磁西煤礦深部高應(yīng)力巷道變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)

宋偉杰 喬衛(wèi)國 林登閣 李 偉

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島266590;2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266590)

隨著能源需求量的增加，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入深部資源開采狀態(tài)［1-3］。采場礦壓劇烈、巷道變形量大且出現(xiàn)流變性、應(yīng)力集中程度高等現(xiàn)象相繼發(fā)生，傳統(tǒng)的支護(hù)形式顯然已經(jīng)難以解決深部高應(yīng)力巷道支護(hù)的難題［4］。有關(guān)專家學(xué)者針對巷道開挖后圍巖彈塑性狀態(tài)進(jìn)行理論分析，闡述了不同屈服準(zhǔn)則對巷道圍巖彈塑性分析的影響，并提出相應(yīng)控制巷道圍巖變形的技術(shù)措施［5-7］。實(shí)踐證明，通過不同屈服準(zhǔn)則條件下的彈塑性解析解對圍巖破壞特征進(jìn)行分析，并采用數(shù)值模擬進(jìn)行對比優(yōu)化，提出適用于深部高應(yīng)力巷道的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，對保證巷道圍巖長期穩(wěn)定有著重要的意義［8］。

1 深部高應(yīng)力巷道變形破壞彈塑性分析

1.1 不同屈服準(zhǔn)則條件下的彈塑性解析解

深部高應(yīng)力巷道開挖之后，圍巖應(yīng)力會(huì)進(jìn)行重新分布，局部圍巖會(huì)由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)，此時(shí)必須對巷道圍巖進(jìn)行彈塑性分析，進(jìn)而保證巷道的整體性與穩(wěn)定性，為巷道的支護(hù)方案的確定提供依據(jù)。為了便于分析，結(jié)合工程實(shí)際，將此問題簡化為水平布置圓形巷道，半徑ra=1.9 m，原巖應(yīng)力p0=22.5 MPa，支護(hù)阻力pi=1 MPa，圍巖內(nèi)摩擦角φ =33°，黏聚力c =2.36 MPa，剪切應(yīng)力G =5 GPa，對此巷道的彈塑性分析分別采用Drucker －Prager 準(zhǔn)則(簡稱D－P 準(zhǔn)則)、Mohr －Coulomb 準(zhǔn)則(簡稱M －C 準(zhǔn)則)以及雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行對比分析，探究支護(hù)阻力pi、內(nèi)摩擦角φ 以及黏聚力c 對巷道變形破壞的影響，從更全面的角度，對巷道的圍巖的力學(xué)狀態(tài)加以分析。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］，采用D －P 屈服準(zhǔn)則進(jìn)行分析，經(jīng)計(jì)算得出塑性區(qū)半徑Rp和up塑性區(qū)徑向位移分別為

在平面應(yīng)變條件下，巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)，中間主應(yīng)力系數(shù)取n=0.5;其中

α 和k 表示D－P 屈服準(zhǔn)則常數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)［7］，采用統(tǒng)一強(qiáng)度理論進(jìn)行分析。b為統(tǒng)一強(qiáng)度理論參數(shù)，不同的b 值對應(yīng)不同的強(qiáng)度準(zhǔn)則，b=0 時(shí)退化為M－C 強(qiáng)度準(zhǔn)則，b =1 時(shí)為雙剪應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則。經(jīng)計(jì)算得出塑性區(qū)半徑R 和塑性區(qū)徑向位移u 分別為

其中，py為圍巖彈性極限荷載解析解，Y、C0、α 為中間參數(shù)。

1.2 深部高應(yīng)力巷道變形破壞定量分析

根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)、式(4)基于D－P 準(zhǔn)則、M－C 準(zhǔn)則以及雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則對深部高應(yīng)力巷道變形破壞演化規(guī)律進(jìn)行分析。在3 種不同屈服準(zhǔn)則下的支護(hù)阻力pi、內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 對圍巖塑性區(qū)半徑R 和位移u 的影響，其關(guān)系曲線分別如圖1 ～圖3 所示。

圖1 支護(hù)阻力與塑性區(qū)半徑及位移的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves between support resistance and radius of plastic zone，displacement

分析圖1 可知:對于3 種屈服準(zhǔn)則，隨著支護(hù)阻力pi的增大，圍巖塑性區(qū)半徑R 和位移u 均逐漸減小。其中塑性區(qū)半徑R 和位移u 最大的為D －P 準(zhǔn)則解，M－C 準(zhǔn)則解次之，雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則解最小;D－P準(zhǔn)則解變化率較大，當(dāng)支護(hù)阻力pi由0 MPa 至3 MPa過程中，塑性區(qū)半徑縮小了1.13 m，塑性區(qū)位移減少了5 mm。

分析圖2 和圖3 可知:對于3 種屈服準(zhǔn)則，塑性區(qū)半徑R 及位移u 與內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 的變化關(guān)系基本一致，均隨著內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 的增大而逐漸減小。當(dāng)內(nèi)摩擦角φ 超過30°或黏聚力c 超過4 MPa 時(shí)，三者的塑性區(qū)半徑R 及位移u 結(jié)果比較接近且趨于平緩。

綜合以上，在考慮3 種屈服準(zhǔn)則的情況下，圍巖塑性區(qū)半徑R 和位移u 均隨著支護(hù)阻力pi、內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 的增大逐漸減小。其中，M－C 屈服準(zhǔn)則沒有考慮中間主應(yīng)力對巷道的影響，雙剪應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則充分考慮了中間主應(yīng)力對巷道圍巖的破壞作用，D－P 屈服準(zhǔn)則同時(shí)考慮了中間主應(yīng)力和靜水壓力的影響，總體上3 種屈服準(zhǔn)則解差異性不大，但D －P屈服準(zhǔn)則更接近工程實(shí)際且更加準(zhǔn)確。

圖2 內(nèi)摩擦角與塑性區(qū)半徑及位移的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves between internal friction angel and radius of plastic zone，displacement

圖3 黏聚力與塑性區(qū)半徑及位移的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves between cohesive force and radius of plastic zone，displacement

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型建立

本研究采用FLAC3D模擬峰峰集團(tuán)磁西煤礦－890 m進(jìn)風(fēng)行人大巷，研究不同支護(hù)方式對巷道的支護(hù)效果，模擬區(qū)域?yàn)殚L×寬×高=50 m×30 m×30 m，共劃分158 000 個(gè)單元和164 679 個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立的FLAC3D模擬模型如圖4 所示。本模型限制側(cè)面的水平移動(dòng)，固定底面位移并在上表面施加21.75 MPa 的垂直荷載模擬上覆巖體自重應(yīng)力。模型巖層的劃分以巷道工程地質(zhì)綜合柱狀圖為依據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用MTS 巖石伺服試驗(yàn)機(jī)對巖石材料進(jìn)行三軸抗壓實(shí)驗(yàn)獲取其物理力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)如表1 所示，綜合巷道變形破壞彈塑性分析結(jié)果，采用D－P 破壞準(zhǔn)則分析深部高應(yīng)力巷道在不同支護(hù)方式作用下圍巖開挖后的變形特性。

圖4 三維數(shù)值模擬模型Fig.4 Three-dimensional numerical simulation model

表1 巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果Table 1 Mechanical properties of the surrounding rock of roadway

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

分別采用錨噴、錨網(wǎng)噴、錨網(wǎng)索噴3 種支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得不同支護(hù)方案的圍巖變形曲線如圖5 所示。從整體來看，巷道圍巖底板、頂板及右?guī)偷淖冃瘟吭诓煌闹ёo(hù)方案作用下隨著向內(nèi)部圍巖的深入而減小直至趨于零，其中錨噴支護(hù)變化最為劇烈，錨網(wǎng)噴支護(hù)次之，錨網(wǎng)索噴支護(hù)變化最為平緩。在錨噴支護(hù)中，錨桿發(fā)揮其自身性能起到的懸吊作用和組合拱作用能夠有效地將圍巖產(chǎn)生的受力及變形控制在一定范圍之內(nèi)。錨網(wǎng)噴支護(hù)后，由于金屬與錨桿之間的作用增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的整體性，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖聯(lián)系地更加緊密，以共同發(fā)揮作用，抵抗圍巖變形。錨網(wǎng)索噴支護(hù)后，由于錨索發(fā)揮的作用，深部圍巖至巷道表面圍巖的穩(wěn)定性及承載能力均得到顯著提高，應(yīng)力集中現(xiàn)象得以遏制，塑性區(qū)控制在較小范圍內(nèi)。

圖5 不同支護(hù)方案的圍巖變形曲線Fig.5 Surrounding rock deformation curves of different support schemes

由圖5 分析可知，進(jìn)風(fēng)行人大巷通過錨噴支護(hù)后，頂板最大垂直位移為7.33 cm，底板最大底鼓量為8.13 cm，兩幫最大水平位移為7.32 cm;通過錨網(wǎng)噴支護(hù)后，頂板最大垂直位移為4.93 cm，底板最大底鼓量為5.67 cm，兩幫最大水平位移為4.93 cm;錨網(wǎng)索噴支護(hù)后，頂板最大垂直位移為19.73 mm，底板最大底鼓量為22.91 mm，兩幫最大水平位移為19.79 mm。以上數(shù)據(jù)可以看出，錨網(wǎng)索噴支護(hù)方案相對于其他支護(hù)方案表現(xiàn)出良好的支護(hù)效果，圍巖變形控制在較低水平，自巷道表面向內(nèi)部深入，位移變化較為平穩(wěn)，圍巖的整體性、穩(wěn)定性及自承能力具有較大提升。

3 工程應(yīng)用

進(jìn)風(fēng)行人大巷是煤礦生產(chǎn)重要的運(yùn)輸通道，巷道位于－890 m 水平，巖性以細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖及砂礫巖為主，巷道開挖后將處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，因此必須采取防范措施。

根據(jù)峰峰集團(tuán)磁西煤礦進(jìn)風(fēng)行人大巷所存在的支護(hù)問題，結(jié)合巷道圍巖的力學(xué)特征以及其自身實(shí)際特點(diǎn)，采用以錨桿、錨索為核心的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)體系的支護(hù)方案，進(jìn)風(fēng)行人大巷支護(hù)示意圖如圖6 所示。

第四種跡象：多角度、深層次的語言研究。日益強(qiáng)大的信息和人工智能時(shí)代，迫使藝術(shù)家向機(jī)器無法達(dá)到的境地探索，進(jìn)一步將材料語言推向極致。與此同時(shí)，物質(zhì)背后所承載的豐富的文化線索和全新的材料試驗(yàn)讓這一方向生機(jī)勃勃。

圖6 巷道錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)Fig.6 Combined bolt-anchor-shotcrete-mesh support of the roadway

進(jìn)風(fēng)行人大巷錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)參數(shù)如下。

(1)高強(qiáng)螺紋鋼錨桿:規(guī)格為 φ18.9 mm ×2.4 m，間距為800 mm，排距為800 mm。錨固力設(shè)計(jì)值為100 kN，每根錨桿配150 mm ×150 mm ×12 mm 正規(guī)鋼托盤1 個(gè)，尾部螺母用力矩板手?jǐn)Q緊，扭矩不小于300 N·m。

(2)錨索:采用 φ18.9 mm ×8.3 m 的1 860 MPa級1 ×7 預(yù)應(yīng)力鋼絞線。錨索間排距為1.6 m ×1.6 m，其沿巷道中心線布置。每排布置3 根錨索，每根錨索配1 塊300 mm×300 mm×16 mm 的鋼托板。

(3)金屬網(wǎng):采用 φ6.5 mm 圓鋼焊接而成，規(guī)格1.5 m×0.9 m，網(wǎng)格為100 mm ×100 mm，搭接長度為100 mm。

(4)鋼筋梯子梁:采用φ14 mm 鋼筋焊制而成，規(guī)格為2.48 m ×0.08 m，網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm ×80 mm，每根錨桿安設(shè)至梯子梁中間孔洞內(nèi)，梯子梁排距為800 mm，搭接80 mm。

(5)噴射混凝土:強(qiáng)度等級為C25，總厚度為150 mm。

(6)水溝、鋪底及基礎(chǔ)混凝土:強(qiáng)度等級為C25，鋪底厚度為150 mm，水溝兩幫及底部澆注厚度為100 mm，蓋板厚度為50 mm，基礎(chǔ)深度為100 mm。

4 礦壓監(jiān)測

為了判斷進(jìn)風(fēng)行人大巷開挖支護(hù)后圍巖的穩(wěn)定性，驗(yàn)證錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)方案的合理性，動(dòng)態(tài)掌握巷道圍巖變形情況和錨桿錨索的性能，采用十字布點(diǎn)法對進(jìn)風(fēng)行人大巷圍巖表面位移進(jìn)行觀測，監(jiān)測曲線如圖7 所示。

圖7 巷道表面圍巖相對移近量與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve of the convergence of the surrounding rock at roadway surface with the time

從圖7 的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，頂?shù)装謇塾?jì)移近量為40 mm、兩幫累計(jì)移近量為35 mm，可以看出，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)性能得到充分發(fā)揮，深部高應(yīng)力巷道的大變形特性得到有效控制，巷道圍巖的穩(wěn)定性、整體性以及支護(hù)能力明顯改善，保證了巷道在服務(wù)年限內(nèi)的長期穩(wěn)定與正常生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)應(yīng)用D －P 準(zhǔn)則、M －C 準(zhǔn)則以及雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則分析深部高應(yīng)力巷道開挖后塑性區(qū)半徑和塑性區(qū)徑向位移變化規(guī)律。分析3 種屈服準(zhǔn)則的彈塑性解析解可知，圍巖塑性區(qū)半徑R 和位移u 均隨著支護(hù)阻力pi、內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 的增大逐漸減小。D－P 準(zhǔn)則結(jié)果考慮了中間主應(yīng)力和靜水壓力的影響，更接近工程實(shí)際且更準(zhǔn)確。

(2)對3 種不同支護(hù)方案通過FLAC3D模擬巷道圍巖的變形特征，進(jìn)行對比優(yōu)化，提出了以錨桿、錨索為核心的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)體系。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可充分發(fā)揮錨桿、錨索性能，可有效提高圍巖的整體性與承載能力，巷道受力較為均勻穩(wěn)定，大變形、應(yīng)力集中及底鼓等現(xiàn)象得到改善，圍巖變形和塑性區(qū)的擴(kuò)展明顯遏制。實(shí)踐證明，錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)體系是解決深部高應(yīng)力巷道支護(hù)問題的一種有效支護(hù)方式。

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