極松軟強蠕變巷道圍巖變形機理與控制技術研究

袁作軍，經來旺，朱久隆，張雄天，李計發， 張登娥，薛維培，經緯，張開放

(1.白銀有色集團股份有限公司小鐵山礦， 甘肅 白銀市 730900； 2.安徽理工大學 力學與光電物理學院， 安徽 淮南市 232001； 3.蘭州有色冶金設計研究院有限責任公司， 甘肅 蘭州市 730000； 4.運城恒運科技有限公司， 山西 運城市 044000； 5.安徽理工大學 土木建筑學院， 安徽 淮南市 232001)

0 引言

隨著巷道埋深的不斷增大，高地壓環境下的極松軟強蠕變巷道圍巖的變形問題也變得越來越嚴重，很多巷道呈現片幫、底鼓等全斷面破壞特征。

長期以來，針對極松軟強蠕變巷道圍巖變形破壞機理的研究成果眾多，其中典型的成果有Fenner公式[1]、圍巖應變軟化的二階段模型[2]、非均勻地應力場情況下的最大與最小主偏應力的解析解[3]、巷道圍巖松動圈支護理論[4]、直-曲-直三階段模型[5]等。對應于上述基本變形理論，圍巖變形控制機理方面也先后產生了一系列的研究成果[6-10]，其中典型的有“讓壓”原理、懸吊原理、承載拱原理、組合梁原理、膠結強化原理、卸壓維穩原理、“讓壓”與“增壓”互補原理等圍巖變形控制理論。

上述理論和原理大多是針對某一特定地質條件的圍巖且基于某些基本假設的研究成果，如Fenner公式的研究對象是理想彈塑性體，圍巖應變軟化的二階段模型視圍巖僅有彈性和塑性兩種變形，非均勻地應力場情況下的最大、最小主偏應力的解析解忽視了中間主應力，巷道圍巖松動圈支護理論假設圍巖最多僅有3個變形分區，直-曲-直三階段模型未考慮圍巖的穩定蠕變特性且過度簡化了巖石全應力-應變曲線的峰后階段，組合梁原理忽視了急傾斜圍巖巷道的頂板賦存狀況，“讓壓”原理沒有給出系統且完整的分析和解析解。基于這些因素，該領域還存在很大的研究空間。

目前白銀有色集團股份有限公司小鐵山礦深部巷道的地質條件極其復雜，很難單純地應用上述某一種理論和原理來進行分析。小鐵山礦深部圍巖基本呈近垂直分布，巖性屬泥質片狀頁巖，節理發育、松散且單片頁巖的厚度很薄，僅3～5 mm，內含的微膨脹物質極易導致巖體遇水軟化和崩解。近年來隨著開采深度的增加，巷道圍巖變形程度越來越嚴重，片幫情況普遍存在，有些巷道的寬度已縮至一半，嚴重影響了安全生產。

針對上述存在的一系列問題，本文以小鐵山礦1348水平外脈巷為研究對象，展開了較深入的巷道變形機理與控制技術研究，以期為其他類似礦山提供參考。

1 圍巖變形與控制機理研究

針對變形機理的研究，本文從圍巖的承載性質出發提出一種全新的內外承載結構觀點，并結合彈塑性力學的基本理論給出了松動圈擴展與演化的新機理。

1.1 內外承載結構劃分

圖1中，整個巷道圍巖被劃分為兩個承載結構，即內外承載結構，內外承載結構以松動圈外邊界為分界面，劃分的基本依據如下。

圖1 巷道圍巖內外承載結構劃分示意

（1）依據巖體性質劃分。界面之內巖體已經破裂、松動，屬塑性體；界面以外巖體完整，無裂隙，可近似視為彈性體。塑性體和彈性體的理論研究方法完全不同，各成體系。

（2）依據環向應力峰值點為界劃分。圖1清楚地顯示圍巖環向應力的最大值發生在松動圈外邊界處，這充分表明了分界面內外巖體的承載性質不同，大量的研究成果也表明分界面內外次生應力的解析分析方法也不同。此外這種劃分也非常便于松動圈力學模型和外圍巖體力學模型的建立。

1.2 巷道圍巖松動圈演化機理

圖2、圖3所示的巷道下部的松動圈是有差異的，圖2所示的巷道下部的松動圈是巷道成巷不久形成的，底板下部的松動圈范圍并不很大。圖3所示的巷道下部的松動圈是巷道成巷較長時間后，巷道底板因缺少支護和浸水軟化導致松動圈不斷擴大之后的情況。

圖2 巷道內外承載結構示意

圖3 底板松動圈浸水軟化擴展示意

巷道底板積水的主要原因有兩個：

（1）通常底板因支護難度較大而不支護，于是底板松動圈很容易形成且范圍較大；

（2）巷道施工用水、圍巖空隙水及上方含水巖層中的水都會滲入底板松動圈，由于松動圈存在較大的裂隙，導致容易積水。

浸水后的底板松動圈會不斷擴大，主要原因在于巖石浸水后的軟化現象，尤其泥巖浸水軟化的程度很高，通常都在70%以上，軟化后的底板對外圍尚未松動破壞巖體的徑向作用力大幅降低，導致松動圈從上至下對外圍巖體的徑向力呈現逐漸減小的態勢（見圖4），依據相關強度理論可知此種情況下松動圈將不斷擴展。

底板松動圈持續不斷地擴展將直接導致巷道圍巖松動圈的整體形狀由開始的近似圓形逐漸演化成近似豎向橢圓形。

1.3 整體穩定性控制機理（控幫抑頂底力學機理）

圖4所示的一個巨大應力場中的豎向橢圓形孔洞，依據彈性理論可知其穩定性最低的位置在豎向中點，即圖4中A、B點位置，此處將其稱為危險點或關鍵控制點，一旦該點失穩，相鄰部位會隨之失穩，如圖4中的CD和EF之間的部位。喪失穩定性的區域緊接著會發生破裂、松動，并產生向巷道一側的位移。

圖4 外承載結構穩定性分析示意

依據穩定性原理，失穩破壞對應的外界載荷遠小于強度破壞對應的外界載荷；反之，維護穩定性所需的外力也遠小于抑制強度破壞所需要的外力。因此，針對失穩危險點的穩定性控制所需要的控制力并不是很大，具體設計中，在圖4中的A、B點附近設置水平錨索即可很好地控制幫部穩定性。

1.4 全長錨固的力學機理

全長錨固就是利用注漿錨桿（索）實施注漿料的注入，在完成破碎圍巖加固的同時也實現了錨桿（索）與鉆孔孔壁之間的壓力充填。

如圖5所示，實施全長錨固的圍巖可視為由多個環狀結構形成的組合體，組合體中的每一個環狀結構的內側面都猶如被設置了一個托盤，自外層環狀結構開始，就因為其內層托盤的作用而較大限度地抑制了其向內的變形，從而也就較大程度地降低了其對相鄰內側環狀結構的擠壓。因此，越是靠近內側的環狀結構受力就越小，甚至某些時候端部的托盤與巷壁之間的壓力幾乎為0。由此可推知全長錨固的情況下巷道內側圍巖的破壞程度是較輕的，所以全長錨固具有更強的主動性。

圖5 全長錨固與端錨差異性分析示意

針對圖4所示的關鍵控制點，實施水平長錨索全長錨固，不僅可以有效地加固圍巖，提高幫部圍巖自身的承載力，同時還可以大幅提升幫部圍巖的穩定性，從而可以防止片幫現象的發生。此外依據圖4所示的力學模型可知，當兩幫穩定性得以控制后，巷道底板下方浸水軟化的泥巖自然就不會再受到兩幫向內收縮引發的擠壓，故而因此而產生的底鼓自然也就失去了動力來源。

2 實例分析

依據上述相關力學機理，以甘肅白銀集團股份有限公司小鐵山礦1348水平外脈巷為研究對象實施支護方案設計，并利用ABAQUS數值分析軟件分析其與原支護方案之間的支護效果差異，以驗證理論分析的合理性與科學性。

2.1 工程概況

小鐵山礦1348水平外脈巷埋深-570 m，為直墻拱形巷道，墻高1.75 m，拱直徑3.50 m。該巷道原支護方案是管縫式錨桿支護，間排距1000 mm×1000 mm，錨桿規格：Φ32×L1800 mm。在巷道埋深較淺時，原支護方案顯示了較好的支護效果，但進入-500 m后，原支護方案的有效性逐漸減弱。附近的1416水平脈外巷、1392水平脈外巷等巷道均在成巷一段時間后表現出了嚴重的蠕變，不僅產生了高額的返修成本，也給安全生產帶來了很大隱患。

2.2 1348水平外脈巷支護方案數值分析

2.2.1 新支護方案數值分析

1348水平外脈巷新支護方案如圖6所示，幫下部布置2排長錨索，以控制關鍵點的穩定性，拱部錨索主要用于抑制上部圍巖的蠕變并杜絕冒頂現象，相關注漿錨桿（索）均通過注漿實現全長錨固。

圖6 新支護方案支護參數（單位：mm）

巖體破壞遵循Mohr-Coulomb準則，巖體材料基本參數見表1。采用的應變硬化冪律模型見式（1）。

式中，A=2.4E-25，m=3.0，n=-0.65。注漿加固巖體參數見表1，巷道埋深570 m，豎向地壓依據上覆 巖層的平均容重2500 kg/m3和埋深計算。

表1 模擬材料參數

根據彈塑性理論，當巷道埋深≥20R0（R0為巷道等效半徑）時，巷道開挖應力影響范圍大致為5R0（本例約12.5 m）。為此，采用ABAQUS軟件建立如圖7所示的三維計算模型，模型尺寸為50 m×50 m×3.5 m，巷道位于模型正中央，模型尺寸滿足模擬計算的尺寸要求。

圖7 模型尺寸

2.2.2 模擬結果

為探討巷道圍巖位移及其速率的變化規律等情況，取巷道1-頂板中點、2-拱底、3-直墻幫中點、4-幫底、5-底板中點等5個關鍵點為參照進行分析，關鍵點的位置如圖6所示。5個關鍵點90 d位移演變規律的模擬結果表明，90 d后，1～5點基本都已穩定，各點的變形量分別為：1.20 cm，1.74 cm，1.92 cm，0.61 cm和0.91 cm。

與原支護方案相比，新支護方案的底板變形差異不大，但幫部中點、拱底和頂板中點的變形差異較大。整體而言，對于新支護方案，90 d后巷道變形已基本收斂；但原支護方案下90 d巷道的變形仍未停止，蠕變仍在繼續。

為了更好地顯示兩種支護方案的差異性，給出了365 d的圍巖位移演變規律（見圖8）。圖8中實線代表原支護方案，虛線代表新支護方案。顯然，原支護方案下關鍵點3，2，1在1 a之后依然持續蠕變，這也與近年來小鐵山礦其他巷道的狀況基本一致。

圖8 兩支護方案巷道邊界5個關鍵點 360 d位移演變規律模擬結果

3 現場實測

為了更好地檢測支護效果，在1348水平外脈巷選取了2個監測斷面進行變形監測，一個監測斷面在原支護方案實施的區段內，另一個監測斷面在新支護方案實施的區段內，7 d監測一次。

監測結果見圖9。

圖9 兩種支護方案現場監測變形演變規律曲線

圖9的監測數據表明，新支護方案區段變形收斂速率快，約30 d后拱基、幫中和底中的變形即趨向于0。原支護方案區段雖然40 d內的變形收斂速率快，但之后除底板中點之外，其余兩點均進入了持續的蠕變期。

4 結論

通過上述極松軟強蠕變高應力巷道圍巖變形與控制機理的研究及小鐵山礦1348水平外脈巷兩種支護方案數值分析與現場實測結果的對比，揭示 出巷道變形與機理方面存在如下幾個可供參考的重要結論。

（1）巷道圍巖內外承載結構學說對揭示圍巖蠕變機理與控制機理具有重要作用。本文揭示了全長錨固控制圍巖的本質機理，明確地指出了全長錨固不僅在控制圍巖整體穩定性方面效果很好，而且對保護淺層圍巖的完整性也具有端錨無法比擬的優點。

（2）小鐵山礦1348水平外脈巷90 d位移演變規律的模擬試驗結果表明，對于新支護方案，90 d后巷道變形已基本收斂。

（3）在小鐵山礦1348 m水平外脈巷選取2個監測斷面進行變形監測，監測結果表明，新支護方案區段變形收斂速率快，約30 d后拱基、幫中和底中的變形即趨向于0。