深埋巷道圍巖非對(duì)稱(chēng)變形破壞機(jī)理研究

馬雷鋒

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046600）

0 引言

2021 年，全國(guó)原煤產(chǎn)量41.3 億t，同比增長(zhǎng)5.7%，創(chuàng)歷史新高。高強(qiáng)度的開(kāi)采導(dǎo)致國(guó)內(nèi)大部分礦區(qū)由淺部開(kāi)采向深部開(kāi)采延伸。而在深部開(kāi)采過(guò)程中，由于高地應(yīng)力及高疊加采動(dòng)應(yīng)力的影響，巷道非對(duì)稱(chēng)大變形、底臌、沖擊地壓的災(zāi)害事故頻發(fā)。因此，研究深部巷道圍巖的穩(wěn)定性控制問(wèn)題至關(guān)重要。

近幾年來(lái)，眾多學(xué)者圍繞巷道圍巖穩(wěn)定的問(wèn)題展開(kāi)了深入討論和實(shí)測(cè)探究。康紅普[1]等以千米深井為研究對(duì)象，針對(duì)大采動(dòng)巷道提出“支護(hù)—改性—卸壓”的圍巖控制技術(shù)，并研發(fā)了微納米復(fù)合材料及高壓注漿材料。侯朝炯[2]等通過(guò)理論闡述了圍巖破壞的兩個(gè)難點(diǎn)，即底臌和蠕變，并通過(guò)一次支護(hù)和二次支護(hù)提出了針對(duì)性的支護(hù)措施。趙志強(qiáng)[3]等將巷道視為平面應(yīng)變問(wèn)題，基于摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則提出巷道圍巖塑性區(qū)的八次隱形方程。蘇士龍[4]基于UDEC 對(duì)巷道圍巖承載特性及變形特征進(jìn)行深入研究。馮國(guó)瑞[5]等通過(guò)理論解析方法及數(shù)值模擬手段對(duì)非對(duì)稱(chēng)大變形破壞進(jìn)行深入研究，建立了自穩(wěn)隱性拱支護(hù)模型。王衛(wèi)軍[6]等對(duì)深部高地應(yīng)力的大變形巷道進(jìn)行深入研究，通過(guò)改變支護(hù)阻力研究了支護(hù)強(qiáng)度對(duì)圍巖變形破壞的影響，提出巷道“給定變形”的概念，并通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)提出了“錨桿+桁架錨索”的組合支護(hù)技術(shù)。張農(nóng)[7]等通過(guò)理論推導(dǎo)出巷道應(yīng)力雙向連續(xù)的穩(wěn)定機(jī)理，提出了柔性錨桿支護(hù)技術(shù)。劉洪濤等在考慮軸向應(yīng)力的基礎(chǔ)上提出三向塑性區(qū)求解思路。

眾多學(xué)者對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定控制問(wèn)題展開(kāi)了深入研究，這些研究對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定控制具有重要意義。本文基于巷道圍巖蝶形破壞理論，對(duì)霍爾辛赫3501 工作面運(yùn)輸順槽的非對(duì)稱(chēng)破壞進(jìn)行深入研究，并提出相對(duì)應(yīng)的支護(hù)建議。

1 工程地質(zhì)概況

霍爾辛赫煤業(yè)目前主采3501 工作面的3 號(hào)煤層，煤層埋深581 m，平均厚5.6 m，3501 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)斷面規(guī)格為6 m×4.7 m，掘進(jìn)時(shí)二次施工成巷，首次掘進(jìn)巷道高度為3.5 m，二次起底高度為1.2 m。巷道頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 巷道頂?shù)装迩闆r

在工作面回采期間，3501 運(yùn)輸順槽主要存在如下破壞特征：巷道一側(cè)的破壞較為嚴(yán)重，且頂板局部出現(xiàn)漏頂、冒頂現(xiàn)象。巷道兩幫部分位置出現(xiàn)幫臌，錨網(wǎng)破裂及錨桿破斷的情況也時(shí)有發(fā)生。

2 巷道圍巖非對(duì)稱(chēng)大變形理論分析

2.1 巷道圍巖塑性區(qū)半徑求解

由于巷道長(zhǎng)度方向遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其巷道半徑，因此在目前的大部分研究中，將巷道的塑性區(qū)求解問(wèn)題按照平面應(yīng)變問(wèn)題予以處理。由彈性力學(xué)可知，極坐標(biāo)下任意一點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：σθ為任一點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力，MPa；σr為任一點(diǎn)的徑向應(yīng)力，MPa；τr，θ為任一點(diǎn)的剪應(yīng)力，MPa；γH 為巷道豎向載荷，MPa；μ 為側(cè)壓系數(shù)；R為圓形巷道半徑，m；r、θ為任一點(diǎn)的極坐標(biāo)。

由塑性力學(xué)可知，巷道圍巖的應(yīng)力破壞與選取的強(qiáng)度準(zhǔn)則有關(guān)。在目前的巖土力學(xué)研究中，摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則為使用最為廣泛的準(zhǔn)則（以極限主應(yīng)力σ1和σ3表示），摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則的表達(dá)式為：

式中：C 為內(nèi)聚力；φ 為內(nèi)摩擦角。

彈性力學(xué)中主應(yīng)力由徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力組成，相關(guān)表達(dá)為：

此時(shí)將徑向應(yīng)力及切向應(yīng)力的表達(dá)式帶入式（3），再將結(jié)果帶入摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，經(jīng)數(shù)學(xué)整理后可得圍巖塑性區(qū)的八次隱性方程（4）：

2.2 不同應(yīng)力場(chǎng)下圍巖塑性區(qū)形態(tài)研究

基于上述的蝶形破壞理論八次隱式方程，采用控制變量法，固定巷道半徑為3 m，內(nèi)摩擦角為30°，內(nèi)聚力為3 MPa。由礦井地質(zhì)條件可知，3105 工作面3 號(hào)煤層埋深518 m，因此巷道圍巖的垂直應(yīng)力為12.95 MPa。此處變化水平應(yīng)力分別為12.950 MPa、16.835 MPa、20.720 MPa、24.605 MPa、28.490 MPa、32.375 MPa、36.260 MPa，將上述數(shù)據(jù)帶入數(shù)學(xué)軟件Maple 觀察側(cè)壓系數(shù)為1、1.3、1.6、1.9、2.2、2.5、2.8 下巷道圍巖的塑性區(qū)形態(tài)，如圖1 所示。

圖1 不同側(cè)壓系數(shù)下圍巖塑性區(qū)形態(tài)

由圖1 可以看出，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)μ 為1 時(shí)，圍巖塑性區(qū)形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)的圓形，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)μ 為1.3 時(shí)，圍巖塑性區(qū)形態(tài)為橢圓形，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)μ 為1.6 時(shí)，圍巖塑性區(qū)開(kāi)始展現(xiàn)蝶形形態(tài)，并隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道兩幫的塑性區(qū)逐漸減小，頂?shù)装逅苄詤^(qū)尺寸逐漸增加。從圖1 中還可以看出，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道翼角處的塑性區(qū)尺寸增長(zhǎng)速率不斷增大，說(shuō)明側(cè)壓系數(shù)的增大會(huì)使巷道容易產(chǎn)生蝶形冒頂。

2.3 不同應(yīng)力場(chǎng)下圍巖塑性區(qū)方向研究

在目前的大多數(shù)研究中，人們往往僅考慮巷道圍巖的應(yīng)力大小，事實(shí)上，在力學(xué)問(wèn)題中，力的研究是一個(gè)矢量問(wèn)題，既要考慮應(yīng)力的大小又要考慮應(yīng)力的方向。本文取側(cè)壓系數(shù)為2.8 的情況，研究應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角度為15°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)的圍巖塑性區(qū)形態(tài)。不同應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度下的圍巖塑性區(qū)形態(tài)圖如圖2 所示。

圖2 不同應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度下圍巖塑性區(qū)形態(tài)

從圖2 中可以看出，不同應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角下圍巖的塑性區(qū)形態(tài)基本不會(huì)發(fā)生變化，且塑性區(qū)的偏轉(zhuǎn)角度基本與應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)角一致，即當(dāng)應(yīng)力偏轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)，塑性區(qū)蝶葉也偏轉(zhuǎn)過(guò)同樣的角度。當(dāng)?shù)~位于頂板上方時(shí)，巷道容易產(chǎn)生蝶葉旋轉(zhuǎn)型冒頂，導(dǎo)致巷道圍巖產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)破壞。

3 數(shù)值模擬研究分析

FLAC3D是巖土分析過(guò)程中最重要的軟件之一。本文根據(jù)3501 工作面的地質(zhì)情況，基于文獻(xiàn)3 的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，建立小型數(shù)值模擬模型，3501 運(yùn)輸順槽數(shù)值模擬的塑性區(qū)形態(tài)及最大主應(yīng)力示意圖如圖3 所示。

圖3 運(yùn)輸順槽塑性區(qū)及垂直應(yīng)力分布云圖

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，巷道圍巖的整體塑性區(qū)形態(tài)呈現(xiàn)蝶形形態(tài)，頂板右側(cè)的塑性區(qū)深度大于頂板左側(cè)的塑性區(qū)深度，巷道兩幫的塑性破壞深度基本一致，巷道底板左側(cè)的塑性區(qū)深度大于右側(cè)，整體圍巖塑性區(qū)破壞呈非對(duì)稱(chēng)破壞。

4 圍巖支護(hù)建議

在巷道進(jìn)行掘進(jìn)過(guò)程中，原支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)為：頂錨桿間排距為1 100 mm×1 100 mm，幫錨桿間排距為1 000 mm×1 100 mm；頂部錨索材料為Φ22 mm-1×19-7300 mm 低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，采用每2 排3根布置，全部垂直頂板打設(shè)，排距2 200 mm，間距1 600 mm；幫錨索材料為Φ22 mm-1×19-5300 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)。

由原支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)可知，原支護(hù)采用的是對(duì)稱(chēng)支護(hù)。而從上文分析可知，巷道在高偏應(yīng)力作用下塑性區(qū)特征呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)分布，采用對(duì)稱(chēng)支護(hù)的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致局部蝶葉塑性區(qū)未能被有效穩(wěn)定錨固在上部穩(wěn)定巖層之上。在局部漏頂位置，還出現(xiàn)了冒頂嚴(yán)重而錨桿未發(fā)生破斷的現(xiàn)象，這正是由于支護(hù)材料長(zhǎng)度不足、錨固端未能錨固到穩(wěn)定巖層之中造成的。

因此，整體的控制思路為：在蝶葉位置增加2 根錨索，通過(guò)采用高延伸率錨索來(lái)將3501 運(yùn)輸順槽頂板破碎巖層錨固在頂板穩(wěn)定巖層之上。通過(guò)施加高預(yù)緊力來(lái)提高破碎巖體的殘余強(qiáng)度，通過(guò)控制蝶葉塑性區(qū)擴(kuò)展來(lái)提高圍巖的穩(wěn)定性，從而保證3501 工作面的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1）不同圍巖應(yīng)力下，圍巖塑性區(qū)形態(tài)會(huì)呈現(xiàn)圓形、橢圓形及蝶形三種形態(tài)，且蝶形的塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓形及橢圓形尺寸。

2）應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角與塑性區(qū)偏轉(zhuǎn)角具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力偏轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，塑性區(qū)也會(huì)偏轉(zhuǎn)過(guò)幾乎同樣的角度。當(dāng)塑性區(qū)蝶葉位于頂板附近時(shí)，圍巖會(huì)有冒頂隱患。

3）在深部高偏應(yīng)力環(huán)境下，3501 運(yùn)輸順槽頂板出現(xiàn)了明顯的非對(duì)稱(chēng)擴(kuò)展現(xiàn)象，需要采用高延伸率錨索進(jìn)行針對(duì)性支護(hù)設(shè)計(jì)。