杜 益

(晉能控股煤業(yè)集團 挖金灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

巷道開挖后，圍巖均衡承載的應(yīng)力分布發(fā)生了改變，圍巖的承載特性發(fā)生了改變，巷道由三向應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)向二向應(yīng)力變形狀態(tài)轉(zhuǎn)變[1-4]。巷道圍巖的穩(wěn)定一直以來都是采礦工作者關(guān)心和關(guān)注的重要問題，許多專家和學者在巷道圍巖控制理論及工程實踐等方面開展了卓有成效的研究工作，并取得了豐碩的研究成果[5-8]。與淺部開采相比，深部開采具有礦壓大、溫度高、采礦成本高等特點，開采環(huán)境潛伏著難以預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害。深部圍巖受地質(zhì)環(huán)境的變化作用顯現(xiàn)出了深部礦壓的特征，主要表現(xiàn)為巷道圍巖破碎變形量增大、構(gòu)造應(yīng)力增大，導致錨桿(索)變形失效，頂板圍巖垮冒的危險性增大，巷道維護困難。因此，開展深部開采條件巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)的系統(tǒng)研究，為深部煤炭安全、經(jīng)濟、高效開采提供科學依據(jù)和技術(shù)保障等方面具有重要的 意義。

1 深部軟巖巷道補強加固協(xié)同控制技術(shù)原理

1.1 巷道開挖應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系

巷道開挖前，圍巖處于原始平衡狀態(tài)，開挖破壞了圍巖原始平衡應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖從開挖到巷道穩(wěn)定需經(jīng)歷以下三個階段，分別為：掘進影響階段、巷道應(yīng)變調(diào)整階段、穩(wěn)定階段。巷道圍巖全應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系揭示了巷道圍巖變形及應(yīng)力變化的規(guī)律。因此，深部巷道圍巖穩(wěn)定合理控制技術(shù)的確定應(yīng)首先研究巷道開挖卸荷本構(gòu)關(guān)系。同時開展地質(zhì)特征調(diào)查、現(xiàn)場查看、巖樣物理力學特性及參數(shù)實驗等工作。深部復(fù)雜高應(yīng)力巷道開挖應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 深部巷道開挖應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圍巖原始應(yīng)力形成及巷道開挖過程共分為6個階段，分別為：壓密段(OA段)、線彈性段(AB段)、非線性指數(shù)曲線塑性強化段(BC段)、線性彈性卸荷段(CD段)、冪指數(shù)塑性衰減段(DE段)、松動跌落段(EF段)。

1.2 巷道開挖過程變形準則及本構(gòu)模型

巷道開挖過程的6階段，其中OA段、AB段、CD段符合廣義胡克定律，BC段服從塑性強化準則，DE段、EF段符合Griffith屈服準則。巷道開挖6階段的本構(gòu)模型構(gòu)建如下。

1) 壓密段(OA段)：

σ=Eε0<ε<εG

(1)

式中：E為巖體處于壓密段的彈性模量，MPa。

2) 線彈性段(AB段)：

σ=E1(ε-εG)εG<ε<εs

(2)

3) 非線性指數(shù)曲線塑性強化段(BC段)：

σ=σeεc /εsεs≤ε≤εc

(3)

4) 線性彈性卸荷段(CD段)：

σ=σc+E1εεc≥ε≥εD

(4)

5) 冪指數(shù)塑性衰減段(DE段)：

σ=σD(εE/ε)nεD≥ε≥εE0≤n≤1

(5)

6) 松動跌落段(EF段)：

根據(jù)塑性理論及塑性變形流動規(guī)則可知：

(6)

其中，F(xiàn)為屈服條件(應(yīng)變的函數(shù))，dλ為塑性流動因子。

(7)

(8)

(9)

1.3 巷道開挖過程圍巖穩(wěn)定控制關(guān)鍵節(jié)點

壓密段(OA階段)在成煤過程的初期沉積階段。線彈性階段(AB階段)，本階段將巖層礦物顆粒間的裂隙壓密閉合、微結(jié)構(gòu)體的間距縮小，并儲存彈性變形能。非線性指數(shù)曲線塑性強化階段(BC階段)，巖體強度達到最大，彈塑性變形能存儲量達到最大。線性彈性卸荷階段(CD階段)發(fā)生于巷道開挖的初期，釋放的能量屬于AB階段存儲的部分彈性變形能，屬于應(yīng)力調(diào)整初期，支護體應(yīng)與圍巖變形協(xié)調(diào)。冪指數(shù)塑性衰減階段(DE階段)圍巖變形量大，需采用圍巖補強措施。松動跌落段(EF階段)，補強支護應(yīng)在本段之前進行，保證補強后的圍巖強度大于能量釋放后的圍巖壓力，保持巷道穩(wěn)定。松動殘余階段(FG階段)圍巖進入松動變形階段，具有局部垮落的危險。

因此，深部復(fù)雜高應(yīng)力巷道開挖后需在變形可控的狀態(tài)下釋放彈性變形能及部分塑性變形能，在DE階段前半段加強支護，改善圍巖力學特性，殘余強度提高到DE段內(nèi)，阻止圍巖變形進入松動跌落段(EF段)，保持巷道穩(wěn)定。

2 被動支護與主動支護協(xié)同補強技術(shù)

2.1 錨網(wǎng)支護與 U 型鋼棚協(xié)同補強支護

由圖2可以看出，錨網(wǎng)支護與 U 型鋼棚支護初期，巷道幫部圍巖位移量二者基本相當，僅在巷道圍巖表面 U 型鋼支護略高于錨網(wǎng)支護，主要是由于 U 型鋼支架屬被動支護，當巷道圍巖變形量達到一定程度時才開始承載，在破碎軟巖巷道中，U 型鋼棚支護初期對圍巖提供的支護阻力很小，對淺部巖體約束變形能力尚不及錨網(wǎng)支護，但隨著圍巖變形量增大，U 型鋼棚承載能力迅速增加，由于其護表能力遠高于普通錨網(wǎng)支護，對巷道圍巖表面提供的支護阻力更能夠有效控制淺部破碎巖體的剪脹變形。因此，在破碎軟巖巷道，隨著圍巖變形量的增加，相對錨網(wǎng)支護而言 U 型鋼支架控制圍巖變形的能力相對較強。

2.2 錨噴支護和U型鋼可縮性金屬支架協(xié)同補強支護技術(shù)

U型鋼支護與錨噴支護都屬于被動支護方式，在巷道前期階段起到抵抗圍巖變形、強化巷道承載能力的作用，對兩種方式進行對比分析，研究兩種方式下的各類礦壓規(guī)律。對兩種支護方式模擬結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 不同支護方式下巷道頂板圍巖位移量

圖3 兩種支護方式下的垂直與水應(yīng)力分布

圖4 兩種支護方式下的垂直與水平位移

圖5 兩種支護方式下的塑性區(qū)分布

從圖4(a)、(b)兩種支護方式下的垂直應(yīng)力分布可以看出，分布規(guī)律大致相似，峰值應(yīng)力大小與區(qū)域呈一致性。巷道周圍應(yīng)力提高，兩種方式均提高了巷道圍巖的承載能力。而水平應(yīng)力的分布錨噴支護相較于U型鋼支護具有一定的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在幫部圍巖應(yīng)力水平較高，承載能力更強，圍巖控制效果更好；但其支護條件下不能很好地抑制巷道頂板擠壓情況。

在兩種支護方式下，頂板下沉量分別為298 mm和249 mm，底鼓量分別為267 mm和257 mm，幫部最大位移量分別為470 mm和415 mm。兩種支護方式同屬被動支護，支護效果相似，噴漿支護效果比U型鋼支護對于圍巖控制更優(yōu)，但相差不大，在實際工作中為保證巷道斷面形狀和經(jīng)濟性，采用錨噴支護更加合理。

從圖5可以看出，兩種不同支護方式下的塑性區(qū)分布大致相同。兩種支護方式均改善了頂板及兩幫的塑性區(qū)情況，相較而言，U型鋼支護對于幫部支護效果更好。

3 8105運輸巷圍巖控制方案及效果

3.1 高預(yù)應(yīng)力強力一次支護補強協(xié)同方案

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果和深部巷道破壞機理圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)，8105運輸巷圍巖控制技術(shù)為“及時抗壓、一次到位”的主動高強支護，采用高預(yù)應(yīng)力強力一次支護方案。

采用錨桿錨索耦合支護，由托板和金屬網(wǎng)等構(gòu)件組成的高剛度護表結(jié)構(gòu)；施加高預(yù)應(yīng)力，形成主動支護，一次支護既有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修，以充分保護和利用圍巖的自承能力。

采用錨索對破壞關(guān)鍵部位加強耦合支護，消除層間剪切滑移變形，同時通過調(diào)動深部圍巖強度，減少頂板垂直應(yīng)力作用在底板的應(yīng)力集中程度。

高預(yù)應(yīng)力、短強力錨索，并全斷面垂直巖面布置有效控制高地壓與巷道的大變形。

3.2 巷道礦壓觀測結(jié)果分析

實施項目制定方案后，錨桿受力狀況較好，能夠及時承載，圍巖位移較小，巷道維護效果較好。頂錨桿、幫錨桿載荷隨時間的變化曲線如圖6所示：表明錨桿載荷增長迅速、能夠及時承載，因而控制圍巖變形效果較好。巷道頂板巖層內(nèi)基點位移隨時間的變化曲線如圖7所示：頂板錨桿錨固區(qū)內(nèi)巖體的下沉量約為65 mm，小于錨桿的可延伸量。頂板離層和表面位移均較小，巷道圍巖支護技術(shù)參數(shù)合理、控制圍巖效果較好。

圖6 錨桿載荷隨時間變化曲線

圖7 頂板深基點位移-時間曲線

4 結(jié) 語

1) 根據(jù)巷道開挖應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系及應(yīng)力應(yīng)變穩(wěn)定法則，提出了深部軟巖巷道補強加固協(xié)同控制關(guān)鍵在DE階段前半段加強支護，改善圍巖力學特性，提高圍巖殘余強度，保持巷道穩(wěn)定。

2) 開展了被動支護與主動支護協(xié)同補強技術(shù)數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，錨桿(索)主動支護與U型鋼、錨噴被動支護協(xié)同補強，能夠有效控制圍巖變形。

3) 提出了8105運輸巷圍巖控制“高預(yù)應(yīng)力強力一次支護補強協(xié)同支護”方案。工程實踐結(jié)果顯示：錨桿(索)及時承載，頂板離層和表面位移均較小，支護技術(shù)參數(shù)合理，巷道維護效果較好。