基于壓力拱理論破碎圍巖巷道結構失穩研究

楊皓博 李仕牧 王 帥 張依賢 呂兆海 涂智凌

(1.陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西省彬州市，713500； 2.陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西省彬州市，713500； 3.陜西彬長文家坡礦業有限公司，陜西省彬州市，713500； 4.國家能源寧夏煤業集團公司，寧夏自治區銀川市，750011)

破碎圍巖巷道失穩與卸荷極易誘發掘進工作面巖體大范圍冒落，甚至導致圍巖動力災害，嚴重制約現場安全高效掘進。根據破碎圍巖巷道地質條件，基于壓力拱理論確定“圍巖—支護”穩定結構，巷道圍巖支護方式也隨之改變，1907年普氏壓力拱假說只考慮垮落覆巖自重壓力，1942年提出極限平衡拱太基公式，1948年提出卡斯特納計算公式(考慮極限平衡圍巖支護強度)。而“圍巖—支護”控制圍巖穩定性觀念的出現，極大發展了巷道支護理論，其中主動式支護及充分利用圍巖自重平衡應力的錨索聯合支護方式尤為突出。錨索聯合支護方式極大彌補了最初懸吊理論、組合梁理論和擠壓加固理論，其中圍巖松動圈理論對于現場最具指導意義，促使巷道支護理論和技術發展迅速。王曉利等針對無煤柱開采沿空留巷支護難題，設計了柔模支護技術方法；閆少宏、尹希文等研究大采高工作面直接頂及基本頂判定方法和支架工作阻力量化計算過程，剖析了巷道頂板易形成“短懸臂梁-鉸接巖梁”結構；伍永平等給出了“支架-圍巖”穩定性關系判斷標準；韓玉明等使用超前預注漿加固技術，有效減緩巷道圍巖受開采擾動影響，為動力災害預測提供科學依據。針對上述問題，本文緊繞巷道圍巖結構失穩問題，以小莊煤礦巷道圍巖頂板為研究對象，基于壓力拱理論、數值計算及結合工程現場監測等綜合探究方法，開展巷道圍巖結構失穩的機理研究，提出控制對策，對相關技術研究及現場應用具有借鑒意義。

1 工程概況

陜西彬長小莊煤礦井底車場37-38段巷道長度412.31 m，巷道寬度5.2 m，巷道墻高2.0 m，拱部高2.23 m，總凈高4.23 m。巷道穿越煤巷、半煤半巖巷和全巖巷地質區段，穿越延安組下段、中段和富縣組下段；巷道所穿越的4#煤層厚0～5.5 m，煤層傾角3°～5°，煤層結構屬塊狀、內生節理發育裂隙。偽頂是砂質泥巖，夾細粒砂巖條帶，具有波狀型層理結構，含碳質條帶和植物化石，偽頂厚度0.85 m；直接頂為淺灰色細粒砂巖，夾粗砂巖薄層，含植物化石級黃鐵礦結核，巖性堅硬，直接頂厚度是2.85 m，普氏系數f=3.5；老頂為灰白色粗粒砂巖，含鏡煤條帶、分選較好、鈣質膠結，老頂巖性堅硬，無層理結構裂隙，老頂厚度為5.20 m，普氏系數f=4.5；直接底為灰褐色鋁質泥巖，含粉砂巖，巖層顯層理裂隙較少，底部含植物根系化石，巖性緊密、較堅硬，厚度為1.26 m；老底為灰褐色鋁質泥巖，具有近似水平紋理特征，含鐵質微粒，夾鐵質結核層，顏色褐紅且比重大，老底巖性堅硬，普氏系數f=6。

2 基于壓力拱理論巷道圍巖應力分析

2.1 巷道壓力拱圍巖應力分布

通過借鑒普氏拱理論計算巷道壓力拱分布范圍，先根據壓力拱方程確定巷道頂部壓力拱破壞高度，得出拱頂到軸線距離。以矩形巷道為研究對象，假設頂板自然平衡拱軸線是一條二次曲線，假定矩形拱左右兩側巖體是均質、各向同性、線彈性和無蠕變或黏性行為，而且巖體原始應力為各向等壓(靜水壓力)狀態，巷道無限長，巖體性質不變，從而采用平面方法研究該問題。巷道壓力拱圍巖應力分布見圖1、2。

圖1 巷道荷載-結構模式

圖2 巷道壓力拱圍巖應力分布

拱形曲線任取一點M(x，y)，即ΣM=0(軸向應力存在，剪切應力和彎矩消失)。拱頂截面的水平推力為：

(1)

式中：Ty——拱頂截面的水平推力，kN；

q——拱頂均布荷載，MPa；

當拱頂的水平推力Ty等于拱腳的水平推力T′時，得出：

T′≤qaf

(2)

式中：T′——拱腳的水平推力，kN；

f——頂板內摩擦系數；

a——巷道半寬，m。

將T′帶入式(1)中可得：

(3)

當巷道兩幫圍巖穩定時，x=a，頂板平衡拱高度為：

(4)

式中：b——頂板高度，m。

2.2 巷道支護關鍵區演化

根據黃慶享教授自穩平衡圈理論，實際工程中巷道存在不同程度的底鼓現象，這一現象對巷道兩幫極為不利，影響頂板圍巖穩定性，因而頂底板、兩幫巷道變形相互受牽，可視為一個整體。巷道支護關鍵區如圖3所示。頂板覆巖的垮落受頂板和兩幫直接影響，頂板垮塌區和不穩定區高度及支護穩定性均受其影響，其中，幫—底和頂—幫結合處(圖2中A、B、C、D處)受力、覆巖形變量和支護難度最大，該區是破碎圍巖巷道支護控制關鍵區。實際支護過程中，巖體擠壓承載力必須和錨桿長度相適應，其中組合拱對于錨桿支護條件最高，需按照設計支護。圍巖擠壓應力由錨索支護控制區提供，其中支護長度依據現場壓力拱高度確定。

圖3 巷道支護關鍵區演化

3 破碎圍巖巷道變形特征數值計算

基于壓力拱理論巷道圍巖應力分析結果，使用FLAC3D數值模擬軟件，根據彈塑性本構模型和摩爾—庫侖破壞準則，設計左右邊界30 m，模型寬200 m、高200 m、長300 m。模型底端設為固定邊界，水平和豎向位置固定，4個側面設為滾軸邊界，以限制水平位移，模型上部施加垂直荷載以模擬上覆巖層重量。基于試驗巷道圍巖工程地質狀況，選取巖性較差的砂質泥巖進行圍巖穩定性分析和支護設計數值計算分析。

3.1 破碎圍巖巷道結構失穩應力分布特征

由于地質、巷道幾何性質等均沿巷道走向中垂面對稱，故垂直應力場也表現出十分理想的對稱現象，主要表現在：頂板應力釋放范圍逐漸由中部向高幫方向移動，右幫集中應力逐漸消失。矩形巷道開挖計算平衡后，圍巖水平應力場仍然沿巷道走向中垂面對稱，隨著巷道幾何形狀和地質條件不對稱性加劇，圍巖水平應力場也顯現出不對稱分布，隨著傾角的增加，頂板應力釋放程度降低，但影響范圍逐漸增加。巷道垂直和水平應力場分布云見圖4。

圖4 巷道應力場分布云圖

3.2 破碎圍巖巷道結構失穩覆巖變形規律

煤層中矩形巷道開挖計算平衡后，垂直位移場仍然保持著較好的對稱性，頂板、底板中部變形最大，主要變形部位在頂底板的正上方或正下方，矩形巷道斜邊傾斜程度加劇，頂板下沉量逐漸向低幫上部擴展，底板隆起變形的分布范圍基本保持不變。巖層中矩形巷道開挖后，水平位移也基本呈對稱分布，主要分布在兩幫中部。需要注意的是，在兩幫外側3.0 m處附近煤體出現了背向鄰空面的水平位移，由于巷道開挖后，頂板發生塑性破壞，實際工程中，該部分破壞煤巖體無支護時必然下落形成冒落拱，由于軟件是連續介質模型，發生破壞的單元不會下墜而消失，但計算數據中，形拱結構依舊存在。巷道位移分布云圖見圖5。

圖5 巷道位移分布云圖

3.3 破碎圍巖巷道結構失穩塑性區分布及變形表征

數值計算中輸入的破壞區分布數據均賦予相對時間概念，同時覆巖破壞分為剪切、拉伸破壞兩類形式的相互組合，覆巖破壞形式總共可以劃分為5種破壞形式。掘進尺度和層位的變化導致塑性區的破壞范圍進一步擴展，逐漸打破巖層平衡狀態。巷道圍巖破壞范圍主要分布在頂板、底板、低幫、高幫和低幫頂角5個區域。巷道塑性破壞見圖6。

隨著巷道掘進的持續推入，覆巖巖層發生垮落和失穩現象，頂板處沉降量最大、破壞區范圍最廣，巷道經支護后，頂底板彈塑性影響范圍減小，圍巖穩定性得到有效提升。支護后沉降量平均較未支護狀態下巷道沉降量平均降低50%，應力峰值減小且呈線性分布。掘進擾動作用下的頂板更容易發生失穩，巷道支護能夠有效阻礙覆巖頂、底板運移，圍巖穩定性得到有效控制。

圖6 巷道塑性破壞分布圖

4 工程現場監測

針對巷道圍巖破碎程度及范圍特點，選用專業高速地質雷達光譜地磁技術進行探測，對支護作用下巷道進行掃描，分析巷道圍巖松動范圍，為多斷層條件下破碎圍巖巷道的聯合支護研究提供依據。

根據破碎圍巖巷道地質構造、圍巖賦存條件及掘進模式，為詳細掌握小莊煤礦巷道圍巖情況，選取井底車場37-38段進行監測。巷道上幫地質雷達探測分析的結果顯示，在豎直方向4.0 m、8.0 m及16.0 m范圍處掃描圖顏色有所改變，反射率增加，說明該處所探測范圍內存在明顯的破壞區與完整區的分界面。處于界面位置處的雷達反射波接收信號強烈，同相軸呈均勻的近水平直線，在4.0 m和8.0 m處，該地質雷達反射能量異常活躍，反射速度由高轉低，相對介電常數反而由小變大，反射波所攜帶能量加強，反映出該地質區域內巖體松散，由此得出松動圈為1.4 m，垂深1.4～4.0 m范圍是塑性范圍，垂深4.0～7.5 m范圍為彈性區。根據巷道地質構造、圍巖賦存條件及掘進模式從地質雷達監測圖中可以清楚地看出在垂向8.0 m以下掃描圖顏色有所改變，反射率增加，說明該處所探測范圍內存在明顯的破壞區與完整區的分界面，該特殊地質區段范圍內地質雷達發射波分布勻稱、振幅適中，推斷巖層結構較完整、管片支護效果良好、達到預期目標。巷道監測掃描特征如圖7所示。

圖7 巷道監測掃描特征

通過依靠地質雷達高精密掃描儀器對巷道的連續、密實程度進行掃描，確保支護范圍內圍巖緊密連續，支護效果滿足要求。

5 結論

(1)基于壓力拱理論巷道圍巖應力分析，得出巷道破壞變化趨勢由底板破壞引誘兩幫破壞，兩幫結構失穩破壞引起頂板破壞加劇。

(2)通過數值計算對破碎圍巖巷道結構失穩巖層在空間演化特征做出分析。支護后沉降量平均較未支護狀態下巷道沉降量降低50%，應力峰值減小且呈線性分布。掘進擾動作用下的頂板更容易發生失穩，巷道支護能夠有效阻礙覆巖頂、底板運移，圍巖穩定性得到有效控制。

(3)隨著掘進尺度和層位的變化導致塑性區的破壞范圍進一步擴展，逐漸打破巖層平衡狀態，直至形成拱狀自穩結構，使巷道圍巖保持平衡狀態。

(4)針對巷道圍巖破碎程度及范圍特點，選用專業高速地質雷達光譜地磁技術進行現場探測，得出松動圈為1.4 m，垂深1.4～4.0 m范圍是塑性范圍，垂深4.0 m～7.5 m范圍為彈性區。