不同側壓系數下深部軟巖巷道穩定性分析及控制

黃 肖 阮懷寧 王小偉 許方領

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇省南京市，210098；2.河海大學江蘇省巖土工程技術工程研究中心，江蘇省南京市，210098)

隨著開采深度的增加，煤巖體中存在的復雜地應力對巷道圍巖穩定性的影響尤為突出。深部巷道出現的圍巖塑性區、破碎區范圍加大，斷面顯著收斂，圍巖持續蠕變等現象，均與地應力有著直接或間接的關系。側壓系數作為描述地應力狀態的一個物理量，反映巖體內水平應力與垂直應力的比值，對于對應力敏感性強的深部軟巖巷道穩定性有著極為重要的影響。本文以邢東礦1126工作面運料車場為研究對象，理論分析不同側壓系數下巷道周邊應力及沿水平方向剪應力的分布規律，采用FLAC3D軟件研究不同側壓系數下巷道圍巖的畸變破壞程度和塑性區的響應特征，揭示深部軟巖巷道圍巖變形破壞機制，針對性提出“密集長錨桿索+強金屬網+二次噴漿”的綜合支護方案，并進行工業性試驗。

1 工程條件及變形破壞特征

1.1 工程概況

1126工作面運料車場先平行于軌道大巷沿巖層掘進，后與運料巷貫通，全長156 m，埋深795～815 m。1126工作面運料車場圍巖主要以粉砂巖、細砂巖和泥巖為主，節理裂隙發育，泥質膠結。1126工作面運料車場圍巖巖性較差，易在工程擾動及高地應力作用下發生變形破壞。1126工作面運料車場起始段附近存在1條落差為4 m的斷層，在掘進過程中又揭露1條落差為6 m的斷層。地應力測試結果表明，水平應力為最大主應力，側壓系數約為1.08～1.91。

1.2 原支護形式及變形破壞特征

1126工作面運料車場斷面形狀為直墻半圓拱，巷道尺寸4.8 m×3.8 m(寬×高)。支護采用錨網索支護形式，具體參數如下：頂、幫錨桿均采用?22 mm×2400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；錨索采用?21.8 mm×6500 mm的鋼絞線錨索，間排距為2100 mm×1800 mm。1126工作面運料車場在原支護方案施工完成后不久出現了嚴重的礦壓顯現現象：巷道斷面收縮率大，部分地段斷面形狀由直墻拱形變為半橢圓或其他不規則形狀；圍巖嚴重破碎，網兜、擴容現象明顯；支護體嚴重變形扭曲，甚至破壞，鋼筋網與托盤連接處多處被撕裂，頂錨桿主要以受拉和剪切方式破壞，幫錨桿則以剪切破壞為主，金屬網的撕裂以拉斷為主；巷道斷面交岔點出現剪切破壞，斷層附近頂板更加破碎，形成網兜。

2 不同側壓系數下直墻拱形巷道圍巖應力及變形分析

2.1 直墻拱形巷道圍巖應力近似解

根據彈性力學理論，求解巷道圍巖應力時可視為無限區域內含孔的平面應變問題。對于直墻拱形等非圓形巷道，需將巷道外域映射到單位圓內域進行處理，但直墻拱形的映射函數目前無法精確獲得。通過將直墻拱形巷道斷面簡化為對稱六邊形，然后進行保角變換，校核邊界條件及確定相關函數等，可得出直墻拱形巷道圍巖應力近似解的極坐標表達式：

式中：σρ——徑向正應力；

σφ——環向正應力；

τρφ——切應力；

ρ——單位圓域內的半徑；

α、α1、R——與巷道尺寸相關的常數；

φ0(ζ)、ψ0(ζ)——邊界條件確定的相關函數；

w(ζ)——簡化的直墻拱形巷道外域映射到單位圓內域的映射函數。

2.2 不同側壓系數下圍巖應力及變形分析

邢東礦1126工作面運料車場尺寸參數及應力邊界條件如下：底板寬度4.8 m，簡化的頂板寬度1.0 m，總高度3.8 m，拱高2.4 m；巷道埋深約810 m，取上覆巖層平均容重25 kN/m3，可得無窮遠處施加的垂向應力為20.25 MPa；側壓系數為λ；假定巷道表面無支護。將各參數帶入相應公式，即可得到直墻拱形巷道圍巖應力。

巷道圍巖邊界徑向及切應力為0，在不同側壓系數下，環向應力集中系數自底板、幫部至頂板的分布曲線如圖1所示。φ介于-90°～90°之間表示底板中點到頂板中點的圍巖邊界，縱坐標正值表示圍巖受壓，負值表示圍巖受拉。由圖1可知，當λ<1時，圍巖邊界拱頂中點出現拉應力，拱肩壓應力集中系數較大，因而處于中間區域圍巖易沿剪切滑移面變形；當λ1時，底板、巷幫中點附近出現拉應力，易出現片幫和底鼓，拱頂、底角壓應力較大，且應力集中系數隨λ的增加而增大；當λ足夠大時，圍巖邊界拉應力區域由巷幫擴展至拱肩； 1126工作面運料車場側壓系數約為1.2，拱肩和底角壓應力集中系數分別約為4.8和2.5，處于兩關鍵部位間的巷幫圍巖在兩端高壓應力作用下向自由面擠出，易產生大變形。

圖1 巷道圍巖邊界應力集中系數分布圖

不同側壓系數下，巷道圍巖剪應力集中系數沿水平線分布如圖2所示。ρ為映射單位圓域內的半徑，表示圍巖深度自無窮遠處至淺部。由圖2可知，巷道淺部圍巖剪應力最大，集中程度與水平和垂直應力的差值(主應力差)呈正相關，隨著向圍巖深部延伸剪應力逐漸減小至消失；1126工作面運料車場剪應力集中系數約為0.6，圍巖因抗剪強度較低易發生剪切破壞。

玳瑁眼鏡聽得有些感動，起身踱了幾步：實話說吧，我們是劉英領導的浙南游擊隊一部，前幾天從麗水遂昌一帶運動到龍游，本想襲擊鬼子搞些槍支彈藥，沒想剛動手就引來大批鬼子，慌亂中逃到蘭江邊，被藏在草叢中的船工救了過江。

圖2 巷道圍巖剪應力集中系數分布圖

3 不同側壓系數下深部巖巷圍巖穩定性數值分析

3.1 數值模型的建立

模擬對象為邢東礦1126工作面運料車場，模型尺寸59 m×40 m×46 m(長×寬×高)，直墻拱形巷道斷面，尺寸為4.8 m×3.8 m(寬×高)。選取y軸正方向為巷道掘進方向，x、z軸方向分別為巷道寬度和高度方向。模型上部為應力邊界條件，施加19.66 MPa的均布載荷，底部邊界垂直方向固定，左右邊界為位移邊界條件。圍巖本構關系采用摩爾—庫侖模型，煤巖體力學參數見表1。

表1 巖層力學參數

模擬方案主要是計算分析側壓系數λ分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0時，巷道開挖引起的圍巖偏應力第二不變量與塑性區的分布特征。

3.2 圍巖偏應力第二不變量的分布特征

偏應力第二不變量反映物體變形狀態的實質，同時也表征物體剪應力和畸變能的大小，是衡量煤巖體介質屈服和破壞的綜合性指標。設σi(i=1，2，3)為圍巖中任意一點的3個主應力分量，且σ1σ2σ3，則偏應力第二不變量J2可由下式表示：

(3)

不同側壓系數下圍巖偏應力第二不變量分布規律如圖3所示。由圖3可知，圍巖偏應力第二不變量隨深度增加均先迅速增大后緩慢減小最終趨于穩定；λ越大時，頂、底板巖層偏應力第二不變量峰值及其所處圍巖深度越大，且峰后曲線間較離散，表明頂、底板巖層對水平應力敏感性強，易產生剪應力集中和畸變能積聚，且向深部圍巖轉移；巷幫偏應力第二不變量隨λ的變化規律與頂、底板相反，表明垂直應力顯著影響巷幫圍巖的變形破壞；錨桿(索)錨固端應避免布置在偏應力第二不變量峰值所在圍巖附近，因為鉆孔打入會使圍巖內高畸變能釋放，局部圍巖塑性裂化，錨固端可能失去穩定的錨固基礎；1126工作面運料車場頂、底板及巷幫偏應力第二不變量峰值所在圍巖深度約為5.0 m、4.0 m和4.2 m，為錨桿索長度的選擇提供了參考。

圖3 不同側壓系數下圍巖偏應力第二不變量分布圖

3.3 圍巖塑性區分布特征

不同側壓系數條件下，深部巖巷圍巖塑性區分布特征如圖4所示。由圖4可以看出，λ<1時，圍巖塑性區形態近似倒梯形，底板因承擔巷幫向下傳遞的巨大垂向應力而出現不同程度拉應力集中；隨著λ增大趨向1，頂、底板圍巖塑性區向深部擴展，底板拉應力區域不斷減小，表明最大主應力為垂向應力時易出現底鼓現象；λ=1時，巷道圍巖塑性區分布均勻，呈直墻拱形，底板仍會出現小區域的拉應力；λ1時，圍巖塑性區形態類似橢圓，頂底板塑性面積比巷幫圍巖大；隨著λ不斷增大，頂底板較直墻圍巖塑性擴展顯著，且直墻圍巖剪應力區域不斷減小；當λ進一步增大后，底板巖層在高水平應力擠壓作用下會出現小區域拉應力。1126工作面運料車場幫部圍巖塑性區深度約2.4 m，與原支護錨桿長度相同，錨桿因無穩定的錨固基礎易失效。

圖4 不同側壓系數下巷道圍巖塑性區分布圖

4 深部巖巷圍巖控制機理與技術

4.1 深部巖巷穩定性控制原理

根據邢東礦1126工作面運料車場的變形破壞特征以及理論和數值模擬分析結果，認為深部軟巖巷道圍巖及支護體變形破壞機制為：深部巷道開挖引起淺部圍巖剪應力集中，同時促使一定深度內的圍巖積聚高畸變能，在周邊集中應力作用下淺部圍巖發生剪切破壞，引起巖層錯動和離層，給較深處圍巖高畸變能釋放提供位移空間，進而導致圍巖大范圍擴容變形，在支護強度不足時，巷道斷面大幅度收縮，淺部圍巖嚴重破碎，極易產生網兜現象；同時，普通錨桿因長度較短、抗剪強度弱而無法適應大變形及高剪應力而出現被拉出、剪斷等現象。因此，采取合理支護措施提高淺部圍巖承載強度和穩定性，并適度釋放較深處圍巖高畸變能，是實現此類巷道圍巖穩定性控制的關鍵。

針對性提出“密集長錨桿索+強金屬網+二次噴漿”的深部巖巷圍巖控制技術，即形成多層次承載結構，圍巖適度讓壓，增強錨固區圍巖強度，圍巖與支護體系協同作用的支護方式，主要步驟如下：

(1)形成多層次承載結構。巷道開挖后及時噴射混凝土漿液，減弱剪應力對淺部巖層的剪切作用；錨入預應力長錨桿在圍巖內形成壓縮承載拱，抵抗較深處圍巖高畸變能誘發的擴容變形；施加預應力長錨索，與錨桿群形成的強承載壓縮拱相互組合；鋪設金屬網掛鋼筋梁，復噴混凝土漿液增加噴層厚度，提高金屬網混凝土承壓拱的剛度與強度。

(3)圍巖與支護體系協同作用。錨桿群在巷道圍巖淺部形成高強度壓縮拱，向內通過錨索與深部巖體相連，充分調動深部圍巖承載能力，向外與金屬網混凝土噴層間往往存留適當的變形空間，釋放部分圍巖畸變能；各次生承載結構協同變形，共同維系著巷道圍巖的穩定性。

4.2 深部巖巷圍巖控制技術

在邢東礦1126工作面運料車場進行工業性試驗，巷道支護斷面如圖5所示。

圖5 邢東礦1126工作面運料車場斷面支護圖

具體支護參數為：頂幫錨桿采用?22 mm×3000 m螺紋鋼超強錨桿，間排距0.8 m×0.8 m，底角錨桿與水平方向呈15°，每個錨桿孔分別使用S2360和Z2360樹脂錨固劑各1卷加長錨固，預緊扭矩不小于450 N·m。頂錨索采用19股?21.8 mm×8500 mm鋼絞線，間排距2 m×1.6 m，五花眼布置；每個錨索鉆孔分別使用S2360樹脂錨固劑一卷和Z2360樹脂錨固劑兩卷，預緊力不小于120 kN。金屬網采用?6 mm冷拔絲鋼筋焊接而成，網片規格為1.1 m×1.1 m；鋼筋梁規格為?14 mm×3800 mm，采用長2.6 m的14#槽鋼進行連鎖，排距1.6 m；托盤為拱形，保證托盤一面與錨桿垂直，一面緊貼沿面。噴層采用強度等級為C20的混凝土漿液，巷道擴刷后及時進行第一噴漿，噴層厚度50 mm；施錨掛梁網后進行第二次噴漿，噴層厚度50 mm；每排噴漿量為1.88 m3。

4.3 礦壓觀測

為監測1126工作面運料車場的控制效果，分別在連接1126工作面運料巷交岔點附近區段、車場中部區段、連接-760 m軌道大巷交岔點附近區段，設置3個測站，觀測巷道表面位移情況。觀測結果表明，支護初期圍巖變形較快，隨著支護結構與圍巖逐漸耦合平衡，圍巖變形速度減緩，最終趨于平穩；運料車場交岔點附近區段圍巖變形量較車場中部稍大，頂板最大下沉量為59 mm，底板最大移近量為78 mm，兩幫最大相對移近量123 mm。1126工作面運料車場維護期間未出現支護結構失效等嚴重礦壓現象，表明“密集長錨桿索+強金屬網+二次噴漿”的綜合支護方案有效控制了邢東礦深部軟巖巷道變形破壞，保證了巷道穩定。

5 結論

本文以邢東礦1126工作面運料車場為背景，運用理論分析和數值模擬等方法研究了不同側壓系數下巷道圍巖的應力分布規律和變形破壞特征，從而揭示了深部巷道失穩機制，并針對性提出深部軟巖巷道支護技術，主要得出以下結論：

(1)λ1時，底板、巷幫中點附近出現拉應力，λ足夠大時，圍巖邊界拉應力區域由巷幫擴展至拱肩；淺部圍巖剪應力集中程度與主應力差呈正相關，隨著向深部延伸剪應力逐漸減小至消失。

(2)不同λ值下，圍巖偏應力第二不變量隨深度增加均先增大后減小最終趨于穩定；λ<1時，圍巖塑性區形態類似倒梯形，最大主應力為垂向應力時易產生底鼓現象；λ1時，圍巖塑性區形態似“豎橢圓”。

(3)深部軟巖巷道圍巖變形破壞機制為：開挖引起淺部圍巖應力集中、較深部圍巖高畸變能積聚→巖層剪切錯動→高畸變能釋放→擴容大變形。

(4)提出“密集長錨桿索+強金屬網+二次噴漿”的深部巖巷圍巖控制技術，并進行工業性試驗。井下試驗表明，該技術有效控制了邢東礦深部軟巖巷道圍巖變形破壞，保證巷道穩定。