深埋巷道圍巖非對稱變形破壞機理研究

馬雷鋒

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600）

0 引言

2021 年，全國原煤產量41.3 億t，同比增長5.7%，創歷史新高。高強度的開采導致國內大部分礦區由淺部開采向深部開采延伸。而在深部開采過程中，由于高地應力及高疊加采動應力的影響，巷道非對稱大變形、底臌、沖擊地壓的災害事故頻發。因此，研究深部巷道圍巖的穩定性控制問題至關重要。

近幾年來，眾多學者圍繞巷道圍巖穩定的問題展開了深入討論和實測探究。康紅普[1]等以千米深井為研究對象，針對大采動巷道提出“支護—改性—卸壓”的圍巖控制技術，并研發了微納米復合材料及高壓注漿材料。侯朝炯[2]等通過理論闡述了圍巖破壞的兩個難點，即底臌和蠕變，并通過一次支護和二次支護提出了針對性的支護措施。趙志強[3]等將巷道視為平面應變問題，基于摩爾庫倫準則提出巷道圍巖塑性區的八次隱形方程。蘇士龍[4]基于UDEC 對巷道圍巖承載特性及變形特征進行深入研究。馮國瑞[5]等通過理論解析方法及數值模擬手段對非對稱大變形破壞進行深入研究，建立了自穩隱性拱支護模型。王衛軍[6]等對深部高地應力的大變形巷道進行深入研究，通過改變支護阻力研究了支護強度對圍巖變形破壞的影響，提出巷道“給定變形”的概念，并通過工業性試驗提出了“錨桿+桁架錨索”的組合支護技術。張農[7]等通過理論推導出巷道應力雙向連續的穩定機理，提出了柔性錨桿支護技術。劉洪濤等在考慮軸向應力的基礎上提出三向塑性區求解思路。

眾多學者對巷道圍巖的穩定控制問題展開了深入研究，這些研究對巷道圍巖的穩定控制具有重要意義。本文基于巷道圍巖蝶形破壞理論，對霍爾辛赫3501 工作面運輸順槽的非對稱破壞進行深入研究，并提出相對應的支護建議。

1 工程地質概況

霍爾辛赫煤業目前主采3501 工作面的3 號煤層，煤層埋深581 m，平均厚5.6 m，3501 運輸順槽掘進斷面規格為6 m×4.7 m，掘進時二次施工成巷，首次掘進巷道高度為3.5 m，二次起底高度為1.2 m。巷道頂底板情況如表1 所示。

表1 巷道頂底板情況

在工作面回采期間，3501 運輸順槽主要存在如下破壞特征：巷道一側的破壞較為嚴重，且頂板局部出現漏頂、冒頂現象。巷道兩幫部分位置出現幫臌，錨網破裂及錨桿破斷的情況也時有發生。

2 巷道圍巖非對稱大變形理論分析

2.1 巷道圍巖塑性區半徑求解

由于巷道長度方向遠遠大于其巷道半徑，因此在目前的大部分研究中，將巷道的塑性區求解問題按照平面應變問題予以處理。由彈性力學可知，極坐標下任意一點的應力計算公式為：

式中：σθ為任一點的環向應力，MPa；σr為任一點的徑向應力，MPa；τr，θ為任一點的剪應力，MPa；γH 為巷道豎向載荷，MPa；μ 為側壓系數；R為圓形巷道半徑，m；r、θ為任一點的極坐標。

由塑性力學可知，巷道圍巖的應力破壞與選取的強度準則有關。在目前的巖土力學研究中，摩爾庫倫準則為使用最為廣泛的準則（以極限主應力σ1和σ3表示），摩爾庫倫準則的表達式為：

式中：C 為內聚力；φ 為內摩擦角。

彈性力學中主應力由徑向應力和切向應力組成，相關表達為：

此時將徑向應力及切向應力的表達式帶入式（3），再將結果帶入摩爾庫倫準則，經數學整理后可得圍巖塑性區的八次隱性方程（4）：

2.2 不同應力場下圍巖塑性區形態研究

基于上述的蝶形破壞理論八次隱式方程，采用控制變量法，固定巷道半徑為3 m，內摩擦角為30°，內聚力為3 MPa。由礦井地質條件可知，3105 工作面3 號煤層埋深518 m，因此巷道圍巖的垂直應力為12.95 MPa。此處變化水平應力分別為12.950 MPa、16.835 MPa、20.720 MPa、24.605 MPa、28.490 MPa、32.375 MPa、36.260 MPa，將上述數據帶入數學軟件Maple 觀察側壓系數為1、1.3、1.6、1.9、2.2、2.5、2.8 下巷道圍巖的塑性區形態，如圖1 所示。

圖1 不同側壓系數下圍巖塑性區形態

由圖1 可以看出，當側壓系數μ 為1 時，圍巖塑性區形態為標準的圓形，當側壓系數μ 為1.3 時，圍巖塑性區形態為橢圓形，當側壓系數μ 為1.6 時，圍巖塑性區開始展現蝶形形態，并隨著側壓系數的增加，巷道兩幫的塑性區逐漸減小，頂底板塑性區尺寸逐漸增加。從圖1 中還可以看出，隨著側壓系數的增加，巷道翼角處的塑性區尺寸增長速率不斷增大，說明側壓系數的增大會使巷道容易產生蝶形冒頂。

2.3 不同應力場下圍巖塑性區方向研究

在目前的大多數研究中，人們往往僅考慮巷道圍巖的應力大小，事實上，在力學問題中，力的研究是一個矢量問題，既要考慮應力的大小又要考慮應力的方向。本文取側壓系數為2.8 的情況，研究應力旋轉角度為15°、30°、45°、60°、75°、90°時的圍巖塑性區形態。不同應力偏轉角度下的圍巖塑性區形態圖如圖2 所示。

圖2 不同應力偏轉角度下圍巖塑性區形態

從圖2 中可以看出，不同應力偏轉角下圍巖的塑性區形態基本不會發生變化，且塑性區的偏轉角度基本與應力的偏轉角一致，即當應力偏轉過一定角度時，塑性區蝶葉也偏轉過同樣的角度。當蝶葉位于頂板上方時，巷道容易產生蝶葉旋轉型冒頂，導致巷道圍巖產生非對稱破壞。

3 數值模擬研究分析

FLAC3D是巖土分析過程中最重要的軟件之一。本文根據3501 工作面的地質情況，基于文獻3 的地應力測量結果，建立小型數值模擬模型，3501 運輸順槽數值模擬的塑性區形態及最大主應力示意圖如圖3 所示。

圖3 運輸順槽塑性區及垂直應力分布云圖

從數值模擬結果可以看出，巷道圍巖的整體塑性區形態呈現蝶形形態，頂板右側的塑性區深度大于頂板左側的塑性區深度，巷道兩幫的塑性破壞深度基本一致，巷道底板左側的塑性區深度大于右側，整體圍巖塑性區破壞呈非對稱破壞。

4 圍巖支護建議

在巷道進行掘進過程中，原支護參數設計為：頂錨桿間排距為1 100 mm×1 100 mm，幫錨桿間排距為1 000 mm×1 100 mm；頂部錨索材料為Φ22 mm-1×19-7300 mm 低松弛預應力鋼絞線，采用每2 排3根布置，全部垂直頂板打設，排距2 200 mm，間距1 600 mm；幫錨索材料為Φ22 mm-1×19-5300 mm低松弛預應力鋼絞線。

由原支護參數設計可知，原支護采用的是對稱支護。而從上文分析可知，巷道在高偏應力作用下塑性區特征呈現非對稱分布，采用對稱支護的過程中會導致局部蝶葉塑性區未能被有效穩定錨固在上部穩定巖層之上。在局部漏頂位置，還出現了冒頂嚴重而錨桿未發生破斷的現象，這正是由于支護材料長度不足、錨固端未能錨固到穩定巖層之中造成的。

因此，整體的控制思路為：在蝶葉位置增加2 根錨索，通過采用高延伸率錨索來將3501 運輸順槽頂板破碎巖層錨固在頂板穩定巖層之上。通過施加高預緊力來提高破碎巖體的殘余強度，通過控制蝶葉塑性區擴展來提高圍巖的穩定性，從而保證3501 工作面的安全生產。

5 結論

1）不同圍巖應力下，圍巖塑性區形態會呈現圓形、橢圓形及蝶形三種形態，且蝶形的塑性區尺寸遠遠大于圓形及橢圓形尺寸。

2）應力偏轉角與塑性區偏轉角具有對應關系，當應力偏轉一定角度時，塑性區也會偏轉過幾乎同樣的角度。當塑性區蝶葉位于頂板附近時，圍巖會有冒頂隱患。

3）在深部高偏應力環境下，3501 運輸順槽頂板出現了明顯的非對稱擴展現象，需要采用高延伸率錨索進行針對性支護設計。