丁良臣

摘 要：要維持巷道及支護(hù)體的穩(wěn)定，必須保證支護(hù)體與圍巖的耦合，同時(shí)，在最佳支護(hù)時(shí)段內(nèi)實(shí)施支護(hù)，此時(shí)的支護(hù)荷載為軟巖巷道最小支護(hù)荷載，即軟巖巷道耦合支護(hù)荷載。

關(guān)鍵詞：深部煤巷；穩(wěn)定性；錨網(wǎng)耦合支護(hù)一體化

深部巷道穩(wěn)定性問題是研究開挖后的圍巖工程地質(zhì)系統(tǒng)與支護(hù)系統(tǒng)相互作用達(dá)到二次穩(wěn)定的復(fù)雜力學(xué)問題。巷道開挖后，原有的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖應(yīng)力進(jìn)行重新調(diào)整和分布，完整性較差的圍巖很快就會(huì)進(jìn)入塑性、粘塑性和流變大變形階段，如果此時(shí)支護(hù)體和圍巖之間出現(xiàn)強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)上的不耦合，會(huì)加速圍巖的變形破壞，出現(xiàn)大面積的頂幫下沉、臌幫等現(xiàn)象。

考慮到錨固體和圍巖的機(jī)械作用，錨桿與圍巖的組合系統(tǒng)可以被分成兩個(gè)平衡體：一個(gè)是沒有錨桿支護(hù)的原始巖體，另一個(gè)是施加錨桿軸力作用的組合系統(tǒng)，實(shí)際錨桿的作用是兩個(gè)系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果。

1 錨桿與圍巖耦合作用分析

傳統(tǒng)的組合拱設(shè)計(jì)觀點(diǎn)認(rèn)為，巷道圍巖注入錨桿后所形成的組合拱厚度與錨桿的間排距、錨桿對(duì)巖體的控制角α有關(guān)（圖1），一般α取45°。根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果，α的取值及錨桿調(diào)動(dòng)巖體的范圍應(yīng)根據(jù)錨桿圍巖的耦合程度來確定。

由于巖體開挖，頂部巖體要向下移動(dòng)、變形，下部巖體和上部巖體的變形大小是不同的，錨桿的存在，增大了巖體整體的剛度，使巖體的變形更加協(xié)調(diào)，下部巖體變形比上部巖體的變形要大的多，此時(shí)錨桿就處于一種受拉狀態(tài)，當(dāng)錨桿頂端深入穩(wěn)定巖體中時(shí)，錨桿對(duì)于下部巖體起著懸吊作用。

2 錨網(wǎng)與圍巖耦合作用機(jī)理分析

錨網(wǎng)和圍巖的耦合作用十分重要，過強(qiáng)或過弱的錨網(wǎng)支護(hù)，都會(huì)引起局部應(yīng)力集中而造成巷道破壞。只有當(dāng)錨網(wǎng)和圍巖強(qiáng)度、剛度達(dá)到耦合時(shí)，變形才能相互協(xié)調(diào)。達(dá)到耦合的標(biāo)志是圍巖應(yīng)力集中區(qū)在協(xié)調(diào)變形過程中，向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，從而達(dá)到最佳支護(hù)效果。

2.1圍巖集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象

數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，在巷道掘進(jìn)初期，巷道圍巖頂部應(yīng)力迅速集中，是巷道垮落危險(xiǎn)區(qū)域；在實(shí)施錨網(wǎng)耦合支護(hù)后，頂部應(yīng)力集中區(qū)迅速下降，而幫部低應(yīng)力區(qū)應(yīng)力狀態(tài)迅速提高，整個(gè)圍巖不同部位應(yīng)力狀態(tài)趨于均勻化。由此可見，實(shí)施錨網(wǎng)耦合支護(hù)技術(shù)以后，圍巖支護(hù)狀態(tài)從開放環(huán)境到封閉力學(xué)環(huán)境，圍巖集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，整個(gè)應(yīng)力擴(kuò)散均勻化過程是通過錨網(wǎng)耦合設(shè)計(jì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

2.2圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化

隨著圍巖受力由集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化，錨桿受力趨于均勻化，圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)趨于均勻化。

3深部巷道底臌控制技術(shù)

深部巷道由于受采掘擾動(dòng)，引起圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，使頂板和兩幫巖體發(fā)生變形并向巷道內(nèi)位移，底板巖體向巷道內(nèi)位移發(fā)生底臌。強(qiáng)烈的底臌不僅帶來大量的維修工作，增加了維護(hù)費(fèi)用，而且影響生產(chǎn)活動(dòng)無法正常進(jìn)行。深井煤巷的底臌問題一直是困擾煤礦生產(chǎn)中的重大難題。

3.1 深部煤巷的底臌特征

深部巷道的底臌主要表現(xiàn)為以下主要特征：

（1）底板巖體強(qiáng)度比較低。特別是當(dāng)巷道底板節(jié)理裂隙比較發(fā)育、受到水和風(fēng)化的影響，導(dǎo)致底板巖石向鄰空側(cè)的位移量大。

（2）深部煤巷對(duì)應(yīng)力的變化比較敏感。在一定的地質(zhì)生產(chǎn)條件下，巷道底臌可能表現(xiàn)得并不明顯。但隨著巷道埋深得增加或受到開采擾動(dòng)后，應(yīng)力達(dá)到一定值，底板巖石會(huì)大量向巷道內(nèi)鼓出。從姚橋礦的煤巷底臌量最大達(dá)到1.5～2.0m，成為巷道支護(hù)中的難題。

（3）深部煤巷的底臌具有明顯的流變性。具體表現(xiàn)為底臌的初始速度大，之后逐漸趨緩并過渡到比較穩(wěn)定的階段。底臌速度趨于穩(wěn)定的時(shí)間比較長，而且在穩(wěn)定狀態(tài)下，底板巖層仍以一定的速度向巷道內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)總的底臌量超過一定數(shù)值后，底臌數(shù)率還會(huì)再度增大。

4 深部煤巷的底臌控制技術(shù)

巷道底臌的控制技術(shù)很多，主要有底板卸壓、錨桿加固、封閉底板、底板注漿加固以及加強(qiáng)幫角等。針對(duì)深部煤層巷道的掘進(jìn)和使用特點(diǎn)，采用三級(jí)控制底臌變形。采用錨網(wǎng)索耦合加固頂板，錨網(wǎng)耦合加固幫部，采用45°底角錨桿對(duì)底角進(jìn)行加固，在理論上和實(shí)踐上都是較為可行的方法。

（1）一級(jí)控制：錨網(wǎng)索耦合加固頂板

深部煤層巷道的底臌多為上覆巖層的壓力通過兩幫傳遞到底板引起的。錨索關(guān)鍵部位耦合支護(hù)，將上覆不穩(wěn)定巖層懸吊到深部穩(wěn)定巖層，利用深部圍巖強(qiáng)度，減小傳遞到底板的上覆巖層壓力，從而避免或減輕底臌的發(fā)生。

（2）二級(jí)控制：錨網(wǎng)耦合加固幫部

錨網(wǎng)耦合支護(hù)控制巷道幫頂圍巖，形成自承能力較高的承載拱，以控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。深部煤巷在高地應(yīng)力作用下，兩幫壓力增加，煤體的破碎區(qū)域擴(kuò)大。如果幫部在支護(hù)體強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)上與圍巖不耦合，就會(huì)出現(xiàn)巷道變形加劇，表層煤體破碎區(qū)域擴(kuò)大，出現(xiàn)實(shí)際跨度增加，沿空側(cè)巷道會(huì)出現(xiàn)煤柱有效承載面積降低等現(xiàn)象。由此一方面導(dǎo)致加速下沉頂板，同時(shí)，由于煤柱的壓模作用，加劇底臌變形。

（3）三級(jí)控制：錨桿加固底角

根據(jù)底臌防治理論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在巷道的底部增設(shè)底角錨桿，可以有效地提高底板的穩(wěn)定性，防止底臌的發(fā)生，實(shí)踐證明是可行、適用的方法。底角錨桿主要起到以下幾個(gè)方面的作用：

① 通過底角錨桿，在巷道角部形成自承能力較高的承載拱，可以減弱巷道底角部應(yīng)力集中程度，以控制底角圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。

② 提高巷道底角部圍巖的強(qiáng)度，減小兩幫的塑性變形。

③ 通過增打底角錨桿，可以有效切斷來自巷道兩側(cè)的高應(yīng)力滑移線，消弱來自巷道兩側(cè)的擠壓應(yīng)力，有效控制底板鼓出變形。

5總結(jié)

因此，軟巖巷道耦合支護(hù)參數(shù)就是巷道在支護(hù)體與圍巖耦合支護(hù)條件下，由軟巖巷道耦合支護(hù)荷載所確定的支護(hù)參數(shù)。軟巖巷道耦合支護(hù)參數(shù)包括初次耦合支護(hù)參數(shù)和二次耦合支護(hù)參數(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉清濤，李常玉. 深部礦井煤巷穩(wěn)定性控制技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，（08）：18-22.

[2]楊德傳，高明中，盛武，韓磊. 深部煤巷錨網(wǎng)索耦合支護(hù)應(yīng)用研究[J]. 煤炭工程，2011，（02）：64-67.

[3]彭飛，孫曉明，武雄. 深部煤巷錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)研究[J]. 礦山壓力與頂板管理，2001，（04）：24-25.endprint