靖洪文　孟　波（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116）

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煤礦復(fù)雜條件巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)原理與技術(shù)

靖洪文[1，2]孟波[1，2]
（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116）

摘要煤礦復(fù)雜條件巷道開(kāi)挖后圍巖松動(dòng)圈的產(chǎn)生不可避免。通過(guò)對(duì)大同礦區(qū)典型巷道松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)：復(fù)雜條件巷道圍巖大松動(dòng)圈普遍存在，且具有多階段、不對(duì)稱(chēng)非均勻發(fā)育特征，據(jù)此提出了大松動(dòng)圈巷道二次穩(wěn)定支護(hù)原理與“三錨”支護(hù)技術(shù)，對(duì)破裂圍巖施加高預(yù)緊力及高阻耦合讓壓特性錨桿是控制復(fù)雜應(yīng)力條件巷道穩(wěn)定性的有效手段。

關(guān)鍵詞復(fù)雜條件；松動(dòng)圈；二次穩(wěn)定；三錨支護(hù)

1　引言

巷道開(kāi)挖后，圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為兩向應(yīng)力狀態(tài)，并在壓力差作用下發(fā)生破壞卸荷，產(chǎn)生一定范圍的破裂區(qū)，這個(gè)破裂區(qū)被稱(chēng)之為松動(dòng)圈［1］。松動(dòng)圈的形成過(guò)程是圍巖在重分布集中應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度逐漸劣化的過(guò)程，同時(shí)也是最大主應(yīng)力逐步向圍巖深部遷移并穩(wěn)定的過(guò)程，穩(wěn)定后的松動(dòng)圈厚度綜合反映了圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度等因素共同作用的結(jié)果［2］。

研究表明［3］，松動(dòng)圈內(nèi)部圍巖破裂程度隨著圍巖深度的增加而減小，強(qiáng)度階段逐漸由殘余強(qiáng)度階段過(guò)渡為峰后軟化段、塑性段，最終為未受擾動(dòng)的彈性段（圖1）。四個(gè)階段中圍巖峰后軟化段和殘余強(qiáng)度段的變形量對(duì)煤礦大松動(dòng)圈巷道圍巖收斂變形貢獻(xiàn)最大，占75%～95%［4］，這部分變形產(chǎn)生的碎脹力是支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的主要壓力。因此，松動(dòng)圈越大，破裂圍巖在后續(xù)壓力作用下的碎脹變形量就越大，支護(hù)難度就越高，反之支護(hù)難度越小，甚至不用支護(hù)［5～6］。

松動(dòng)圈內(nèi)部圍巖雖然處于破裂狀態(tài)，但破裂塊體的強(qiáng)度沒(méi)有太大損失，它們之間相互擠壓、交錯(cuò)、摩擦、嵌固，形成了一定的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使得實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖雖然普遍發(fā)育松動(dòng)圈，但仍然能夠保持穩(wěn)定，不會(huì)立即發(fā)生失穩(wěn)［7］。而如果圍巖在后續(xù)壓力作用下沒(méi)有得到有效的支護(hù)，那么松動(dòng)圈將會(huì)持續(xù)發(fā)展，并最終導(dǎo)致巷道失穩(wěn)。

圖1巷道圍巖四區(qū)與巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系

大同礦區(qū)侏羅系煤層經(jīng)歷了長(zhǎng)期開(kāi)采后，開(kāi)采條件日益復(fù)雜，空間上采面布置引起的邊角煤、極近距離煤層、過(guò)煤柱以及生產(chǎn)接替產(chǎn)生的采掘交鋒等復(fù)雜條件巷道增多，進(jìn)入石炭系地層后，巷道埋深增加，火成巖侵入巨厚煤層大斷面巷道支護(hù)導(dǎo)致坍塌冒頂問(wèn)題也時(shí)常發(fā)生，巷道松動(dòng)圈的發(fā)育規(guī)模、形態(tài)及演化規(guī)律相對(duì)于傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)出現(xiàn)了新的特點(diǎn)。

2　復(fù)雜條件下巷道松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律

2.1大松動(dòng)圈普遍存在

復(fù)雜條件巷道是指面臨火成巖侵入、地質(zhì)構(gòu)造、薄地層分層、低強(qiáng)度巖層等地質(zhì)條件問(wèn)題以及過(guò)煤柱、極近距離、采掘交鋒、孤島工作面等應(yīng)力環(huán)境問(wèn)題的巷道。地質(zhì)條件復(fù)雜巷道圍巖強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)性差，在圍巖應(yīng)力不大的情況下即可產(chǎn)生大松動(dòng)圈，如受火成巖侵入影響，石炭系煤層酥松多孔，加之受到構(gòu)造的影響，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中即產(chǎn)生大松動(dòng)圈，并誘發(fā)冒頂事故。應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜巷道圍巖在高集中應(yīng)力條件下易發(fā)生變形破裂，且對(duì)工作面回采、老頂破斷等應(yīng)力擾動(dòng)極為敏感，容易產(chǎn)生大松動(dòng)圈。如極近距離煤層巷道圍巖在上覆煤層采空區(qū)煤柱的影響下，應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)到5以上，工作面回采擾動(dòng)疊加后，巷道極易失穩(wěn)。

采用地質(zhì)雷達(dá)、超聲波測(cè)試及鉆孔攝像綜合測(cè)試手段，對(duì)大同礦區(qū)典型復(fù)雜條件巷道松動(dòng)圈進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，復(fù)雜條件巷道松動(dòng)圈厚度大多數(shù)均超過(guò)1.5 m，局部可達(dá)3 m以上。這說(shuō)明雖然大同礦區(qū)煤層巷道整體埋深不大，但復(fù)雜條件巷道中大松動(dòng)圈普遍存在，這類(lèi)巷道支護(hù)已經(jīng)進(jìn)入大松動(dòng)圈工程的范疇。

表1大同礦區(qū)復(fù)雜條件巷道松動(dòng)圈部分測(cè)試結(jié)果

另外，對(duì)復(fù)雜條件巷道而言，即使是在同一條巷道，由于位置不同，松動(dòng)圈發(fā)育范圍也會(huì)不同。如白洞礦5107巷為過(guò)煤柱巷道，進(jìn)煤柱前10 m范圍內(nèi)圍巖變形破裂嚴(yán)重，松動(dòng)圈最大厚度為2.4 m，其他普通位置松動(dòng)圈厚度僅為0.8～1.6 m。

2.2松動(dòng)圈多階段發(fā)育

以往研究表明［1］，條件簡(jiǎn)單巷道松動(dòng)圈形成時(shí)間一般為3～7天，大松動(dòng)圈形成時(shí)間為1～3個(gè)月。應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜巷道圍巖普遍處于高應(yīng)力水平，應(yīng)力調(diào)整周期較長(zhǎng)，形成穩(wěn)定松動(dòng)圈的時(shí)間較長(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜巷道開(kāi)挖后形成穩(wěn)定松動(dòng)圈的時(shí)間一般為5～18天，

巷道圍巖松動(dòng)圈形成并穩(wěn)定后，破裂區(qū)外部主承載區(qū)圍巖承擔(dān)峰值應(yīng)力，而由于受到工作面回采、老頂破斷、爆破［8］等因素的影響，主承載區(qū)圍巖不可避免的要承受應(yīng)力擾動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，高應(yīng)力條件下圍巖承受擾動(dòng)載荷后其內(nèi)部松動(dòng)圈迅速擴(kuò)大。大同礦區(qū)忻州窯礦5937巷為典型的堅(jiān)硬頂板巷道，老頂周期來(lái)壓劇烈，對(duì)5937巷開(kāi)挖至8937工作面回采全過(guò)程進(jìn)行了松動(dòng)圈觀測(cè)，截取并組合巷道開(kāi)挖、工作面回采以及老頂來(lái)壓三個(gè)階段松動(dòng)圈發(fā)生變化時(shí)期內(nèi)的觀測(cè)曲線形成（圖2）。由圖可知，在工作面回采逐漸逼近觀測(cè)斷面過(guò)程中，松動(dòng)圈厚度逐漸增加并趨于穩(wěn)定，直至老頂來(lái)壓，松動(dòng)圈厚度出現(xiàn)突變，一次增加了0.8 m。

圖2忻州窯5937巷松動(dòng)圈觀測(cè)曲線

2.3不對(duì)稱(chēng)非均勻發(fā)育

如前所述，松動(dòng)圈大小是進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)，而由于受到地應(yīng)力場(chǎng)、圍巖巖性組成等因素的影響，即使是在巷道同一斷面，不同位置松動(dòng)圈的范圍也往往是不同的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，松動(dòng)圈形態(tài)受巷道斷面形狀的影響明顯。分別建立圓形、直墻拱形，梯形和矩形四種斷面形式巷道計(jì)算模型，考察巷道斷面對(duì)松動(dòng)圈大小及形態(tài)的影響。圓形、直墻拱形、梯形和矩形巷道的松動(dòng)圈大小及分布范圍如下圖所示。

圖3不同斷面形狀的巷道圍巖松動(dòng)圈分布特征

從圖3可以看出，松動(dòng)圈存在圓形、蝶形和菱形等形式。圓形巷道圍巖松動(dòng)圈分布形式與巷道斷面形狀相同，厚度約為1.8 m。直墻拱形斷面具有圓形部分使得其幫部和頂板松動(dòng)圈呈現(xiàn)近似圓形分布，厚度分別為1.8 m和2.1 m，底板松動(dòng)圈范圍大于頂板和兩幫，厚度為3 m，松動(dòng)圈整體仍呈“圓形”分布。矩形斷面巷道松動(dòng)圈總體上呈現(xiàn)菱形分布，即頂?shù)装逡约皟蓭椭行奈恢盟蓜?dòng)圈厚度較大，厚度均超過(guò)了3 m，拐角位置松動(dòng)圈厚度較小。

3　復(fù)雜條件巷道松動(dòng)圈穩(wěn)定控制

3.1大松動(dòng)圈巷道二次穩(wěn)定支護(hù)原理

按照巷道穩(wěn)定性的常規(guī)定義，當(dāng)巷道開(kāi)挖后圍巖內(nèi)一點(diǎn)的應(yīng)力小于相應(yīng)圍巖的強(qiáng)度時(shí)，該處圍巖沒(méi)有破壞，認(rèn)為巷道是穩(wěn)定的，稱(chēng)之為穩(wěn)定。當(dāng)巷道圍巖應(yīng)力達(dá)到了圍巖強(qiáng)度，圍巖發(fā)生了破壞，稱(chēng)之為失穩(wěn)。然而，如果以這樣的穩(wěn)定性條件衡量煤礦大量的巷道，可以發(fā)現(xiàn)，它們均處于失穩(wěn)狀態(tài)！但是經(jīng)常的情況是圍巖破壞了，巷道仍然處于正常使用狀態(tài)?？梢?jiàn)上述穩(wěn)定概念不能反映巷道工程穩(wěn)定的全部問(wèn)題，這種傳統(tǒng)意義的穩(wěn)定性問(wèn)題，我們稱(chēng)之為一次穩(wěn)定問(wèn)題。這種巷道圍巖應(yīng)力達(dá)到了圍巖強(qiáng)度失穩(wěn)現(xiàn)象，稱(chēng)之為一次失穩(wěn)。它主要取決于原巖應(yīng)力狀態(tài)與巖體強(qiáng)度的相對(duì)比值。

事實(shí)上，盡管巷道已經(jīng)發(fā)生了一次失穩(wěn)，但是在人工支護(hù)條件下，隨時(shí)間推移，大部分巷道趨于穩(wěn)定，也有部分巷道可能再次失穩(wěn)。顯然，再次穩(wěn)定或者失穩(wěn)均是破裂巖體與支護(hù)相互作用結(jié)果，這就是二次穩(wěn)定性問(wèn)題的力學(xué)本質(zhì)，我們稱(chēng)該穩(wěn)定性問(wèn)題為高應(yīng)力巷道圍巖的二次穩(wěn)定。二次穩(wěn)定問(wèn)題是針對(duì)圍巖在一次失穩(wěn)后的再次變形與破壞，在此過(guò)程中，破裂巖體自身是不能維持穩(wěn)定的，如果沒(méi)有合理人工支護(hù)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，它將很快再次失穩(wěn)。

由前文可知，復(fù)雜條件下巷道松動(dòng)圈發(fā)育具有多階段性和持續(xù)性，這就要求錨桿與松動(dòng)圈內(nèi)破裂圍巖形成的加固圈不僅僅要為內(nèi)部關(guān)鍵承載巖體提供支護(hù)阻力，更重要的是要提供持續(xù)的高支護(hù)阻力。解決這個(gè)問(wèn)題目前有兩種途徑，第一是多次支護(hù)，即巷道初次支護(hù)完成后，待松動(dòng)圈再次擴(kuò)大穩(wěn)定后實(shí)施二次支護(hù)。第二種途徑是開(kāi)發(fā)高阻（恒阻）、具有讓壓和抗大變形功能的支護(hù)新材料，如高阻耦合讓壓錨桿和恒阻大變形錨桿［9］，通過(guò)這些新材料既可以適應(yīng)松動(dòng)圈的碎脹變形，又可以持續(xù)高效的抵抗碎脹力。

3.2大松動(dòng)圈巷道圍巖“三錨支護(hù)”技術(shù)

復(fù)雜條件巷道松動(dòng)圈發(fā)育范圍大，支護(hù)難度大，一般單一支護(hù)難以奏效。常規(guī)錨網(wǎng)支護(hù)可以增強(qiáng)破裂圍巖整體強(qiáng)度，通過(guò)施加高預(yù)緊力，在一定間排距條件下能夠形成組合拱（梁）承載結(jié)構(gòu)［10］，但如果錨桿強(qiáng)度低、預(yù)緊力小，這種結(jié)構(gòu)的可靠性將大打折扣［11～12］，對(duì)于復(fù)雜條件巷道大松動(dòng)圈，存在冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。同樣的，錨注支護(hù)雖然通過(guò)注漿提高了破裂圍巖強(qiáng)度，改善了圍巖受力狀態(tài)，但由于其加固范圍有限，仍然存在不足。相對(duì)于前兩者，錨索控制范圍較大，但施工密度無(wú)法滿足破裂圍巖穩(wěn)定性要求。因此，單一支護(hù)手段無(wú)法滿足復(fù)雜條件下大松動(dòng)圈巷道圍巖穩(wěn)定控制的要求。

“三錨支護(hù)”指的是將錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)以及錨注支護(hù)聯(lián)合使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)三者之間有機(jī)的耦合。通過(guò)錨注技術(shù)改善破裂圍巖物理力學(xué)參數(shù)，恢復(fù)三向受力狀態(tài)，使離散的破裂圍巖恢復(fù)成為整體結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨桿支護(hù)將淺部圍巖組合成為拱（梁）結(jié)構(gòu)，而后施加大直徑高強(qiáng)錨索支護(hù)將拱（梁）結(jié)構(gòu)懸吊至穩(wěn)定圍巖位置，減小了淺部圍巖錨桿錨固拱（梁）結(jié)構(gòu)的跨度，形成了更大范圍的拱（梁）結(jié)構(gòu)，有效增加了復(fù)雜條件大松動(dòng)圈巷道的穩(wěn)定性。

3.3關(guān)鍵部位強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)

由松動(dòng)圈觀測(cè)結(jié)果可知，復(fù)雜條件巷道松動(dòng)圈發(fā)育具有不對(duì)稱(chēng)和非均勻特征。若使用相同的支護(hù)參數(shù)，則有可能出現(xiàn)巷道局部某個(gè)或某幾個(gè)位置破壞，進(jìn)而誘發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的情況，這些首先發(fā)生變形破壞的部位稱(chēng)之為巷道穩(wěn)定控制的關(guān)鍵部位。因此，對(duì)于復(fù)雜條件巷道要進(jìn)行動(dòng)態(tài)、關(guān)鍵部位強(qiáng)化支護(hù)，而非設(shè)計(jì)單一的支護(hù)參數(shù)，這樣不僅可以提高巷道穩(wěn)定安全系數(shù)，同時(shí)也可避免不必要的材料浪費(fèi)，降低支護(hù)成本。

4　結(jié)論

松動(dòng)圈理論自上世紀(jì)八十年代提出以來(lái)，廣泛應(yīng)用于煤礦巷道支護(hù)領(lǐng)域。本文對(duì)大同礦區(qū)應(yīng)力及地質(zhì)復(fù)雜條件巷道進(jìn)行松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)：大同礦區(qū)復(fù)雜條件巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍普遍超過(guò)1.5 m，處于大松動(dòng)圈工程范疇。巷道圍巖在高應(yīng)力下受老頂破斷、爆破等采動(dòng)影響導(dǎo)致松動(dòng)圈發(fā)育具有多階段性特征，并非靜態(tài)固定值。巷道斷面的影響使松動(dòng)圈發(fā)育具備了不對(duì)稱(chēng)非均勻發(fā)育特征，圍巖破壞往往始于局部，在得不到有效控制的情況下最終失穩(wěn)。針對(duì)復(fù)雜條件下巷道松動(dòng)圈出現(xiàn)的新特點(diǎn)，提出了大松動(dòng)圈巷道二次穩(wěn)定支護(hù)原理與“三錨支護(hù)”技術(shù)，對(duì)破裂圍巖施加高預(yù)緊力及高阻耦合讓壓特性錨桿是控制復(fù)雜應(yīng)力條件巷道穩(wěn)定性的有效手段。

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靖洪文，男，1963年生，山東冠縣人。博士后，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事巖石（體）力學(xué)與工程，巷道圍巖控制理論與錨固技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)研究工作。

Surrounding Rock Fracture Zone Supporting Principle and Technology of Roadway under Complex Conditions in Coal Mine

Jing Hongwen1，2Meng Bo1，2
（1.Institute of Mechanics and Architecture Engineering，China University of Mining and Technology；2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，Xuzhou，Jiangsu 221116）

Abstract：The appearance of surrounding rock fracture zone is inevitable after mining roadways with complex condi?tions. By the field tests and numerical simulation for the fracture zone development rules of the typical roadways in Da?tong mine area，the result shows that roadways with complex conditions always have big size of fracture zone which has the characteristics of multi-stage and asymmetry. Secondary stability supporting principle and tri-anchorage supporting technology for roadway with big size of fracture zone are proposed accordingly，controlling roadway stability with complex stress conditions can be efficiently improved by increasing preload and using high impedance coupling pressure charac?teristics of bolt for broken surrounding rock.

Keywords：complex condition；fracture zone；secondary stability；tri-anchorage supporting

收稿日期：2016-03-20

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51374198、51504237）

中圖分類(lèi)號(hào)TD353+.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1000-4866（2016）02-0001-04