左建平，文金浩，劉德軍，吳麗麗，孫運江

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083

據(jù)統(tǒng)計，我國煤炭資源總量在2 000 m以淺約為5.9萬億t，其中埋深在1 000～2 000 m的資源量超過50%，且主要分布在中東部地區(qū)。依照目前的開采速度，預(yù)計未來20年內(nèi)我國煤礦開采將進入1 000～1 500 m深度[1-5]。開采深度的加大伴隨著地應(yīng)力升高，導(dǎo)致深部巷道圍巖在力學(xué)性質(zhì)與淺部巷道圍巖的不同。淺部地應(yīng)力小，圍巖大多處于彈性狀態(tài)，而在深部，高地應(yīng)力導(dǎo)致巷道開挖后圍巖應(yīng)力極易超過巖體屈服極限，使圍巖出現(xiàn)大變形，進而導(dǎo)致巷道失穩(wěn)[6-7]。有統(tǒng)計表明，由于受深部地應(yīng)力環(huán)境、圍巖體力學(xué)行為轉(zhuǎn)變及工程條件的影響，超過90%的深部巷道圍巖會出現(xiàn)大變形、松動坍塌及支護失效等問題[8]。而每年我國煤礦新掘進巷道長度可達12 000 km，巷道工程量巨大，因此對巷道支護理論與技術(shù)的探究與發(fā)展一直都是煤礦安全開采的核心內(nèi)容之一[9]。

為保持巷道穩(wěn)定，消除巷道片幫、冒頂、沖擊地壓、底鼓等安全隱患，從20世紀初開始，學(xué)者們相繼提出了眾多理論方法，為巷道支護設(shè)計的合理化作出了貢獻。以普氏和太沙基為代表的塌落拱理論認為[10]：松散介質(zhì)中硐室頂部會形成一個自然平衡拱，即“塌落拱”，普氏認為“塌落拱”的形狀為拋物線狀，而太沙基理解為矩形。該理論首次提出了巷道圍巖具有自承載能力。20世紀60年代，Rabcewicz等在前人研究基礎(chǔ)上提出了新奧地利隧道施工方法，簡稱新奧法(NATM)[11]。該理論選擇性繼承了傳統(tǒng)理論中被動支護的理念，并提出主動支護的觀點。20世紀70年代Salamon等人提出了能量支護理論[12]，認為巷道的掘進和支護存在能量轉(zhuǎn)換，圍巖與支護體在相互作用中釋放能量，支護體吸收能量同時發(fā)生形變，圍巖和支護體的調(diào)節(jié)實現(xiàn)二者的動態(tài)平衡。前蘇聯(lián)學(xué)者提出了應(yīng)力控制理論，也稱應(yīng)力轉(zhuǎn)移法、圍巖弱化法[9]。該理論認為圍巖破壞的主要原因是巷道開挖后，圍巖受力狀態(tài)發(fā)生了改變，可通過一定的技術(shù)手段(如鉆孔卸壓、開卸壓槽、鉆孔爆破、留設(shè)卸壓煤柱等)改變圍巖的應(yīng)力分布，降低應(yīng)力集中程度，使支承壓力轉(zhuǎn)向巷道圍巖深處，從而提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。鄭雨天提出了聯(lián)合支護理論[13]，認為巷道開挖后應(yīng)進行柔性支護，允許巷道存在一定變形來釋放部分變形壓力，當(dāng)圍巖變形到相對穩(wěn)定狀態(tài)后再施加剛性支護，強調(diào)對圍巖采用“先柔后剛、先讓后抗、柔讓適度、穩(wěn)定支護”的支護原則。于學(xué)馥等提出了軸變論理論[14]，認為在兩向不等壓條件下圓形巷道圍巖破壞的最終形態(tài)為橢圓形，并推導(dǎo)出巷道最佳軸變比的計算公式，對巷道的斷面設(shè)計及支護設(shè)計具有指導(dǎo)意義。侯朝炯提出了圍巖強度強化理論[15]，要點是錨桿支護能夠改善錨固區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)及性能，進而改善圍巖的承載能力，同時錨桿與錨固區(qū)巖體形成承載結(jié)構(gòu)，共同維護巷道的穩(wěn)定。董方庭等提出了圍巖松動圈理論[16]，認為巷道開挖后，圍巖松動圈客觀存在于圍巖中，支護的主要載荷是松動圈形成過程中產(chǎn)生的變形與支護體的相互作用力，根據(jù)松動圈厚度，確定支護機理及相應(yīng)的支護參數(shù)。何滿潮等提出了關(guān)鍵部位耦合支護理論[17-18]，認為巷道總是從某一部位或幾個部位最先開始破壞，并不斷向其他部位發(fā)展最終導(dǎo)致巷道整體失穩(wěn)的，強調(diào)只有當(dāng)圍巖與支護體在強度、剛度及結(jié)構(gòu)上相互耦合時，巷道圍巖控制才能取得較好的效果。方祖烈提出了主次承載區(qū)支護理論[19]，認為巷道開挖后圍巖依次呈現(xiàn)張拉區(qū)與壓縮區(qū)。壓縮區(qū)對維護巷道穩(wěn)定起關(guān)鍵性作用，具有較強的自承能力，即主承載區(qū)；張拉區(qū)形成于巷道淺部，只是起到了輔助作用，是支護控制的主要區(qū)域，即次承載區(qū)?？导t普提出了關(guān)鍵承載圈理論[20]，指出任何巷道圍巖內(nèi)都有關(guān)鍵承載圈的存在，支護的目的是控制關(guān)鍵承載圈半徑以內(nèi)巖石的變形和穩(wěn)定性，承載圈與巷道之間的距離決定了巷道維護的難易程度。左建平等針對矩形截面巷道提出了巷道等強梁支護理論[21]，強調(diào)根據(jù)頂板彎曲正應(yīng)力的分布特征采用不同長度、直徑的高強錨桿實現(xiàn)巷道各橫截面上最大正應(yīng)力相等，達到受力均勻的目的。王衛(wèi)軍等提出了內(nèi)外承載結(jié)構(gòu)理論[22]，外結(jié)構(gòu)主要是注漿體、錨固體及支架等支護結(jié)構(gòu)，內(nèi)結(jié)構(gòu)主要是以部分塑性硬化區(qū)和軟化區(qū)煤巖體為主體組成的承載結(jié)構(gòu)。外承載結(jié)構(gòu)是主要承載結(jié)構(gòu)，內(nèi)承載結(jié)構(gòu)是次要承載結(jié)構(gòu)，對巷道圍巖的穩(wěn)定起關(guān)鍵作用。

在很多前輩支護思想的基礎(chǔ)上，筆者團隊基于深部巷道大變形或流變特性，提出采用巷道全空間協(xié)同支護來控制深部大變形巷道[23-24]。本文深入調(diào)查了巷道典型破壞模式，并對圓形與矩形巷道進行了力學(xué)分析，建立了巷道等強支護概念模型，進一步完善了巷道等強支護理論，為深部巷道圍巖控制提供理論指導(dǎo)。

1 煤礦巷道典型破壞模式

巷道開挖前圍巖處于三向應(yīng)力的初始平衡狀態(tài)，巷道開挖后打破了原有的圍巖應(yīng)力平衡，造成圍巖應(yīng)力重新分布，如圖1所示。遠離巷道的圍巖受影響較小，處于三向受力的穩(wěn)定狀態(tài)，越靠近巷道受影響越大，圍巖處于雙向應(yīng)力狀態(tài)。因此在巷道徑向會形成一定的應(yīng)力梯度場，導(dǎo)致沿巷道徑向的巖石破碎程度也不同，造成圍巖發(fā)生梯度破壞[25]。

圖1 圍巖應(yīng)力分布簡化示意圖[25]

圍巖應(yīng)力重分布導(dǎo)致應(yīng)力梯度顯現(xiàn)，當(dāng)超過巖石強度后就會發(fā)生破壞。按照圍巖破壞形態(tài)可劃分為局部落石破壞、拉斷破壞、剪切破壞、巖爆、潮解膨脹破壞、分區(qū)破裂化等[8，26-27]：

(1) 局部巖石破壞主要由施工與地質(zhì)因素造成，破壞部位主要是頂板，其次是兩幫，表現(xiàn)為巖塊沿弱面拉斷或滑移，如圖2所示。

圖2 局部巖石破壞模式

(2) 拉斷破壞是由于圍巖所受拉應(yīng)力大于巖體抗拉強度后發(fā)生的破壞。按破壞區(qū)域分頂板拉斷、兩幫拉斷、底板拉斷三種形式。頂板拉斷破壞易發(fā)生在頂板平緩且?guī)r體抗拉強度較低的情況，表現(xiàn)為頂板彎曲下沉甚至垮落，如圖3(a)(b)所示。兩幫拉斷破壞易發(fā)生在水平應(yīng)力較大的情況，通常會出現(xiàn)兩幫擠進甚至傾向巷道內(nèi)的拉斷破壞，如圖3(c)(d)所示。在施工過程中，只注重巷道頂板與兩幫圍巖的加固，忽略了對底板變形的控制，使其成為圍巖支護最薄弱的部位，當(dāng)巷道變形時反向受力導(dǎo)致底板拉斷破壞，巷道產(chǎn)生底鼓，如圖3(e)(f)所示。

圖3 拉斷破壞模型

(3) 剪切破壞分頂板剪切、兩幫剪切、底板剪切三種破壞形式。巷道頂板為節(jié)理較為發(fā)育的軟弱巖體時，較高的切向應(yīng)力通常會超過巖體的抗剪強度，從而沿著弱面產(chǎn)生剪切滑動，待節(jié)理貫通后形成塑性破壞區(qū)，如圖4(a)所示；頂板為相對完整的巖體時，在高應(yīng)力作用下頂板及角部巖體易發(fā)生剪切破壞，如圖4(b)所示。兩幫巖體無節(jié)理或節(jié)理較少時，在垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力的共同作用下，促使兩幫圍巖出現(xiàn)某一角度的剪切破壞，破壞繼續(xù)發(fā)展即會演變成兩幫巖體向巷道內(nèi)塌落，造成片幫，如圖4(c)所示；幫部巖體強度較低時，在應(yīng)力作用下兩幫巖體會產(chǎn)生沿弱面的剪切破壞，導(dǎo)致兩幫圍巖擠進，斷面變小影響巷道正常使用，如圖4(d)所示。底板在受到較高水平應(yīng)力下易發(fā)生剪切破壞，若底板為裂隙較多的軟弱巖體，在應(yīng)力作用下會發(fā)生剪切滑動，從而形成剪切破壞區(qū)，如圖4(e)所示；若底板為相對完整的堅硬巖體，在水平應(yīng)力的擠壓下巖體會沿著弱面發(fā)生錯動，導(dǎo)致底板向巷道內(nèi)鼓出，如圖4(f)所示。

圖4 剪切破壞模式

(4) 巖爆是在一定條件下煤巖體中累積的彈性應(yīng)變能突然猛烈釋放時的脆性斷裂，通常也稱為沖擊地壓。巖爆易導(dǎo)致巖石崩落，并伴隨巨大聲響及氣浪沖擊，不僅影響礦山的正常運行及工人的人身安全，而且沖擊波也會危及地面建筑物。

(5) 潮解膨脹破壞主要由巷道圍巖遇水軟化崩解或膨脹造成，通常發(fā)生在含有大量頁巖、黏土巖、泥巖、硬石膏等巖石類型的巷道中。發(fā)生該破壞的圍巖一般具有流變性、易風(fēng)化潮解導(dǎo)致圍巖強度降低。

(6) 分區(qū)破裂化現(xiàn)象是指在深部巖體中開挖硐室或者巷道時，在其兩側(cè)和工作面前的圍巖中，會產(chǎn)生交替的破裂區(qū)與非破裂區(qū)，造成深部巖體呈現(xiàn)出明顯的非線性力學(xué)行為，如圖5所示。

圖5 分區(qū)破裂化模式

2 典型形狀巷道圍巖應(yīng)力場分布

為深入了解典型巷道破壞模式產(chǎn)生的機理，我們以圓形和矩形巷道為例，分析圍巖受力狀態(tài)并作如下假設(shè)：巷道水平布置，簡化為平面應(yīng)變問題；圍巖為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈塑性體；忽略圍巖影響范圍內(nèi)的巖石自重。

2.1 圓形巷道圍巖應(yīng)力場分布

圖6為圓形巷道力學(xué)模型簡化圖，由于結(jié)構(gòu)對稱、荷載不對稱，因此該模型(模式Ⅰ)可視作兩個簡單計算模式的疊加。模式Ⅱ為均勻壓應(yīng)力場，模式Ⅲ為水平受拉垂直受壓應(yīng)力場。

由彈性力學(xué)知，圓形巷道在雙向不等壓應(yīng)力場下圍巖應(yīng)力解[28-29]：

(1)

(2)

(3)

式中，σr、σθ、τrθ分別為徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力、切應(yīng)力，MPa；λ為側(cè)壓系數(shù)；p0為垂直應(yīng)力，MPa；R0為巷道半徑，m；r為任一點到巷道中心的距離，m；θ為任一點到巷道中心的連線與水平x軸正向的夾角，(°)。

考慮不同的側(cè)壓系數(shù)，假設(shè)λ分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0時，圓形巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)取R0=1 m，p0=6 MPa，獲得圍巖中任一點與巷道中心距離為r的圍巖應(yīng)力分布，如圖7所示。

圖7 不同側(cè)壓系數(shù)下圓形巷道圍巖應(yīng)力分布

由圖7知，側(cè)壓系數(shù)λ對圓形巷道圍巖應(yīng)力分布影響明顯?？傮w上，σθ從巷道壁向外圍巖體逐漸減小，在巷道壁處σθ達到最大值。但λ不同時，圍巖受力明顯不同：當(dāng)λ=1時，σr與σθ沿著巷道周邊均勻分布，距巷道中心相同距離的各處受力相同；當(dāng)λ<1時，σr在頂?shù)装迳畈拷咏瓗r應(yīng)力，而σθ在兩幫淺部出現(xiàn)應(yīng)力集中，對幫部的破壞較嚴重；當(dāng)λ>1時，σr在巷道兩幫深部接近原巖應(yīng)力，而σθ在巷道頂?shù)装鍦\部出現(xiàn)應(yīng)力集中，不利于頂?shù)装宓姆€(wěn)定。

2.2 矩形巷道圍巖應(yīng)力場分布

圖8 Z平面矩形巷道到ζ平面單位圓的映射關(guān)系

復(fù)變理論中映射函數(shù)z=ω(ζ)將Z平面矩形巷道變換為ζ平面上的單位圓，進而求解圍巖應(yīng)力。圍巖應(yīng)力可通過解析函數(shù)φ(ζ)和ω(ζ)表示[30-31]：

(4)

對于矩形巷道，映射函數(shù)z=ω(ζ)由Schwarz-Christoffel積分獲得，在保證一定精度的前提下簡化為[31]

(5)

c1=cos 2kπ

因巷道無支護，矩形巷道淺處圍巖只存在σθ，

σr與τrθ均為0，因此圍巖應(yīng)力由下式得出：

(6)

e=c1+(3c3-1)cos 2θ

g=c3(1+3c3)

h=(1+3c3)sin 2θ

矩形巷道c分別選取0.6、1.0、1.4、1.8，力學(xué)參數(shù)與圓形巷道相同，由式(6)計算λ分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0時，圍巖應(yīng)力分布如圖9所示。映射函數(shù)計算參數(shù)見表1。

表1 不同寬高比的保角變換參數(shù)

圖9 不同寬高比及側(cè)壓系數(shù)條件下矩形巷道圍巖應(yīng)力分布

由圖6可知：λ與c對矩形巷道圍巖應(yīng)力分布影響顯著。σθ沿巷道邊界分布不均勻，由兩幫中部及頂?shù)装逯胁肯蛴缃翘幹饾u增大且呈對稱分布，無論λ與c取何值，巷道隅角處均存在最大切向應(yīng)力且為壓應(yīng)力。同時，當(dāng)c<1時，隨著λ的增大，巷道周邊會出現(xiàn)拉應(yīng)力；而當(dāng)c>1時，λ的減小同樣也會造成巷道周邊出現(xiàn)拉應(yīng)力。以上分析表明，巷道圍巖不同位置可能會出現(xiàn)不同的破壞模式，巷道圍巖處于受壓或者受拉狀態(tài)，取決于λ與c。

3 深部巷道等強支護控制理論概念模型

由巷道典型破壞模式及受力分析知，開挖后巷道斷面不同位置應(yīng)力梯度有明顯差異，導(dǎo)致巷道發(fā)生不同破壞模式。當(dāng)前煤礦巷道大多經(jīng)驗地使用一種或幾種支護形式控制巷道圍巖穩(wěn)定，不僅造成支護的浪費也會導(dǎo)致受力較大處支護失效。

基于材料力學(xué)等強度梁概念[32]，我們提出了深部巷道等強支護控制理論概念模型。埋藏在一定深度的巖體，巷道開挖前處于同一層位的巖體可視作具有相同的初始受力平衡狀態(tài)且不破壞，我們認為這是初始的等強狀態(tài)。巷道開挖后圍巖應(yīng)力場被打破，在應(yīng)力調(diào)整過程中會出現(xiàn)破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，因此需要通過支護、開槽卸壓和注漿加固等手段來維護巷道的穩(wěn)定性。若破碎區(qū)圍巖和塑性區(qū)圍巖的強度得到提升，理想情況下圍巖各個位置支護后達到等強狀態(tài)，并盡可能接近初始等強狀態(tài)，讓支護圍巖呈現(xiàn)整體受力，以期實現(xiàn)不同位置圍巖達到與地應(yīng)力比相匹配的等效應(yīng)力強度狀態(tài)，這個時候圍巖也能達到安全狀態(tài)。由此，等強支護控制理論概念模型可以概述為：根據(jù)巷道圍巖受力特征，通過開槽卸壓、注漿加固、錨桿(索)主動支護、鋼管混凝土被動支護等綜合手段，有效調(diào)整巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使得周邊各個位置圍巖達到等強狀態(tài)的支護方式。

針對此，在巷道支護中依據(jù)圍巖破壞情況可通過圍巖注漿加固使破裂巖體重新膠結(jié)成整體，提高圍巖強度，改善圍巖承載能力，如圖10(a)所示；也可優(yōu)先使用錨桿(索)進行巷道支護，將其與噴射混凝土、注漿加固技術(shù)相結(jié)合進行局部加固，如圖10(b)所示；對于高應(yīng)力巷道或者應(yīng)力集中較大的巷道部位，采取應(yīng)力控制措施(鉆孔卸壓、松動爆破、切縫卸壓、開槽泄壓等)，將巷道附近的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深處以確保巷道穩(wěn)定，如圖10(c)所示；對某些特殊地質(zhì)條件(圍巖松軟、地壓大、變形劇烈等)，鋼管混凝土支架有其特有的優(yōu)點；對于受拉應(yīng)力的圍巖，除上述支護手段外，可采用強梁支護方式、全空間協(xié)同控制技術(shù)、預(yù)應(yīng)力錨桿(索)+桁架支護技術(shù)等措施加固[23-27]。

圖10 巷道加固方式示意圖

依據(jù)巷道破壞模式，當(dāng)出現(xiàn)圍巖應(yīng)力集中、圍巖破碎、拉應(yīng)力區(qū)等情況時，合理采用應(yīng)力控制、注漿加固、噴射混凝土、錨桿(索)、鋼管混凝土支架及全空間協(xié)同支護等措施調(diào)整并控制圍巖受力。在理想情況下，通過選取合理的控制措施讓巷道周邊圍巖趨于均勻受壓，以期實現(xiàn)不同位置圍巖能達到安全且與地應(yīng)力比相匹配的等強狀態(tài)(圖11)，此時圍巖能夠均勻協(xié)調(diào)變形，從而實現(xiàn)對巷道圍巖的有效控制，保證巷道的正常安全使用。

圖11 巷道等強支護控制理論概念模型示意圖

4 深部巷道等強支護控制模型分析

為進一步描述等強支護控制理論模型，巷道開挖前及等強支護后圍巖受力狀態(tài)分析如圖12所示。

平面應(yīng)變條件下，極坐標(biāo)表示的應(yīng)力分量與主應(yīng)力的關(guān)系[29]如下：

(7)

(8)

式中，σ1、σ3分別為最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力，MPa。

巷道開挖前，圍巖的σ1、σ3數(shù)值差距不大，即巷道開挖前，莫爾圓1的主應(yīng)力差(σ1-σ3)較小，遠離支護前強度包絡(luò)線L1，此時巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖12 等強支護控制理論示意圖

同時還應(yīng)注意的是，當(dāng)圍巖抗拉強度小于圍巖拉應(yīng)力后，圍巖發(fā)生拉破壞，此時支護的目的便是消除或減小拉應(yīng)力，使之小于抗拉強度。巷道開挖引起的圍巖應(yīng)力重分布導(dǎo)致應(yīng)力集中，應(yīng)力超過圍巖屈服強度會進入塑性狀態(tài)，塑性區(qū)的范圍影響巷道破壞的程度，因此合理有效的支護強度是維持巷道穩(wěn)定的必要手段。

當(dāng)采用M-C準則進行應(yīng)力計算時，得到圍巖起塑條件：

(9)

式中，C與φ為圍巖的黏聚力與內(nèi)摩擦角。

由巷道周邊應(yīng)力條件：σr=0，τrθ=0可以看出，在巷道周邊巖體中主要存在σθ，當(dāng)對巷道施加支護后可提高圍巖的σr，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，從而提高圍巖的承載能力。基于前人研究，將支護強度簡化為pi，則巷道周邊圍巖徑向應(yīng)力變?yōu)棣襯+pi，切向應(yīng)力為σθ-pi，將其代入式(9)得

(10)

由此得出巷道不同位置所需的支護強度pi：

(11)

式中，φ1為支護后圍巖內(nèi)摩擦角，(°)；C1為支護后圍巖黏聚力，MPa。

φ1、C1可由現(xiàn)場試驗確定，若未做現(xiàn)場試驗，φ1仍可取φ，C1由下式得出[10]：

(12)

式中，σt為錨桿鋼材的抗拉強度，MPa；S為錨桿桿體的橫截面積，m2；e、t分別為錨桿間、排距，m。

式(11)中σθ由式(2)、式(6)求得，作用在巷道上的均布荷載p0可由下式計算[34-35]：

(13)

式中，En為巷道上方第n層巖層的彈性模量，MPa；hn為巷道上方第n層巖層的厚度，m；γn為巷道上方第n層巖層的容重，kN/m3。

當(dāng)pn>pn+1時，則p0=pn，即應(yīng)考慮該巖層上方n層對第1層的影響，第n+1層本身強度大、巖層厚，對第1層載荷不起作用。

由于巷道不同位置σθ不同，因此所施加的支護強度也會隨著位置的變化而不同，使圍巖在等強支護下能夠處于整體受力均衡的穩(wěn)定狀態(tài)而不發(fā)生惡性破壞，保證支護體對圍巖的有效支護。

5 深部巷道等強支護控制模擬分析

鑒于近年來高強度鋼管混凝土支架支護技術(shù)框架已經(jīng)初步形成，并已成功應(yīng)用于多個深部礦井巷道及硐室的維護且取得了良好的支護效果，改變了深部巷道難以支護的窘境，如圖13所示[36-39]。本文以鋼管混凝土支架及錨桿(索)為支護主體進行圍巖應(yīng)力改善模擬。

圖13 鋼管混凝土支架現(xiàn)場應(yīng)用實例

以某礦頂板巷道為背景，建立30 m×30 m×5 m的FLAC3D數(shù)值模型，模擬半徑2 m的圓形巷道、3 m×3 m的矩形巷道圍巖應(yīng)力分布。模型采用M-C準則，力學(xué)參數(shù)見表2，邊界條件為：四周與底部采用固定邊界，上部為自由邊界并施加垂直荷載10 MPa[39]，支護參數(shù)見表3和表4。

表2 煤巖力學(xué)參數(shù)表

由于側(cè)壓系數(shù)及巷道尺寸的影響，圍巖應(yīng)力在巷道周邊分布極為不均，其數(shù)值模擬應(yīng)力云圖如圖14所示。當(dāng)前，煤礦巷道的支護大多采用主動或被動支護措施均勻地沿巷道斷面施加相同規(guī)格的支護強度。由圖7、圖9及圖14可知，不同側(cè)壓系數(shù)及巷道尺寸下，巷道斷面不同位置處的圍巖應(yīng)力具有明顯差異，而支護參數(shù)與支護強度選取的均衡化，不能滿足受力較大區(qū)域的支護需要。在高地應(yīng)力作用下，巷道周圍受力較大處的圍巖很容易出現(xiàn)巖層間滑移與錯動，使之最先出現(xiàn)變形與破壞，并逐步擴展到整個巷道斷面，造成巷道整體失穩(wěn)。因此，對于巷道圍巖中極易發(fā)生失穩(wěn)破壞的部位應(yīng)進行強化支護。

表3 錨桿、錨索參數(shù)

巷道開挖后，由于受力不同導(dǎo)致在巷道周圍形成不同程度的應(yīng)力集中，如圖14所示。圓形巷道在兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，頂板出現(xiàn)應(yīng)力釋放，矩形巷道4個隅角有應(yīng)力集中的產(chǎn)生，頂?shù)装寮皟蓭痛嬖趹?yīng)力釋放，應(yīng)力分布不均勻是造成巷道支護效果不佳的重要原因。針對本模型，圓形巷道在兩幫采用卸壓方式，將集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深處，同時巷道安設(shè)鋼管混凝土支架，并在圍巖中安裝錨桿、錨索加強支護，通過合理采用圍巖控制措施使得圍巖應(yīng)力分布趨向均勻，理想狀態(tài)下的應(yīng)力分布如圖14(a)所示。對于矩形巷道，對圍巖淺部進行注漿加固，隅角區(qū)域的力學(xué)參數(shù)折減一半用以模擬應(yīng)力轉(zhuǎn)移[27]，并在圍巖深部安設(shè)錨桿、錨索提高支護強度，在圍巖表面安裝鋼管混凝土支架控制淺部變形，以此實現(xiàn)圍巖應(yīng)力的改善，使之達到圍巖呈近似均勻分布的理想狀態(tài)，如圖14(b)所示。

模擬發(fā)現(xiàn)，在合理運用了圍巖控制措施后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)得以改善并且形成均勻分布或近似均勻分布的應(yīng)力環(huán)，模擬驗證了等強支護的可行性，為后續(xù)的深入研究提供了基礎(chǔ)。

6 結(jié) 論

(1) 調(diào)研分析了煤礦巷道典型破壞模式，發(fā)現(xiàn)煤礦巷道主要存在拉伸破壞及剪切破壞，具體包括局部落石破壞、巷道頂?shù)装寮皟蓭偷睦瓟嗥茐摹⑾锏理數(shù)装寮皟蓭偷募羟衅茐?、巖爆、潮解膨脹破壞、分區(qū)破裂化等6類15種破壞模式。

(2) 理論分析了圓形巷道與矩形巷道的受力特征，側(cè)壓系數(shù)及巷道形狀顯著改變巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)及破壞模式。在巷道支護中需要依據(jù)圍巖破壞情況有針對性地施加支護手段，控制并調(diào)整圍巖受力使其能夠趨于均勻受壓的理想狀態(tài)，從而實現(xiàn)對巷道圍巖的有效控制。

(3) 基于鋼管混凝土支護、預(yù)應(yīng)力錨桿支護及力學(xué)中等強度梁概念，提出了巷道等強支護控制理論力學(xué)概念模型。根據(jù)巷道圍巖受力特征，通過開槽卸壓、注漿加固、錨桿(索)主動支護、鋼管混凝土被動支護等綜合手段，有效調(diào)整巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，以期實現(xiàn)不同位置圍巖能夠達到安全且與地應(yīng)力比相匹配的等強狀態(tài)。

(4) 推導(dǎo)出計算不同埋深、不同斷面形狀巷道所需的等強支護強度公式。數(shù)值模擬分析了圓形與矩形巷道在采用等強支護前、后圍巖應(yīng)力變化，驗證了等強支護后圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)變的可行性，為巷道支護研究提供了理論依據(jù)。