張 博，李彥斌,2，韋慶量，谷 攀

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

隨著煤礦開(kāi)采深度逐年增加，深部越來(lái)越多的巷道在高地應(yīng)力、松散軟弱的巖層中掘進(jìn)[1-4]，傳統(tǒng)剛性支護(hù)變形協(xié)調(diào)性差，支護(hù)強(qiáng)度低，難以適應(yīng)深部高應(yīng)力軟巖巷道變形特點(diǎn)，極易出現(xiàn)錨桿(錨索)滑脫折斷、錨網(wǎng)破網(wǎng)、U型鋼支架扭曲變形等現(xiàn)象，迫使企業(yè)投入大量人力物力對(duì)巷道進(jìn)行多次翻新維護(hù)[5-9]。為有效控制圍巖變形，降低深部高應(yīng)力軟巖巷道返修率，李彥斌教授提出了置孔釋壓一次成巷支護(hù)技術(shù)[10-12]，孫雁新、吳智勇等又分別從孔形選擇與材料布置形式等方面對(duì)置孔釋壓材料做了改進(jìn)研究[13-14]。但目前置孔釋壓支護(hù)技術(shù)仍有不足之處，需要完善提升。

從巷道能量轉(zhuǎn)化角度闡述了置孔釋壓支護(hù)原理，并基于孔距、孔徑等置孔參數(shù)對(duì)置孔釋壓材料塑性區(qū)邊界的影響，對(duì)不同孔型排列方式下的置孔釋壓材料進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確定了置孔釋壓材料最佳孔型排列方式，進(jìn)一步優(yōu)化了置孔釋壓支護(hù)技術(shù)。

1 深部高應(yīng)力軟巖巷道能量轉(zhuǎn)換

在高地應(yīng)力、松散軟弱的巖層中，巖體積聚了大量原始勢(shì)能，巷道開(kāi)挖擾動(dòng)打破了能量初始平衡狀態(tài)[15]，隨著圍巖內(nèi)部能量釋放，巖體在強(qiáng)度低、應(yīng)力集中、能量聚積的地方發(fā)生形狀和體積的改變，產(chǎn)生彈性或塑性變形甚至破裂崩解。M.D.G.Salamon將巖體視作均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)，列出了地下巖體能量守恒表達(dá)式：

Wc+Um=Wr+Uc

(1)

式中：Wc為地下原巖應(yīng)力因開(kāi)挖擾動(dòng)而做的功；Um為挖出巖體釋放的應(yīng)變能；Wr為開(kāi)挖過(guò)程中損耗的彈性能；Uc為巖體重新積聚的應(yīng)變能。

在對(duì)式(1)進(jìn)一步分析后，陶振宇[16]認(rèn)為在許多情況下，只要巖體性質(zhì)和硐體形式確定，Wc、Um與Wr可被近似認(rèn)為不變。同時(shí)，巷道等硐體在開(kāi)挖過(guò)程中除損耗一部分彈性能外，還會(huì)損耗另一部分非彈性能Wn，構(gòu)筑支護(hù)措施后，支護(hù)結(jié)構(gòu)也要吸收一部分能量Wf。能量守恒公式改寫(xiě)如下：

(2)

(3)

(4)

Wf+Wx=const

(5)

式中Wx為誘發(fā)巷道圍巖變形破壞的能量。

根據(jù)式(5)，增大Wf會(huì)降低能量Wx的積聚程度，從而保持圍巖穩(wěn)定。但傳統(tǒng)剛性支護(hù)需要在增加支護(hù)成本前提下，通過(guò)提高支護(hù)強(qiáng)度才能使Wf增大[17]。因此，針對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道，合理的支護(hù)方式應(yīng)當(dāng)能夠有效提高支護(hù)結(jié)構(gòu)能量吸收能力，而又不必付出巨額支護(hù)成本。置孔釋壓支護(hù)正是通過(guò)設(shè)置柔性置孔釋壓材料來(lái)達(dá)到這一目的的。

2 新型置孔釋壓支護(hù)技術(shù)

2.1 置孔釋壓支護(hù)方法

置孔釋壓支護(hù)體系構(gòu)建方法如圖1所示。

圖1 置孔釋壓支護(hù)體系剖視圖

1)巷道開(kāi)挖后，立即進(jìn)行錨噴支護(hù)，對(duì)圍巖進(jìn)行封堵。

2)根據(jù)圍巖應(yīng)力狀況，留足釋壓空間層，在釋壓層中放置對(duì)應(yīng)大小置孔釋壓材料。其中，置孔釋壓材料是一種新型可壓縮支護(hù)材料，由粉煤灰、 煤矸石與不飽和聚酯樹(shù)脂混合而成，在材料成型過(guò)程中通過(guò)預(yù)置一定樣式的圓孔和添加劑，使材料具有抗壓強(qiáng)度高﹑讓壓空間大﹑能量吸收性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3)在釋壓層表面架設(shè)由U型鋼支架與鋼筋網(wǎng)相互連接構(gòu)成的金屬支架層，起到強(qiáng)力支撐作用。

該方法通過(guò)上述構(gòu)架，將置孔釋壓材料緊密填充在圍巖與金屬支架之間，利用其特殊力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征實(shí)現(xiàn)與圍巖的變形協(xié)調(diào)，體現(xiàn)了圍巖—釋壓材料—支護(hù)體的協(xié)同作用原理。

2.2 置孔釋壓支護(hù)原理

在深部高應(yīng)力軟巖巷道中，當(dāng)切向應(yīng)力高于圍巖應(yīng)力時(shí)會(huì)在巷道周?chē)纬梢徊糠謶?yīng)力增高區(qū)，圍巖受擠壓影響而逐漸被壓密甚至壓碎，能量Wx正是在圍巖擠壓變形和破壞過(guò)程中得到積聚。置孔釋壓支護(hù)原理如圖2所示。

圖2 置孔釋壓支護(hù)原理

相較于傳統(tǒng)剛性支護(hù)，置孔釋壓支護(hù)通過(guò)合理架構(gòu)使置孔釋壓材料與巷道圍巖緊密接觸，利用釋壓材料在高應(yīng)力條件下主動(dòng)受壓變形代替部分圍巖變形，從而減小能量Wx的積聚程度。同時(shí)隨著圍巖變形對(duì)釋壓材料做功，支護(hù)結(jié)構(gòu)吸收的能量Wf得到增加，Wx進(jìn)一步降低，置孔釋壓材料經(jīng)被開(kāi)始?jí)嚎s至完全壓密，可以釋放掉大部分圍巖應(yīng)力，大幅改善切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力及整體圍巖應(yīng)力環(huán)境，使巷道圍巖高應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛻?yīng)力狀態(tài)，確保圍巖與其他支護(hù)體的承載力得以有效發(fā)揮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3 置孔釋壓材料孔型排列方式選擇

3.1 置孔釋壓材料力學(xué)分析

在置孔釋壓支護(hù)系統(tǒng)中，置孔釋壓材料承擔(dān)了系統(tǒng)吸收的大部分圍巖能量，當(dāng)高應(yīng)力作用在置孔釋壓材料上時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，吸收的能量又分為兩部分[18]：

Wf=Wmf+Wsf+Wzf

(6)

Wsf=Wc+Wn

(7)

式中：Wmf、Wsf、Wzf分別為錨桿、置孔釋壓材料和金屬支架層吸收的圍巖能量；Wc、Wn分別為置孔釋壓材料塑性變形過(guò)程中儲(chǔ)存和消耗的圍巖能量。

根據(jù)式(7)，若置孔釋壓材料自身塑性區(qū)越大，則其變形吸收消耗的圍巖能量就會(huì)越小。因此，置孔釋壓材料自身塑性區(qū)大小成為影響其支護(hù)效果的直接原因。為便于分析材料塑性邊界特點(diǎn)，建立置孔釋壓材料力學(xué)模型，如圖3所示。設(shè)其所受壓力為p，測(cè)壓系數(shù)為λ，所置圓孔半徑均為r，相鄰圓孔間距分別為d1、d2、d3。

圖3 置孔釋壓材料力學(xué)模型圖

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，若相鄰圓孔孔距d1、d2、d3均超過(guò)2倍影響半徑R，則預(yù)置圓孔之間不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng)。置孔影響半徑計(jì)算公式如下：

(8)

則極坐標(biāo)下置孔釋壓材料預(yù)置圓孔附近任意一點(diǎn)(a、θ)處的切向應(yīng)力σt、徑向應(yīng)力σr、剪應(yīng)力τtr為：

(9)

將式(9)代入Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則中，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得出無(wú)應(yīng)力疊加狀態(tài)下置孔釋壓材料自身塑性區(qū)邊界隱性方程[19]：

(10)

式中C、φ分別為置孔釋壓材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

根據(jù)式(10)，當(dāng)置孔釋壓材料所受壓力及自身屬性(黏聚力和內(nèi)摩擦角)一定時(shí)，改變其孔型排列方式，材料塑性區(qū)邊界會(huì)跟隨所置圓孔的孔距、孔徑等變化而發(fā)生改變，但塑性區(qū)邊界計(jì)算過(guò)程過(guò)于繁瑣，從力學(xué)角度無(wú)法直接推算究竟何種孔型排列方式的置孔釋壓材料塑性區(qū)分布范圍最小，支護(hù)效果最佳。

3.2 不同孔型排列方式實(shí)驗(yàn)對(duì)比

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)釋壓材料圓孔預(yù)置參數(shù)公式(11)的要求，按圖4制作6種不同孔型排列方式的置孔釋壓材料，分組測(cè)定抗壓強(qiáng)度及可連續(xù)變形量。

l1l2l3ω=nπr2li

(11)

式中：l1、l2與l3分別為置孔釋壓材料的3個(gè)邊長(zhǎng)，為降低尺寸效應(yīng)干擾，本次實(shí)驗(yàn)材料邊長(zhǎng)均取100 mm；ω為置孔率，取0.35；n為孔數(shù)；li為置孔深度，取l1、l2或l3。

(a)單孔排列(b)三角形排列 (c)正方形排列

(d)菱形排列(e)梅花形排列 (f)長(zhǎng)方形排列

每種孔型排列方式的試件3塊為一組，依次用JL-WAW60伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。其中正方形排列方式的置孔釋壓材料實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，實(shí)驗(yàn)初期，圓孔飽滿未發(fā)生明顯改變，材料僅依靠自身強(qiáng)度就可抵抗壓力作用；當(dāng)壓力加載至27 MPa時(shí)，圓孔出現(xiàn)變形，材料開(kāi)始釋壓，此狀態(tài)標(biāo)志著材料已達(dá)自身強(qiáng)度極限，見(jiàn)圖5(b)；隨著加載范圍不斷擴(kuò)大，材料承受壓力越來(lái)越高，圓孔出現(xiàn)了明顯變形,見(jiàn)圖5(c)；當(dāng)壓力加載至 36 MPa 時(shí)，圓孔閉合程度接近一半，材料逐漸被壓實(shí)，釋壓能力變?nèi)?見(jiàn)圖5(d)。

(a)22 MPa (b)27 MPa

(c)31 MPa (d)36 MPa

同理，對(duì)其他孔型排列方式的置孔釋壓材料進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)觀察，6組材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 不同排列方式的置孔釋壓材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖6可知：無(wú)論采用何種孔型排列方式，置孔釋壓材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線皆呈現(xiàn)出3個(gè)階段的“階梯狀”特征。第一階段：彈性階段，壓力作用前期，置孔釋壓材料近似呈線彈性變形；第二階段：釋壓階段，置孔釋壓材料自身強(qiáng)度小于圍巖應(yīng)力，材料壓縮變形釋放壓力；第三階段：釋壓材料被徹底壓實(shí)、破壞后，剩余壓力可通過(guò)支架承擔(dān)。研究表明：當(dāng)材料強(qiáng)度超過(guò)30 MPa時(shí)會(huì)使金屬支架等支護(hù)體產(chǎn)生較大變形，達(dá)不到支護(hù)目的；當(dāng)強(qiáng)度低于20 MPa時(shí)材料則不易產(chǎn)生連續(xù)釋壓，易出現(xiàn)沖擊破壞現(xiàn)象[20]。因此，當(dāng)可連續(xù)壓縮量無(wú)明顯區(qū)別時(shí)，在合理區(qū)間內(nèi)按照抗壓強(qiáng)度就高不就低的原則進(jìn)行判斷，正方形排列方式的置孔釋壓材料更滿足支護(hù)要求。

4 置孔釋壓支護(hù)工程實(shí)踐應(yīng)用

山西介休青云煤礦埋深680 m，020202軌道平巷屬于深部高應(yīng)力軟巖巷道，設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面寬4 000 mm，高3 850 mm，原支護(hù)方案如圖7(a)所示。

(a)原支護(hù)方案

(b)置孔釋壓支護(hù)方案

頂板：錨桿采用?20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨索采用?18.8 mm×8 500 mm鋼絞線；兩幫：錨桿采用?20 mm×1 800 mm圓鋼錨桿，錨索采用?17.8 mm×4 300 mm鋼絞線；金屬支架所用U型鋼為29 U。目前巷道出現(xiàn)明顯變形，錨桿、錨索及 U型鋼支架等支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)始不同程度被損壞。

現(xiàn)采用正方形排列方式的置孔釋壓支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖重新進(jìn)行控制，其中：頂部和兩幫全部選擇?20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，金屬支架選擇U29型鋼制作，圍巖與金屬支架間緊密充填單塊規(guī)格為200 mm×200 mm×400 mm的置孔釋壓材料，具體布置如圖7(b)所示。

兩種支護(hù)方案的巷道圍巖塑性區(qū)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示，從圖8中可以看出，原支護(hù)方案下巷道塑性區(qū)在兩幫與底板處厚度尤深，圍巖承載力嚴(yán)重下降；采用正方形排列方式的置孔釋壓支護(hù)方案后塑性區(qū)范圍縮小至圍巖淺部位置，有利于巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

(a)原支護(hù)方案

(b)置孔釋壓支護(hù)方案

在020202軌道平巷中，對(duì)置孔釋壓支護(hù)方案下的巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與原支護(hù)方案進(jìn)行比較，兩種支護(hù)方案的位移收斂計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

(a)原支護(hù)方案

(b)置孔釋壓支護(hù)方案

由圖9可知：原支護(hù)方案下，巷道支護(hù)35 d后盡管?chē)鷰r變形速率減小，但變形仍在持續(xù)增加，最終的巷道頂?shù)装遄冃瘟窟_(dá)89 mm，兩幫變形量達(dá)到 138 mm，變形嚴(yán)重需要及時(shí)返修；而采用正方形排列方式的置孔釋壓支護(hù)方案35 d后，圍巖變形得到有效控制，巷道頂?shù)装遄冃瘟繛?3 mm，兩幫變形量也僅為 41 mm，兩處變形量降幅均達(dá)到70%以上。因此，置孔釋壓支護(hù)能有效控制深部高應(yīng)力圍巖變形。

5 結(jié)論

1)針對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制問(wèn)題，相較于傳統(tǒng)剛性支護(hù)，置孔釋壓支護(hù)依靠置孔釋壓材料壓縮變形吸收和消耗圍巖能量，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，有效發(fā)揮出圍巖和支護(hù)體承載力，體現(xiàn)了圍巖—釋壓材料—支護(hù)體的協(xié)同作用原理，達(dá)到巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定目的。

2)根據(jù)材料塑性區(qū)邊界隱性方程的推導(dǎo)過(guò)程，孔距、孔徑等置孔參數(shù)都會(huì)對(duì)置孔釋壓材料的支護(hù)性能造成影響，并基于對(duì)6種不同孔型排列方式的置孔釋壓材料抗壓實(shí)驗(yàn)，分析得出正方形排列方式的釋壓材料抗壓強(qiáng)度最符合高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)要求，正方形排列方式是置孔釋壓材料的最佳孔型排列方式。

3)通過(guò)實(shí)際應(yīng)用得出，采用正方形排列方式的置孔釋壓支護(hù)方案比原剛性支護(hù)方案巷道頂?shù)装寮皟蓭褪諗孔冃瘟繙p小70%，進(jìn)一步驗(yàn)證了置孔釋壓支護(hù)的合理性。