巖出現(xiàn)了較大變形，底鼓現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，如圖5所示。

圖5 彬長某礦二采區(qū)回風(fēng)大巷底鼓現(xiàn)狀Fig.5 Present status of floor heave in air return laneway in the second mining area of Binchang mine

現(xiàn)場清理底板至設(shè)計斷面后，擬在底板構(gòu)建拱結(jié)構(gòu)治理巷道底鼓，并采用上述理論確定底板錨桿(索)的支護(hù)參數(shù)。對巷道清理底板過程中產(chǎn)生巖石進(jìn)行現(xiàn)場取樣，并通過實驗室實測，得到底板巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 底板巖體計算參數(shù)取值

4.1 巷道幫部極限平衡區(qū)寬度的確定

將表1參數(shù)代入式(4)可得巷道幫部極限平衡區(qū)寬度為

x0=

(15)

將表1參數(shù)代入式(5)得煤幫破碎區(qū)寬度為

Ls=

(16)

由式(3)可知，底板擠密加固拱有效跨度為

L=4+2×4.2=12.4 m

(17)

4.2 底板擠密加固拱半軸的確定

由第2節(jié)可知，底板極限隱形拱為豎直方向的半橢圓，其長半軸為

(18)

同理可得短半軸為

(19)

4.3 擠密加固拱參數(shù)的確定

設(shè)計底板拱結(jié)構(gòu)厚度取擠密加固拱極限拱圈最大厚度，由3.3節(jié)可知，在短軸頂點處極限拱圈厚度最大，由式(12)可得

(20)

設(shè)單根錨索施加的預(yù)應(yīng)力值P=180 kN，加固巖體變形模量E=8.4 GPa。由文獻(xiàn)[23]可知，單根錨索最大加固半徑為

(21)

為簡化計算，把錨索作用范圍在垂直平面上的剖面視為菱形。疊加擠壓區(qū)按最大拱圈厚度計，根據(jù)幾何關(guān)系可得錨索間距S為

(22)

式中La為所用錨索錨固段中點到孔口距離，m，全長錨固錨索取錨固段全長，選取錨索長度為5 m，La取4.7 m，將式(20)和式(21)代入(22)可得錨索間距為

(23)

根據(jù)以上計算可知，使用預(yù)應(yīng)力為180 kN，長度為5 m的全長錨固錨索，當(dāng)錨索間距小于1.66 m時即可形成厚度大于1.18 m的擠密加固區(qū)，如圖6所示。

圖6 底板加固拱計算模型Fig.6 Calculation model of arch strengthened by laneway floor

根據(jù)現(xiàn)場情況，基于“治底先治幫”的思路，為防止幫部2.2m破碎區(qū)向深部發(fā)育，首先在巷道煤幫部施工長度為2.5 m的預(yù)應(yīng)力錨桿。底板采用“底板注漿+錨索+鋼筋網(wǎng)片+W鋼帶”聯(lián)合支護(hù)?？紤]到底板已經(jīng)發(fā)生過大變形，故首先在底板淺層施工短鉆孔，預(yù)注漿，封閉底板表層裂隙，然后施工錨索孔。

根據(jù)錨索間距小于1.66 m的要求，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，設(shè)計底板錨索4根，其中巷道中間布置豎直向下錨索2根，間距1.4 m，兩幫靠底角位置分別布置向外傾斜30°的錨索各一根，間距均為1.3 m，如圖7所示。錨索孔施工完畢，安裝錨索鋼絞線后，利用錨索孔對底板進(jìn)行高壓注漿，最后再配合鋼筋網(wǎng)片和W鋼帶完成錨索安裝，帶漿液凝固后，進(jìn)行錨索張拉，保證每根錨索預(yù)應(yīng)力大于180 kN。

圖7 二采區(qū)回風(fēng)大巷底板支護(hù)優(yōu)化示意Fig.7 Floor support optimization of air return laneway in the second mining area

新支護(hù)方案實施后，依據(jù)礦壓監(jiān)測要求，在巷道布置了2個間隔15 m的圍巖變形監(jiān)測斷面，采用十字布點法分別在巷道頂?shù)装搴蛢蓭筒贾帽砻鎳鷰r監(jiān)測點。根據(jù)近3個月的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，2個斷面監(jiān)測所得數(shù)據(jù)接近，兩幫移近量平均為92 mm，頂板下沉量和底鼓量均較小，頂板下沉量平均僅為23 mm，底鼓量平均僅為51 m m，且圍巖變形主要發(fā)生在施工完成后的35 d內(nèi)，35 d以后巷道圍巖已基本穩(wěn)定?？梢钥闯觯捎迷摲椒ㄓ行Э刂屏讼锏赖坠?。

5 結(jié) 論

1)高應(yīng)力條件下巷道底板變形破壞實質(zhì)為底板隱形拱結(jié)構(gòu)逐步向深部發(fā)育的過程，底板隱形拱的形態(tài)與底板巖層所受水平側(cè)壓力和兩幫支承壓力相關(guān)。

2)通過錨索(桿)支護(hù)、注漿等方法，在巷道底板中形成一定厚度的擠密加固拱，可顯著改善底板巖體受力特征，阻止底板拱結(jié)構(gòu)向深部發(fā)育，達(dá)到改善巷道底板穩(wěn)定性的目的。

3)將上述理論應(yīng)用于彬長礦區(qū)某礦回風(fēng)大巷底板加固，現(xiàn)場測試治理段巷道平均底鼓量僅為51 mm，35 d以后巷道圍巖已基本穩(wěn)定，表明巷道底板變形得到了有效控制，底鼓治理效果顯著。