基于自穩(wěn)隱形拱理論的巷道支護(hù)研究

王同光 WANG Tong-guang

（中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，西安 710054）

0 引言

隨著煤礦開采深度的增加，開采活動逐漸擴(kuò)展到地質(zhì)條件更為復(fù)雜的區(qū)域[1]。現(xiàn)有的一些井下支護(hù)措施雖然可以滿足生產(chǎn)需求，但由于缺乏科學(xué)依據(jù)，無法充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益[2，3]。

基于自穩(wěn)隱形拱理論的錨桿支護(hù)設(shè)計在一般圍巖巷道取得了良好的支護(hù)效果[4-6]。在研究中，胡鵬等[7]以自穩(wěn)隱形拱理論為基礎(chǔ)，針對矩形巷道進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了導(dǎo)硐法掘進(jìn)的剛?cè)犭p層網(wǎng)支護(hù)的圓弧角矩形切眼。高健銘等[8]以自穩(wěn)隱形拱理論為基礎(chǔ)，通過計算得出黃陵礦業(yè)一號煤礦六盤區(qū)回采巷道圍巖控制的支護(hù)參數(shù)，并利用計算機(jī)數(shù)值模擬軟件進(jìn)行多次迭代計算，測定了巷道圍巖的松動圈范圍。王磊等[9]應(yīng)用自穩(wěn)隱形拱理論，將巖體承載能力的界限納入錨索錨固范圍內(nèi)，將支護(hù)策略由被動支護(hù)轉(zhuǎn)為主動支護(hù)，并進(jìn)行了支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化。鄭選榮[10]在陜北榆陽煤礦2302運(yùn)輸巷道中，使用FLAC數(shù)值模擬軟件和自穩(wěn)隱形拱理論，對巷道的掘進(jìn)斷面和支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。這些研究通過應(yīng)用自穩(wěn)隱形拱理論，對巷道的設(shè)計和支護(hù)方案進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，為巷道工程的安全施工提供了指導(dǎo)和參考[11，12]。

本文以陜北可可蓋煤礦巷道的斷面形式和原有支護(hù)方案為基礎(chǔ)，基于自穩(wěn)隱形拱理論進(jìn)行了支護(hù)參數(shù)計算，并運(yùn)用FLAC軟件進(jìn)行了驗(yàn)證與分析，以此得到合理的自穩(wěn)隱形拱支護(hù)方案，提高工程的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

1 自穩(wěn)隱形拱錨桿支護(hù)理論

自穩(wěn)隱形拱理論的基本觀點(diǎn)首次將巖體的承載能力的界限劃定為破壞巖體。該理論認(rèn)為巖體的破壞不僅與是否達(dá)到塑性有關(guān)，還認(rèn)為即使松散的圍巖達(dá)到塑性破壞后仍然具有一定的承載能力[13，14]。

圖1為巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，巖石在受到壓力后仍然具有一定的強(qiáng)度，即使達(dá)到塑性也仍然具有一定的承載能力。

圖1 巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

地下硐室的圍巖在開挖之后會發(fā)生塑性變形甚至斷裂破壞。然而，如果開挖后的巷道頂板上的圍巖單元體處于擠壓狀態(tài)，它們?nèi)匀痪哂幸欢ǖ某休d能力。將頂板內(nèi)拉應(yīng)力為零的單元體相連，得到的連線形成的曲線在平面應(yīng)變問題中呈現(xiàn)為一個橢圓形，該橢圓形曲線被稱為自穩(wěn)隱形拱。

巷道圍巖不穩(wěn)定區(qū)劃如圖2所示?？梢钥闯?，在大多數(shù)情況下，產(chǎn)生塑性破壞的圍巖體仍然被視為巖體的承載主體；而巷道的穩(wěn)定是由于巷道頂部存在自穩(wěn)隱形拱。

圖2 巷道圍巖不穩(wěn)定區(qū)劃

圖3為幫錨對自穩(wěn)隱形拱的影響，可以看出，有效的支護(hù)可以將頂部的壓力轉(zhuǎn)移到兩側(cè)幫部深部。如果在隧道開挖后，在幫部采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)使其變?yōu)轭愃苿傂越Y(jié)構(gòu)，那么極限的自穩(wěn)隱形拱現(xiàn)象就會消失。沒有極限的自穩(wěn)隱形拱，隧道圍巖的不穩(wěn)定區(qū)域就會大大減少。

圖3 幫錨對自穩(wěn)隱形拱的影響

隧道頂部錨桿的加固作用也可以改變自穩(wěn)隱形拱的大小。圖4為頂錨對自穩(wěn)隱形拱的影響，可以看出，采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)來改變巷道頂部的自穩(wěn)隱形拱變形對圍巖的加固效果，會形成較小的新的二次、三次隱形承載拱。隨著自穩(wěn)隱形拱不斷變小，巷道頂板的穩(wěn)定性增加，從而大大減小了巷道圍巖的不穩(wěn)定區(qū)域。

圖4 頂錨對自穩(wěn)隱形拱的影響

2 自穩(wěn)隱形拱計算方法

依據(jù)自穩(wěn)隱形拱的定義，巷道頂部應(yīng)力應(yīng)力單元中水平方向的拉應(yīng)力均為零[15]。這一曲面的近似曲線方程為：

其中，

式中，W0為巷道頂板寬度，m；p0為巷道頂部垂直地壓，MPa；σ2為頂板巖體的抗拉強(qiáng)度，MPa。

將自穩(wěn)隱形拱方程轉(zhuǎn)化為通式，則有：

式中，ha為巷道兩幫起弧點(diǎn)距離底板的高度，m；hw為巷道的高度，m。

地下硐室開挖后，在無支護(hù)條件下，片幫巖體達(dá)到最大深度hw/2時，自穩(wěn)隱形拱也會發(fā)展到最大，所對應(yīng)的自穩(wěn)隱形拱稱為極限自穩(wěn)隱形拱，其方程為：

極限自穩(wěn)隱形拱是地下巷道圍巖可能破壞的最大區(qū)間邊界，對應(yīng)的方程為：

其中，極限自穩(wěn)隱形拱離頂板的最大高度為：

3 工程應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 工程概況及地質(zhì)特征

可可蓋煤礦副斜井傾角6°，下山施工，每隔600m設(shè)50m的緩沖平段，斜長5305.3m。副斜井井筒采用明槽開挖+TBM工法施工，明槽段開挖長度290m，TBM掘進(jìn)工法施工段長度5041.3m。

可可蓋煤礦TBM基巖段圍巖分級如表1所示。

表1 TBM基巖段圍巖分級

3.2 巷道支護(hù)參數(shù)的確定

由式（2）可知，當(dāng)x=0時，

巖體抗拉強(qiáng)度取抗壓強(qiáng)度的1/10，則巷道頂板最大隱形拱高度為：ymax=1.63m。

由式（10）計算可得極限隱形拱的最大高度為：ylid=3.53m。

根據(jù)自穩(wěn)隱形拱曲線方程的計算，可以得到TBM基巖段巷道頂板的最大自穩(wěn)隱形拱高度和極限隱形拱高度。當(dāng)達(dá)到極限最大隱形拱高度時，普通的錨桿支護(hù)就難以達(dá)到理想的效果。在這種情況下，改選使用錨索進(jìn)行支護(hù)更為合理。其中，錨桿采用HRB400鋼筋，直徑22mm，長度2400mm，間排距1000×1000mm；錨索采用直徑為17.8mm的鋼絞線，長度7300mm，沿井筒拱頂布置，間排距3000×3000mm；金屬網(wǎng)采用直徑為6.5mm的HPB300鋼筋焊接，網(wǎng)格大小為100×100mm。

3.3 支護(hù)效果分析

鑒于本項(xiàng)目模擬的內(nèi)容和特點(diǎn)，選用FLAC數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬。以可可蓋煤礦主斜井明槽表土段為工程背景，模擬明槽段施工開挖并進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)模擬。模型尺寸（長×寬×高）50m×100m×45m，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則模擬圍巖變形。

從圖5中可以看出，支護(hù)后的圍巖頂板下沉量、底鼓量以及兩幫移進(jìn)量分別為15.932mm、7.64mm和12.502mm。根據(jù)這些數(shù)值可以得出結(jié)論，巷道開挖后圍巖的變形穩(wěn)定速度較快且變形較小。這表明采用錨網(wǎng)噴技術(shù)能夠有效控制巷道頂板的下沉，并控制巷道兩側(cè)幫部的變形。在巷道的穩(wěn)定階段，頂板的最大下沉速率為0.25mm/d，而兩側(cè)幫部的最大變形速率為0.3mm/d。由于穩(wěn)定階段的變形速率非常小，圍巖得到了良好的穩(wěn)定。

圖5 圍巖表面位移

圖6為采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測得到的巷道表面位移。

圖6 位移-時間曲線

從圖6可以看出，兩側(cè)幫部的最大位移量為105mm，而頂板的最大位移量為80.5mm。這些位移量均在設(shè)計允許的變形范圍內(nèi)，說明支護(hù)效果較為理想。對于個別地段出現(xiàn)頂板下沉較大的情況，可以考慮優(yōu)化支護(hù)方案，增加錨桿長度或減小錨索間距，以提高錨索的抗變形能力，減緩頂板的沖擊載荷作用，以此改善巷道的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

根據(jù)自穩(wěn)隱形拱理論推導(dǎo)的巷道錨桿支護(hù)技術(shù)設(shè)計思路，有效地提升了巷道的承載能力，防止了碎矸冒落，并擴(kuò)大了自穩(wěn)隱形拱理論的應(yīng)用范圍。在數(shù)值模擬和施工現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)中得到了可靠性的證明，應(yīng)用自穩(wěn)隱形拱理論進(jìn)行巷道支護(hù)可以有效地控制圍巖的變形，并為不良地層TBM施工中巷道錨網(wǎng)噴參數(shù)的設(shè)計提供了新的依據(jù)。