大埋深巷道圍巖控制相似材料模擬研究

鄭宗儒 劉會會 劉軍峰

（1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司，寧夏 靈武 750410；2.陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054）

隨著煤礦開采深度加大，巷道圍巖條件復(fù)雜，礦山壓力顯現(xiàn)明顯，大埋深巷道支護(hù)難度加大[1-2]。針對深部巷道支護(hù)問題，張杰[3]等通過數(shù)值模擬對比了不同支護(hù)方式的效果，得出“拱-梁”結(jié)構(gòu)模型能有效控制巷道圍巖變形。白文斌[4]等通過現(xiàn)場實測和室內(nèi)實驗等手段分析出了埋深大、應(yīng)力高、圍巖強度低、節(jié)理裂隙發(fā)育是引起大埋深巷道變形破壞的主要原因。李蕾[5]等提出高強度、高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)能夠增強巷道表面圍巖初撐力，從而有效地防止頂板圍巖從固支梁結(jié)構(gòu)到鉸支梁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。段振榮[6]通過模擬對比不同方案得出，采用“錨桿索+卸壓孔”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能夠有效控制大埋深特厚復(fù)合頂板回采巷道的圍巖變形。董抗抗[7]研究了大埋深與軟弱泥巖環(huán)境下的巷道，得出頂板“錨網(wǎng)索+U 型鋼棚+注漿”支護(hù)、底板“錨網(wǎng)帶+注漿錨索”加固可有效控制巷道變形，滿足正常生產(chǎn)需求。在他人的研究基礎(chǔ)上，以棗泉礦130203 工作面運輸巷為工程背景，采用相似材料模擬分析現(xiàn)有支護(hù)方案的支護(hù)效果和不足，為類似條件巷道支護(hù)提供借鑒與參考。

1 概況

130203 工作面順槽巷道位于2 煤層，煤厚8.2～8.7 m，距煤層直接底板1.3 m 處含一層0.05 m左右夾矸，距煤層直接底板3.9 m 處含一層0.2 m左右夾矸，兩層夾矸均廣泛分布，厚度不穩(wěn)定。順槽巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬5300 mm、高3950 mm，采用“錨桿+網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護(hù)。頂部采用Ф21.98 mm×4300 mm（1×19 股）和Ф21.98 mm×8300 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)緊力為200 kN，間排距為800 mm×900 mm；幫部采用20#-M22-2000 號左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，抗拉拔力50 kN，間排距為900 mm×900mm；頂部掛Ф6.5 mm 圓鋼焊接的鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm）。

2 相似材料選取及模型搭建

2.1 實驗裝置

本次相似模擬采用西安科技大學(xué)礦井水害防治研究所MK-10T 型采礦工程物理模擬實驗系統(tǒng)，該裝置由模型主體、伺服控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾部分組成。最大模型尺寸為長×寬×高=50 cm×20 cm×1000 cm。

2.2 計算參數(shù)

相似模擬實驗采用物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 工作面計算采用的煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 模型制作

按照實際工況將模型幾何相似比、運動相似比、動力相似比和應(yīng)力相似比分別取為：41.7、6.46、1.38和57.5。模擬巷道掘出以后，根據(jù)相似比采用彈性模量最接近的鋁合金絲模擬錨索，鋁絲代替錨桿，圓形墊片代替托盤，模擬錨桿支護(hù)采用機械鉆孔，模擬錨固劑為質(zhì)量比1:1 的水膏漿，模擬鋼絲繩網(wǎng)為細(xì)鋼絲網(wǎng)。錨網(wǎng)索支護(hù)如圖1。

圖1 巷道支護(hù)模型圖（mm）

考慮邊界效應(yīng)，取巷道斷面高、寬3 倍作為巷道受力影響范圍，巷道埋深約600 m，最大主應(yīng)力19.51 MPa、傾角-7.3°、方位角151.6°，最小主應(yīng)力12.53 MPa、傾角-32.2°、方位角248.3°。結(jié)合實際情況，將地應(yīng)力轉(zhuǎn)換為垂直模型水平應(yīng)力4.6 MPa 和垂直應(yīng)力15.4 MPa。加載方式采用從零開始的應(yīng)力加載方式，應(yīng)力加載量為0.1 kPa。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 圍巖整體位移變化分布特征

以下對不同加載步下位移變化情況進(jìn)行分析。圖2 為模型加載至311.1 kPa（1.23P）、478.7 kPa（1.79P）、562.4 kPa（2.10P）時的應(yīng)力云圖。

圖2 不同加載步下位移云圖

1）隨著頂板的逐級加載，巷道的整體位移量逐漸增加，兩幫受到幫錨桿的約束作用，整體向內(nèi)部收斂變形；巷道頂板整體略微下沉，豎直方向最大位移量發(fā)生在直接頂板，水平方向最大位移量發(fā)生在左幫部。由模型加載到311.1 kPa（1.23P）時的應(yīng)力云圖可以看出：巷道頂板豎直方向最大位移量由直接頂板向短錨索內(nèi)部轉(zhuǎn)移，由于幫部錨桿支護(hù)長度2 m，幫部呈半圓弧形態(tài)，幫部支護(hù)仍然起到較好的作用。

2）通過模型頂部加載到478.7 kPa（1.79P）時的應(yīng)力云圖可以看出：底板巖梁由于沒有任何支護(hù)，將逐漸受拉破壞，直接底板2 mm 范圍內(nèi)巖梁逐漸斷裂，底板隆起變形向深部轉(zhuǎn)移；直接底板隆起量達(dá)到4.462 mm，巷道內(nèi)底板隆起量已達(dá)到14 mm；此時圖像上可以直觀看出巷道底板受到水平擠壓力作用迫使巷道底板發(fā)生隆起變形，底板處于滑移變形狀態(tài)。

3）通過加載到562.4 kPa（2.10P）時的應(yīng)力云圖可以看出：頂板沉降量達(dá)到25.762 mm，下沉較明顯，此時巷道頂板、直接頂板變形破壞向深部巖層轉(zhuǎn)移，頂板仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，頂板的雙錨索支護(hù)效果較好，巷道內(nèi)底板已發(fā)生嚴(yán)重的底鼓，變形量超過1 m；此時幫部收斂分別達(dá)到16.165 mm 和11.146 mm，幫部錨桿之所以沒有發(fā)生拉斷，就是因為錨桿與幫部圍巖整體發(fā)生變形，較大地壓使得巷道底板不斷隆起破壞。

總體來看，巷道頂板采用雙錨索支護(hù)形式起到了很好支護(hù)作用，可以有效控制頂板的沉降，但由于幫部煤體強度并不高，錨桿支護(hù)范圍內(nèi)巖體整體向巷道內(nèi)部收斂變形，若想控制幫頂變形，唯有延長錨桿的長度或采用幫錨索支護(hù)方式，另外巷道底板底鼓主要受到較大的地壓作用使得幫兩側(cè)巖體擠壓底板向巷道空間內(nèi)擠壓導(dǎo)致。

3.2 圍巖垂直位移變化分布規(guī)律

圖3 為加載下的巷道圍巖垂直位移變化曲線圖，圖中以巷道底板中線作為坐標(biāo)零點，向上（右）為正、向下（左）為負(fù)。通過對距離巷道底板不同高度位置的垂直位移量變化情況進(jìn)行分析，可以得出：

圖3 不同加載力下巷道圍巖垂直位移變化分布規(guī)律圖

1）由圖3（a）可以看出，當(dāng)距離巷道底板208.3 mm，即距離巷道頂板113.5 mm（相當(dāng)于實際4.73 m）時，該范圍正好位于巷道頂板4.3 m 短錨索和8.3 m 長錨索之間。該位置巖層變形呈現(xiàn)整體下沉趨勢明顯，巖層受到長錨索張拉拖拽作用效果較好。

2）由圖3（b）可知，距巷道底板184.8 mm，即實際距離巷道頂板3.75 m 時，該范圍位于巷道頂板雙錨索支護(hù)范圍。相比208.3 mm 位置而言，頂板巖層有向巷道內(nèi)部變形的趨勢，整體變形可控，但頂板支護(hù)范圍內(nèi)的圍巖與四周圍巖變形仍存在一定的過渡空間，表明巷道頂板變形沒有發(fā)生切落的趨勢，圍巖受到頂板較大的壓力作用，雙錨索對于頂板變形起到較好控制作用，可與周邊圍巖協(xié)同變形。

3）從圖3（c）可知，當(dāng)距離巷道底板137.9 mm，即實際距離巷道頂板1.77 m 時，曲線隨加載出現(xiàn)了明顯的拐點。這可能使巷道頂板會出現(xiàn)“網(wǎng)兜”現(xiàn)象，巷道頂板下沉且向巷道內(nèi)部變形，受到頂板錨索托盤和鎖具支護(hù)作用，頂板發(fā)生冒頂?shù)娘L(fēng)險較小，但需要對錨索的受力變形進(jìn)行監(jiān)測，防止冒頂事故發(fā)生。

4）由圖3（d）可知，當(dāng)距離巷道底板114.4 mm，隨著加載的不斷進(jìn)行，巷道幫部曲線由平滑曲線逐漸轉(zhuǎn)向折線。折斷位置位于巷道幫部49.4 mm，而幫錨桿支護(hù)長度為47.9 mm，這表明對于四周無開采的正常地壓而言，巷道幫部2.0 m 錨桿長度是可以起到較好支護(hù)作用的。隨著加載步的加載，曲線開始出現(xiàn)折線拐點，此時相當(dāng)于正常地壓的1.23倍。隨著加載的進(jìn)行，幫部破壞右錨桿錨固段向深部巖層轉(zhuǎn)移，幫部折斷延伸至距幫71.4 mm 位置，相當(dāng)于實際2.97 m。此時地壓相當(dāng)于正常地壓的2.1倍，即周邊開采擾動下礦山壓力增加至2.1 倍時，幫部錨桿有效錨固長度至少要達(dá)到3.0 m 方可較好地控制幫部收斂變形。此時可改用3.5 m 的幫錨索進(jìn)行加固。

5）由圖3（e）和圖3（f）可知，在距離巷道底板-26.4 mm（相當(dāng)于實際深度1.1 m）處，底板巖層仍發(fā)生了較大的底鼓變形，而距離巷道底板49.9 mm（相當(dāng)于實際2.08 m），這種變形逐漸減小，意味著底板滑移破壞已延伸至距巷道底板2 m 深的位置。若采用底板反錨桿（索）加固底板，加固深度至少在2.5 m 方可奏效。

3.3 圍巖塑性破壞區(qū)發(fā)育規(guī)律

加載下的巷道圍巖塑性破壞如圖4。隨著模型頂板加載壓力的逐級加大，圍巖頂板發(fā)生拉壓破壞，圍巖兩幫及下方受垂直應(yīng)力影響發(fā)生剪切破壞，形成一定范圍破壞帶，底板形成滑移破壞趨勢。巷道圍巖從巷道頂角開始發(fā)生，逐漸向巷道兩幫發(fā)生轉(zhuǎn)移。

圖4 加載下巷道圍巖塑性破壞區(qū)演化規(guī)律

1）由圖可以看出當(dāng)模型頂板從0 kPa 加載至311.1 kPa 時，Von Mises Strain 值先從巷道頂角開始發(fā)生，由于幫錨桿的作用變形破壞主要沿著錨桿錨固段邊緣開始。此時巷道底腳兩側(cè)也開始出現(xiàn)滑移破壞趨勢，但巷道總體變形不明顯。

2）當(dāng)模型頂板加載至382.9 kPa 時，此時巷道頂角和兩幫Von Mises Strain 值不斷增大，巷道頂板逐漸下沉、幫部收斂，而底板也開始出現(xiàn)肉眼可見的宏觀底鼓現(xiàn)象。從圖像上可見，底板出現(xiàn)滑動面越發(fā)明顯。

3）當(dāng)模型頂部加載到418.8 kPa 時，巷道頂板除了發(fā)生下沉外，兩側(cè)出現(xiàn)拉剪破壞，而巷道頂部并沒有明顯的破壞趨勢。這主要還是受雙錨索支護(hù)作用的影響，此時巷道兩幫進(jìn)一步發(fā)生剪切破壞，破壞深度雖未加深，但巷道兩幫已出現(xiàn)明顯的圓弧狀剪切破壞面，破壞主要沿圓弧面滑動，且巷道圍巖下幫兩腳底也有明顯的剪切破壞持續(xù)發(fā)生，并迫使巷道直接底板泥巖層向巷道內(nèi)隆起。

4）當(dāng)模型頂板加載至562.4 kPa 時，圍巖頂板破壞形式與前面加載相比并未出現(xiàn)明顯變化，僅頂板下沉量隨加載步進(jìn)行不斷增加。而對于巷道兩側(cè)圍巖而言，加載步的增加使得幫部向巷道內(nèi)部收斂加劇，幫部圍巖并未有明顯的向兩側(cè)巖體加深的趨勢，底板巖體破壞也主要是沿滑動面滑動。

總體來看，在巷道頂板雙錨索的支護(hù)作用下，頂板巖體內(nèi)并沒有出現(xiàn)明顯的破壞，而頂板破壞主要發(fā)生在巷道兩側(cè)頂角，這與圖3 中出現(xiàn)曲線折線相對應(yīng)。建議巷道頂板短錨索施工除中間兩根外，均與水平方向呈75°。巷道幫部變形主要發(fā)生在錨桿錨固段，說明在地壓增加至正常地壓2.1 倍期間，巷道圍巖幫錨桿長度較短，不足以約束幫部圓弧滑動面，建議將幫2.0 m 長的錨桿換成3.5 m 錨索。另外，隨著加載步的增加，底板巖體受到兩幫壓力作用逐漸出現(xiàn)滑動破壞，破壞深度延伸至底板下2 m 深度。對于短期使用的回采巷道而言，起底是不可避免的，若是采區(qū)、盤區(qū)大巷，可對底板進(jìn)行加固，采用加固錨桿（索）長度不小于2.5 m，從而增強圍巖體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）隨著模型不斷加載，巷道的最大垂直位移主要集中在直接頂板，最大水平位移發(fā)生在左幫。

2）雙錨索對于頂板變形有較好控制作用，可與周邊圍巖協(xié)同變形；幫部錨桿加固需進(jìn)一步優(yōu)化。

3）底板巖層距離巷道1.1 m 處發(fā)生較大底鼓變形，超過2.0 m 后變形逐漸減小，因此底板加固深度至少在2.5 m 方可奏效。