深部巷道薄厚組合殼支護適用性模擬分析

孫利輝，宋家樂，賀慶豐，丁 斌，彭世龍，熊懷鑫，楊賢達，3，楊本生，3

（1.河北工程大學 礦業(yè)與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038；2.礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054；3.河北省煤炭資源綜合開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038）

我國中東部大部分煤礦已處于深部開采階段[1-3]，隨開采深度的不斷增加，巷道所處的地質條件也愈發(fā)復雜，尤其是地應力對巷道穩(wěn)定的影響更加突出[4-6]。地應力是導致巷道圍巖破壞失穩(wěn)的重要因素[7-8]，使巷道出現(xiàn)冒頂、底鼓和兩幫內(nèi)斂等現(xiàn)象[9-12]，實踐表明傳統(tǒng)的支護結構及技術難以控制巷道圍巖[13-16]，嚴重影響了煤礦的安全生產(chǎn)。故亟需針對實際地應力分布規(guī)律研發(fā)新的支護結構及技術以控制巷道變形。

主應力量值、方向與巷道的夾角是造成圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞的主要原因。在不同水平應力作用下，巷道圍巖的失穩(wěn)情況呈現(xiàn)出不同變化，很多學者對此進行了卓有成效的研究：孫玉福[17]認為，巷道圍巖的塑性區(qū)隨巷道軸線與所處地層最大水平主應力夾角的增大而不斷增大，當夾角在20°～70°時變化較為明顯；孫利輝等[18]認為，λ<1 時，巷道斷面呈橫向橢圓狀，λ=1 時，巷道斷面呈圓形，λ>1 時，巷道斷面呈豎向橢圓狀，說明側壓系數(shù)對巷道斷面形狀具有重大影響；董海龍等[19]認為隨著巷道圍巖中側壓系數(shù)由0.3 增加到1.0，其塑性區(qū)形狀越來越趨近于圓形，其塑性區(qū)范圍越來越小。但前人的研究大多具有地域性，我國煤炭資源分布廣泛，不同的地區(qū)的地質條件不盡相同，也致使不同地域的地應力分布規(guī)律與圍巖穩(wěn)定性的關系也不盡相同，明確具體區(qū)域中的關系才能為進一步控制圍巖奠定理論基礎。

峰峰集團羊東礦-850 m 水平回風大巷埋深達到了1 000 m，是典型的深部巷道，成巷后半年內(nèi)即出現(xiàn)了災害性大變形現(xiàn)象，頂板條帶式破壞，底板嚴重底鼓等問題，巷道前掘后修情況嚴重，為有效控制羊東礦深部巷道圍巖變形，對羊東礦地應力分布規(guī)律與巷道圍巖穩(wěn)定性的關系進行了研究，并研發(fā)出了波紋鋼薄殼+錨注體厚殼協(xié)同控制圍巖的薄厚組合殼控制技術，為深部巷道圍巖控制提供了基礎理論依據(jù)。

1 工程背景

峰峰集團羊東礦-850 m 水平回風大巷位于中砂巖層位，層厚26 m，巷道距離中砂巖頂界12 m、距離中砂巖底界10 m；中砂巖上部為粉砂巖，層厚20.1 m，中砂巖下部為粉砂巖，層厚5.0 m；5.0 m 厚粉砂巖下部為2#煤，2#煤距巷道垂直距離為15 m，層厚為6.0 m。

回風大巷設計為直墻半圓拱形，高×寬為4 150 mm×4 700 mm，采用錨網(wǎng)噴+錨索+高凸T 型鋼支護，支護參數(shù)如下：錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm，間排距700 mm×700 mm，錨桿托盤為200 mm×200 mm×16 mm 的鋼板；錨索規(guī)格為φ21.6 mm×7 350 mm，間排距1 400 mm×1 400 mm，錨索托盤為200 mm×140 mm×30 mm 的鋼板，每個斷面5 根錨索采用2 條弧形高凸T 型鋼帶進行聯(lián)鎖；全斷面掛φ6鋼筋編織焊接成的鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為1 500 mm×800 mm；初噴厚度50 mm、復噴厚度100 mm，C20 混凝土。巷道原支護斷面圖如圖1。成巷支護后，巷道圍巖仍出現(xiàn)大變形，在成巷支護后40 d，兩幫變形達到87 cm，在成巷支護后50 d，底板變形量達到95 cm，巷道需要反復維修方能維持正常使用。

圖1 回風大巷原支護斷面圖Fig.1 The original support section of the main roadway of the return wind

2 羊東礦地應力分布規(guī)律

地應力是引起地下工程變形和破壞的根本作用力[20]，地應力分布規(guī)律對礦井開拓布置，巷道設計支護參數(shù)等具有重要意義，是礦井重要的基礎研究資料。根據(jù)礦井實際地應力的大小和方向對巷道的支護設計參數(shù)進行優(yōu)化更加科學。在回風大巷起點以里40 m 和60 m 處設置了2 個測點，利用應力解除法進行了原巖應力測試。結果表明：-850 m 水平區(qū)域最大主應力為水平主應力，最大水平主應力的量值平均為27.97 MPa，方位角平均為112.12°，東偏南向；側壓系數(shù)在1.23～1.42 之間；最大水平主應力與回風大巷軸向夾角為68°，屬于大角度斜交，巷道局部區(qū)域極易發(fā)生變形破壞。地應力測試結果見表1。

表1 羊東礦地應力測試結果Table 1 Yangdong Mine stress test results

3 深部巷道波紋鋼薄殼+錨注厚殼組合殼支護

針對深部巷道圍巖形變特征，提出了深部巷道雙殼加固技術。波紋鋼材料在土木工程橋梁、涵洞支護應用中具有良好的力學性能和便捷的施工工藝。基于雙殼加固技術和波紋鋼材料的優(yōu)點，采用B 型波紋鋼拼接板實施巷道表層支護形成表層薄殼、錨注加固使巷道圍巖形成內(nèi)層厚殼，2 個殼體通過錨索實現(xiàn)力學相互作用，由此形成深部波紋鋼（薄殼）-錨注體（厚殼）的新型雙殼支護結構[21]，控制巷道圍巖穩(wěn)定，薄厚組合殼結構示意圖如圖2。波紋鋼板與巷道內(nèi)壁的縫隙用充填體進行填充，使波紋鋼板和巷道圍巖內(nèi)壁充分接觸，波紋鋼板和縫隙內(nèi)充填體構成了波紋鋼薄殼。穿過波紋鋼板在巷道圍巖中布置注漿錨桿索，對破碎圍巖進行注漿，圍巖及錨注體形成了厚殼。厚殼抵御高地應力，薄殼具有較好的彈性和護表性，可以對巷道輪廓起到良好的保持作用；薄殼和厚殼連接緊密，協(xié)同作用，共同抵抗地應力，對巷道圍巖起到良好的控制作用。將巷道擴修為圓形巷道，巷道毛斷面直徑為4 932 mm。圓形波紋鋼薄殼斷面由12 塊Q235 材質的B 型波紋鋼板拼接而成，波紋鋼板的單板長度1 245 mm，寬度為450 mm，波深d 為45 mm，波距l(xiāng) 為178 mm，波形內(nèi)弧半徑R 為16 mm，兩側翻邊高度L 為45 mm，板厚T 為4.75 mm。波紋參數(shù)如圖3。

圖2 薄厚組合殼結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the thin-thick combined shell structure

圖3 波紋參數(shù)Fig.3 Corrugated parameters

針對羊東礦-850 m 水平回風大巷具體情況，設計巷道薄厚組合殼支護。全斷面安裝8 根規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm 的中空注漿錨桿，上半部中間布置1 根、左右各布置1 根，間排距為1 870 mm×900 mm，下半部中間布置1 根、左右各布置2 根，中間錨桿到兩側錨桿的間排距為1 870 mm×900 mm，左右兩側錨桿的間排距為1 245 mm×900 mm，托盤均為100 mm×100 mm×10 mm 的方形鐵板；全斷面安裝6根規(guī)格為φ21.6 mm×6 000 mm 的中空注漿錨索，間排距為2 490 mm×1 800 mm，托盤為160 mm×160 mm×16 mm 的方形鐵板；全斷面共安裝12 塊厚度為4.75 mm 的Q235 波紋鋼；全斷面通過注漿錨桿和注漿錨索實施高壓注漿。

4 羊東礦-850 水平回風大巷數(shù)值模擬

4.1 波紋鋼板薄厚組合殼數(shù)值模型

應用數(shù)值模擬技術，深入研究巷道薄厚殼結構在不同地應力場環(huán)境下圍巖支護結構的抗變形能力，最終得到巷道在不同側壓系數(shù)下的變形規(guī)律。網(wǎng)格體中所有區(qū)域均采用摩爾庫倫本構模型，模型尺寸為x×y×z=50 m×20 m×50 m，模型分為5 層，自上而下分別為粉砂巖、中砂巖、粉砂巖、2#煤、粉砂巖，巷道周圍為等效注漿層。錨桿、錨索采用cable 單元布置，波紋鋼采用shell 單元布置。模型剖面如圖4，煤巖物理力學參數(shù)見表2。

表2 煤巖物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock

圖4 模型剖面圖Fig.4 Model section

模型分11 種方案模擬，垂直于巷道軸線的側壓系 數(shù)λ 分別為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.25、1.5、2.0、2.5、3.0，模型算至平衡。

4.2 側壓系數(shù)變化對巷道截面輪廓的影響

不同側壓系數(shù)下巷道最終截面輪廓形狀如圖5。由圖5 可知：當0.5≤λ<1 時，巷道斷面輪廓呈橫向橢圓形，這主要是巷道圍巖中垂直應力大于水平應力，此時巖石的三向受力狀態(tài)中，起決定性作用的是垂向應力，巷道在斷面輪廓上主要受垂向應力控制，巷道采用全封閉的波紋鋼做薄殼支護，周圍巖體盡管已經(jīng)失穩(wěn)破壞，但由于沒有達到波紋鋼薄殼的極限承載能力，波紋鋼還處于彈性狀態(tài)，所以巷道斷面輪廓呈現(xiàn)出較為平滑的橫向橢圓狀；當λ=1 時，巷道斷面輪廓呈圓形，在靜水應力狀態(tài)下，外載荷強度并未達到波紋鋼薄殼的極限承載能力，所以巷道斷面輪廓平滑，呈現(xiàn)為圓形；當1<λ≤2 時，巷道的斷面呈現(xiàn)為豎向的橢圓形，這是由于巷道圍巖中水平應力大于垂直應力，巷道在水平應力作用下，巷道兩幫向內(nèi)收斂，而巷道垂直應力導致的巷道頂?shù)装遄冃涡∮谙锏纼蓭妥冃危诓y鋼薄殼約束下，巷道斷面輪廓依然較為平滑，呈現(xiàn)豎向橢圓形狀；當2<λ≤3，巷道斷面的頂?shù)装鍏^(qū)域不再平滑，這是由于在較大的水平應力主導作用下，波紋鋼薄殼失穩(wěn)破壞，巷道兩幫收斂量增大，巷道頂?shù)装宓奈灰屏肯鄬^小，造成波紋鋼在頂?shù)装瀹a(chǎn)生破壞，所以巷道斷面呈現(xiàn)出上下兩頭較尖、中間較粗的不規(guī)則形狀。

圖5 不同λ 下巷道截面輪廓Fig.5 Cross-section profile of roadway under different λ

不同側壓系數(shù)對應的巷道截面面積如圖6。巷道截面面積具有一定的規(guī)律性，可采用線性擬合方法得到擬合曲線及方程，進而得到隨側壓系數(shù)與巷道截面積的變化規(guī)律。

圖6 不同λ 下巷道截面面積Fig.6 Cross-sectional area of roadway under different λ

得到擬合的曲線方程為：

式中：S 為巷道截面積；λ 為側壓系數(shù)。

根據(jù)數(shù)值模擬結果，在λ=0.8 時，巷道斷面有最大面積，為17.06 m2，為設計毛斷面的89.30%；在λ=2.0 時，巷道斷面面積為12.71 m2，為設計毛斷面的79.88%。由擬合方程知，在λ=0.785 時，巷道斷面有最大面積為17.02 m2，為設計毛斷面的89.09%；在λ=2.0 時，巷道斷面面積為15.31 m2，為設計毛斷面的80.14%，與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)基本吻合。隨λ 增大，巷道輪廓從橫向橢圓變?yōu)閳A形，再變?yōu)榭v向橢圓，最后變?yōu)樯舷聝深^尖、中間粗的不規(guī)則形狀，巷道的面積從λ=0.785 時開始變小，當λ>2 時，波紋鋼薄殼出現(xiàn)破壞，破壞主要在巷道的拱肩、拱腳位置，巷道斷面面積急劇減小。

4.3 側壓系數(shù)對巷道變形的影響

不同側壓系數(shù)下巷道圍巖位移規(guī)律如圖7。當λ=0.5 時，兩幫收斂量為0.157 m；當λ=1.0 時，兩幫收斂量為0.265 m，與λ=0.5 相比增加了0.108 m；當λ=2.0 時，兩幫收斂量為0.654 m，與λ=1.0 相比增加了0.389 m；當λ=3.0 時，兩幫收斂量激增到1.516 m，與λ=2.0 相比增加了0.862 m。兩幫收斂量隨λ 增大呈現(xiàn)不斷增大趨勢，當0.5≤λ≤2.0 時，波紋鋼板還處于彈性狀態(tài)，沒有出現(xiàn)大范圍的塑性破壞，λ 與兩幫收斂量呈現(xiàn)出線性關系；當λ>2.0 時，波紋鋼板頂?shù)锥嗵幬恢冒l(fā)生塑性破壞，波紋鋼薄殼的強度不足以支撐破碎圍巖，導致兩幫收斂量急劇增大。隨λ 增加，底鼓量逐漸減小，λ 從0.5 增大到3.0，底鼓量從0.161 m 減小到0.056 m，減少量為0.105 m；λ 從0.5 增大到2.5，頂板下沉量從0.201 m 減小到0.008 m，減少量為0.193 m，頂板下沉量呈現(xiàn)減小趨勢，當λ>2.5 時，頂板不再沉降，反而上升，當λ=3.0 時，頂板上升0.265 m；巷道頂?shù)装逶讦恕?.0 時，巷道頂?shù)装遄冃瘟恐饕艿酱怪睉Φ淖饔茫尸F(xiàn)頂板下沉、底板鼓起的現(xiàn)象，當λ>2.0 時，巷道的最大水平主應力起主導作用，巷道圍巖中波紋鋼的水平約束增大，使得巷道頂?shù)装逑蛏舷峦钩觯霈F(xiàn)頂板上升量大于下沉量、底板鼓起變緩的現(xiàn)象。

圖7 不同λ 下巷道位移Fig.7 Displacement of roadway under different λ

4.4 側壓系數(shù)對巷道塑性區(qū)范圍的影響

不同側壓系數(shù)下巷道塑性區(qū)分布規(guī)律如圖8。在0.5≤λ<1.0 時，隨λ 增大，巷道兩幫圍巖的橫向約束逐漸增強，但水平應力小于垂直應力，且垂直應力不變，所以巷道兩幫塑性區(qū)由深部向淺部轉移，范圍逐漸減小，頂?shù)装逅苄詤^(qū)變化不大；當λ=1.0 時，水平應力與垂直應力數(shù)值相等，巷道圍巖受力均勻，所以塑性區(qū)均勻分布在巷道周圍的淺部位置；當1.0<λ≤2.0 時，隨λ 增大，水平應力開始大于垂向應力，且垂向應力不變，導致在巷道圍巖中，垂向應力對頂?shù)装鍑鷰r的約束相對減小，導致巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)向深部轉移，塑性區(qū)范圍逐漸增大，巷道兩幫塑性區(qū)變化不大；當λ>2.0 時，隨λ 增大，在較大的水平應力作用下，超出了巷道組合殼支護結構的控制范圍，巷道圍巖塑性區(qū)呈災害性擴展。

圖8 不同λ 下巷道塑性區(qū)分布規(guī)律Fig.8 Distribution law of plastic zone in roadway under different λ

當0.5≤λ<2.0 時，組合殼結構可以有效控制巷道圍巖變形，所以此階段塑性區(qū)范圍相對較小，巷道圍巖相對穩(wěn)定，當λ≥2.0 時，巷道圍巖中錨桿錨索錨固端圍巖遭到破壞，錨桿錨索失效，單一的薄厚組合殼難以有效控制圍巖變形，導致塑性區(qū)迅速擴大。

5 結 語

1）應用應力解除法獲得了羊東礦-850 m 水平區(qū)域地應力場特征，現(xiàn)場最大主應力為水平主應力，平均為27.97 MPa，側壓系數(shù)在1.23～1.42 之間，最大水平主應力與回風大巷夾角為68°，屬于大角度斜交，巷道局部易出現(xiàn)破壞，巷道受地應力影響較大。

2）研發(fā)出了深部巷道波紋鋼板薄殼+錨注體厚殼的組合殼支護技術，波紋鋼板與圍巖表面充填體形成整體護表薄殼結構，錨注體形成內(nèi)部厚殼結構，薄殼與厚殼通過錨索形成力學聯(lián)系，擠壓圍巖，提高圍巖承載能力，控制巷道圍巖出現(xiàn)局部大變形，全斷面圍巖變形更加均勻、可控。

3）模擬結果表明：當側壓系數(shù)在0.5～2.0 之間時，薄厚組合殼支護結構能夠有效控制巷道穩(wěn)定；當側壓系數(shù)大于2.0 時，一般巷道薄厚組合殼結構圍巖出現(xiàn)局部破壞現(xiàn)象，不能控制圍巖穩(wěn)定，可以通過增加局部破壞區(qū)域波紋鋼板厚度提高薄殼剛度或增大錨注體強度的方法進一步實現(xiàn)巷道穩(wěn)定。