深層軟巖巷道支護技術研究

駢麗軍

（晉煤集團沁秀公司坪上煤業有限公司，山西晉城048200）

為滿足我國對煤炭的需求，開采深層煤炭成為現在煤炭行業需要面對的問題。由于深層煤礦圍巖的結構相對復雜，導致在巷道掘進時可能會挖掘到穩定性低的軟弱類型巖層。目前最難解決的關鍵技術問題之一就是控制好深層采煤巷道的變形問題。針對以上問題，對深層軟巖巷道支護進行了深入研究[1-3]。

1 深層軟巖對巷道變形的影響

影響巷道的穩定性的因素，有很大方面是取決于圍巖本身和巷道與圍巖之間的關系。巷道是在原巖上挖掘的，挖掘巷道后，原巖的結構遭到破壞，圍巖在張力的作用下，壓力和剪切應力會隨著圍巖的深度逐漸增加。

隨著巷道的不斷深入，巷道頂部與基巖分離出的巖石通過重力作用對支撐結構施加一個微弱的壓力，下落后產生微空隙。巷道墻體頂部的微空隙使得巖石很容易從周圍環境中分離出來。這些松散形式的塊狀巖石可以在巷道中自由移動。巷道的中部層狀巖體將發生滑動，巷道的側壁受巖體滑動而產生變形。

另外，在高應力狀態下的軟巖巷道，由于軟巖強度低，會在圍巖內部產生圍巖松動圓，松動面積非常大。而圍巖與接觸面支護結構之間間隙很小，在高壓下容易引起應力集中。在這種情形下，支護結構和圍巖極易被破壞[4-7]。

2 圍巖巷道力學模型建立

通過上述對深層軟巖對巷道變形影響的分析，應建立該類型圍巖巷道的力學模型，判斷巷道中圍巖應力場的變化。

首先要按照常規巷道圍巖考慮彈性變形變量計算。因為塑性區的彈性變形不是常量，而是隨著半徑的變化而變化[8-10]，需做如下假設：

（1）根據隧道的受力情況，將應力分解為水平和豎直兩部分，其應變屬于平面應變，即受力長度為∞，忽略隧道內圍巖的重量。

（2）巷道圍巖的結構為彈塑性，其性質假設為理想狀態下的各向同性。

（3）巷道的側壓力為變值，其數值的大小會根據其壓力系數的增大而增大，壓力系數會參照具體的圍巖特性。

（4）圍巖巷道壓力坐標軸采用極坐標系，其中拉壓應力為負值，拉應力為正值。巷道圍巖力學模型如圖1所示。

圖1 巷道圍巖力學模型

軟弱圍巖的應力場可以分解為均勻支護抗力應力場和圍巖施加的非均勻應力場兩部分，其中：均勻支護抗力的應力場為作用于巷道內表面的均布支護抗力Q，通過梅拉公式求解得出：

式中：P——圍巖的圍壓，MPa；

λ——側壓力系數，0.8；

Q——巷道內表面均布支護抗力，MPa；

R——彈塑性區邊界半徑，mm；

r——圓形巷道的半徑，mm；

σr——支護應力場塑性區內的徑向應變；

σθ——支護應力場塑性區內切向應變。

圍巖施加的非均勻應力場，其彈塑性交界處邊界條件為(σr)r=R=0。根據圍巖力學模型邊界條件，運用半逆解法和相容方程等積分求解，力學模型關系式可表示為：

式中：θ——壓力點與底板中心的夾角；

σr——圍巖應力場塑性區內的徑向應變；

σθ——圍巖應力場塑性區內切向應變。

通過文獻[5]研究，將上述支護抗力應力場與圍巖非均勻應力場疊加，就可以得到有關圍巖彈塑性半徑的等式。

3 軟弱圍巖支護彈性解

因為圍巖力學性質惡化的主要因素是當圍巖從彈性狀態轉至塑性狀態時，圍巖材料內部發生變化，巖體內產生微裂隙而導致巷道變形。通過計算巷道圍巖的彈塑性半徑，可以判定出圍巖支護是否滿足要求。

首先利用二向應力狀態分析得到圍巖的主應力分布。

式中：σ″θ——支護應力場徑向應變與圍巖應力場徑向應變疊加；

σ″r——支護應力場徑向應變與圍巖應力場徑向應變疊加。

利用Hoek-Brown破壞準則，能夠準確地反映出圍巖最大應力與最小應力之間的關系，具體方程為：

式中：σci——單軸抗壓強度，經現場檢測其強度為19.5MPa；

mb——巖石材料常數，反映巖石軟硬度，取值10；

s——巖石材料常數，反映巖石破碎度，軟巖屬于易破碎巖體，取值0；

α——無量綱系數，取值0.5π。

根據某礦井圍巖現場檢測數據，圍巖壓力P=-25MPa，側壓力系數λ=0.8，巷道半徑為2300mm；將圍巖巷道力學模型代入Hoek-Brown破壞準則，選取Q=0MPa、Q=3MPa、Q=6MPa分別表示圍巖巷道不支護、弱支護和強支護的情況，得到巷道圍巖內的彈塑性半徑隨著角度的變化曲線，如圖2所示。

圖2 圍巖巷道彈塑性半徑的變化曲線

從圖2中可以看出，深層軟弱圍巖的巷道彈塑性半徑最小的角度在90°和270°時，即巷道側壁處，彈塑性半徑最大的角度在180°即拱頂位置。在沒有支護的巷道，彈塑性半徑最小值為2800mm，與巷道邊緣只有500mm，必須及時給巷道做支護。

在巷道增加3MPa和6MPa均勻支護后發現，其中，圍巖半徑最低點轉到了120°，最小值為3000mm，圍巖彈塑性半徑顯著增加，大約為16.8%。

通過上述研究發現，為保證深層軟巖巷道安全穩定，應提供相應的支護，支護位置優先選擇巷道側面與120°圓弧處。

4 現場實驗

針對上述理論計算，對某礦井的軟弱圍巖巷道進行支護實驗，支護結構采用U型鋼拱架與錨噴共同支護的形式。拱架分為三片，分別支護在巷道兩側及拱頂處。具體布置如圖3所示。

為保證試驗數據的準確真實，檢定員會每天下井對圍巖巷道檢測巷道位移收斂量，并計算出每天的收斂率，具體數據如圖4、圖5所示。

圖3 巷道圍巖試驗模型（單位：mm）

圖4 試驗巷道收斂量

圖5 試驗巷道收斂率

從圖4、圖5中可以看出，巷道變形周期大約為7周，7周后趨于穩定，從巷道收斂量來看，巷道變形量最大值為20mm，同兩幫和頂板的變形量比較接近，說明巷道變形在其支護下得到了穩定控制。

從圍巖收斂變形率來看，巷道變形在前10d收斂率逐漸升高，到第16d時達到最大值，最大收斂率為1.5%，隨后收斂速率顯著下滑，并在第49d趨近于零。說明該類型支護能夠有效降低深層軟巖巷道的收斂速度。

5 結論

在分析了深層軟巖對巷道的影響后，以局部支護條件下的圓形巷道截面建立了力學模型，對圍巖的彈塑性半徑進行了分析計算，將計算結果應用于某礦井的深層軟巖巷道。得到如下結論：

（1）圍巖的彈塑性半徑是巷道可能被破壞的主要決定因素，巷道內圍巖的剝落、底面鼓起等破壞形式均與此有關。

（2）通過理論計算，增加軟巖巷道兩側面及120°拱頂的支護，可有效地增加巷道的彈塑性半徑，提高巷道的穩定性。

（3）依據深層軟巖變形的彈性解，將錨噴結構應用于某礦井巷道，試驗結果顯示，該類方式支護的巷道，收斂變形量較小，有效控制了巷道變形。