動(dòng)靜組合應(yīng)力作用下巷道圍巖變形與控制技術(shù)研究方法

劉瑞 呂鎮(zhèn)

摘 要：深部巷道處于高靜載地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境中，同時(shí)易受外部開采擾動(dòng)等動(dòng)力沖擊載荷的影響（如頂板斷裂型沖擊、爆破沖擊、礦震沖擊等），在動(dòng)靜組合應(yīng)力作用下深部巷道的大變形甚至失穩(wěn)破壞等動(dòng)力災(zāi)害是深部礦井安全開采面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在對(duì)深部巖體受動(dòng)靜加載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行前期研究的基礎(chǔ)上，采用力學(xué)理論分析、計(jì)算機(jī)仿真模擬結(jié)合支護(hù)體結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)等綜合研究方法。首先分析外部動(dòng)載影響下深部巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)演變規(guī)律及圍巖內(nèi)部擾動(dòng)影響區(qū)的動(dòng)態(tài)運(yùn)移特征，闡明深部巷道在高靜載沖擊擾動(dòng)條件下的長(zhǎng)期大變形破壞機(jī)制;進(jìn)而提出動(dòng)靜組合應(yīng)力作用下深部巷道保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的條件，建立巷道支護(hù)準(zhǔn)則。其次在理論研究的基礎(chǔ)上，將以鋼管混凝土支架為主體的新型復(fù)合支護(hù)技術(shù)用于控制深部巷道穩(wěn)定性，對(duì)鋼管混凝土支架的力學(xué)特征及其與深部巷道圍巖的相互作用關(guān)系進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究，建立動(dòng)靜組合應(yīng)力作用下深部巷道新型支護(hù)控制體系。

關(guān)鍵詞：巷道圍巖變形;鋼管混凝土;力學(xué)分析

研究方法探討

本方法采用力學(xué)理論分析、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)等綜合研究方法，對(duì)動(dòng)靜組合應(yīng)力作用下深部巷道長(zhǎng)期大變形失穩(wěn)機(jī)制及穩(wěn)定性控制問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

1、動(dòng)靜組合應(yīng)力作用下圍巖長(zhǎng)期大變形失穩(wěn)機(jī)制研究

主要通過(guò)力學(xué)建模與理論分析結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法來(lái)研究動(dòng)靜組合應(yīng)力作用下圍巖的長(zhǎng)期大變形機(jī)理。首先建立合理的深部巷道圍巖力學(xué)作用模型，運(yùn)用礦山巖體力學(xué)與礦壓理論分析巷道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)分布，對(duì)巷道周邊圍巖的變形破壞狀態(tài)進(jìn)行分析，劃分破裂區(qū)和擾動(dòng)影響區(qū)的分布范圍，如圖1所示。破裂區(qū)內(nèi)圍巖強(qiáng)度降低至殘余強(qiáng)度，圍巖失去原承載能力;擾動(dòng)影響區(qū)內(nèi)圍巖切向集中應(yīng)力σθ處于圍巖抗擾動(dòng)強(qiáng)度σr（圍巖抵抗外界擾動(dòng)影響的最小強(qiáng)度與極限強(qiáng)度σc之間，圍巖短時(shí)破裂現(xiàn)象停止，擾動(dòng)變形持續(xù)發(fā)育，隨著變形持續(xù)增大，擾動(dòng)影響區(qū)最終會(huì)發(fā)育為破裂區(qū)，使得擾動(dòng)影響區(qū)向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移。

動(dòng)靜組合應(yīng)力作用下的深部巷道長(zhǎng)期大變形，本質(zhì)上是由于圍巖擾動(dòng)影響區(qū)域不斷向內(nèi)部轉(zhuǎn)移的結(jié)果，在這個(gè)過(guò)程中，圍巖切向集中應(yīng)力逐漸衰減，而內(nèi)部圍巖隨著圍壓的增大其抗擾動(dòng)強(qiáng)度及極限強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。因此下一步，通過(guò)力學(xué)分析，研究?jī)?nèi)部圍巖集中應(yīng)力的不斷衰減與巖體抗擾動(dòng)強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)的關(guān)系，分析圍巖流變擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律，探討擾動(dòng)影響區(qū)向圍巖內(nèi)部不斷發(fā)展的規(guī)律，揭示出流變擾動(dòng)條件下深部巷道長(zhǎng)期大變形及失穩(wěn)破壞機(jī)理。在上述分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用彈塑性力學(xué)與流變力學(xué)原理，通過(guò)合理的基本假設(shè)，推導(dǎo)出各個(gè)區(qū)域的寬度計(jì)算公式，對(duì)其變形特征參量進(jìn)行定量分析。同時(shí)在研究過(guò)程中采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道開挖后的應(yīng)力場(chǎng)演變規(guī)律進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬研究，對(duì)理論研究結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。

2、深部巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

首先提出動(dòng)靜組合應(yīng)力作用下深部巷道的支護(hù)準(zhǔn)則，確定采用復(fù)合支護(hù)手段對(duì)圍巖進(jìn)行控制;其次運(yùn)用巖層控制及礦山巖體力學(xué)理論分析不同的支護(hù)體對(duì)巷道圍巖的控制作用機(jī)理，如金屬網(wǎng)、混凝土噴層、錨桿、錨索及剛性支架分別能夠?qū)ο锏绹鷰r穩(wěn)定性控制起到何種作用，各種支護(hù)體的支護(hù)能力及其之間的銜接配合等;最后通過(guò)建立力學(xué)模型、設(shè)定合理的基本假設(shè)，根據(jù)巷道圍巖保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的條件，理論推導(dǎo)出支護(hù)體為保持圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定所需要提供的初次支護(hù)與二次支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式。

3、鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)及性能研究

鋼管混凝土支架是依據(jù)巷道斷面形狀將空鋼管彎曲制作成相應(yīng)的形狀，然后在空鋼管支架內(nèi)充填混凝土，用于巷道圍巖穩(wěn)定性控制的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括：①它通過(guò)鋼管管殼的約束作用使內(nèi)部混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度;同時(shí)內(nèi)填混凝土與鋼管管殼共同承受軸向壓力，增強(qiáng)了鋼管的幾何穩(wěn)定性，能夠避免鋼管壁過(guò)早的發(fā)生局部屈曲破壞。②鋼管混凝土構(gòu)件具有圓柱狀外形，抗彎剛度大，無(wú)異向性，不易扭曲變形，用于井下深部巷道支護(hù)，不會(huì)出現(xiàn)U型鋼支架的扭曲破壞等結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。鋼管混凝土構(gòu)件及圓形鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。依據(jù)現(xiàn)在煤礦井下比較常用的巷道斷面形狀，鋼管混凝土支架較常用的設(shè)計(jì)形狀有：圓形、直墻半圓拱+反底拱形、弧墻圓拱形、弧墻三心拱形，其中以前三種較為常用。

4、支架結(jié)構(gòu)研究

利用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，研究不同斷面形狀支架的受力特征及穩(wěn)定性，判斷不同斷面形狀的支架對(duì)原巖應(yīng)力場(chǎng)的適應(yīng)性以及對(duì)巷道圍巖的支護(hù)效果;對(duì)單個(gè)支架的結(jié)構(gòu)構(gòu)成以及各支架間的連接進(jìn)行研究，保證支護(hù)體系的整體穩(wěn)定性。支架承載力研究：鋼管混凝土支架的極限承載能力主要受鋼管混凝土短柱的極限承載力影響，利用理論計(jì)算及力學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)鋼混支架短柱承載力進(jìn)行研究，進(jìn)而研究分析鋼混支架的支護(hù)強(qiáng)度。

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作者簡(jiǎn)介：

劉瑞（1998-），男，漢族，山東省濟(jì)寧人，本科，山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院采礦工程專業(yè)2016級(jí)，研究方向?yàn)椴傻V工程

呂鎮(zhèn)（1998-），男，漢族，山東省青島人，本科，山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院采礦專業(yè)2016級(jí)，研究方向?yàn)椴傻V工程

（作者單位：山東科技大學(xué)）