軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法與圍巖穩(wěn)定性理論研究

王 軍 曲廣龍 孟德軍 陳冰慧

(1. 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東省濟(jì)南市，250101；2. 山東科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山東省青島市，266590；3. 淮北礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司楊莊煤礦，安徽省淮北市，235025；4. 山東深博巷道支護(hù)技術(shù)有限公司，山東省濟(jì)南市，250022)

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軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法與圍巖穩(wěn)定性理論研究

王 軍1曲廣龍2孟德軍3陳冰慧4

(1. 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東省濟(jì)南市，250101；2. 山東科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山東省青島市，266590；3. 淮北礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司楊莊煤礦，安徽省淮北市，235025；4. 山東深博巷道支護(hù)技術(shù)有限公司，山東省濟(jì)南市，250022)

根據(jù)軟巖巷道圍巖的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，將圍巖細(xì)化分類，對(duì)巷道支護(hù)提出了系統(tǒng)的支護(hù)設(shè)計(jì)方法，該方法以支護(hù)技術(shù)、斷面形狀、讓壓方式和支護(hù)反力校核4個(gè)方面為主要內(nèi)容。設(shè)計(jì)了圓形、淺底拱圓形、馬蹄形以及橢圓形等多種支護(hù)斷面形狀，總結(jié)了支護(hù)結(jié)構(gòu)自身收縮變形、預(yù)留環(huán)形變形縫、開(kāi)槽卸壓和開(kāi)采解放層等多種巷道讓壓方式。針對(duì)軟巖巷道提出了基于剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù)的圍巖穩(wěn)定性理論。

軟巖巷道支護(hù) 斷面形狀 讓壓方式 剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù)

軟巖巷道圍巖以泥質(zhì)膠結(jié)體為主，巖體強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差，吸水軟化或膨脹變形，對(duì)擾動(dòng)荷載響應(yīng)明顯，常規(guī)支護(hù)后巷道持續(xù)變形難以穩(wěn)定，巷道返修率、支護(hù)疊加成本高。因此，需要對(duì)軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，建立系統(tǒng)有效的支護(hù)設(shè)計(jì)方法。首先，深入考察軟巖巷道圍巖力學(xué)性能，然后從巷道斷面形狀、復(fù)合支護(hù)技術(shù)、支護(hù)讓壓方式以及支護(hù)體承載力校核等4個(gè)方面進(jìn)行軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。采掘擾動(dòng)對(duì)軟巖巷道穩(wěn)定影響較大，研究采掘擾動(dòng)作用下的巷道穩(wěn)定是采礦界和巖石力學(xué)界的一個(gè)重要課題，本文基于應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定理論探討了該課題。

1 軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法研究

軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，其設(shè)計(jì)思路如下：以圍巖地質(zhì)條件與巖體力學(xué)性質(zhì)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，根據(jù)巖體力學(xué)特征對(duì)軟巖巷道分類，依據(jù)承壓環(huán)強(qiáng)化設(shè)計(jì)理論確定巷道支護(hù)技術(shù)，以支護(hù)承載力計(jì)算校核支護(hù)體穩(wěn)定性。

1.1 軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1.1 圍巖地應(yīng)力參數(shù)

巷道應(yīng)力場(chǎng)由重力、水平構(gòu)造應(yīng)力和擾動(dòng)應(yīng)力組成，重力即垂向地應(yīng)力，與巷道埋深有關(guān)；水平構(gòu)造應(yīng)力即水平地應(yīng)力，與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)；前兩項(xiàng)參數(shù)可以通過(guò)地應(yīng)力測(cè)試獲得。擾動(dòng)應(yīng)力主要是鄰近巷道爆破掘進(jìn)和近距離采面回采導(dǎo)致的頂板垮落等原因造成，可以通過(guò)巖石流變擾動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行估算分析，目前還難以準(zhǔn)確測(cè)試。

1.1.2 圍巖強(qiáng)度參數(shù)

包含巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖體強(qiáng)度兩方面，巖石單軸抗壓強(qiáng)度考察組成巖體的單塊完整巖石強(qiáng)度，與巖石種類和礦物組成有關(guān)，可以通過(guò)巖石試驗(yàn)機(jī)測(cè)試；巖體強(qiáng)度考察巖體完整性與膠結(jié)性質(zhì)，與節(jié)理裂隙數(shù)量、是否過(guò)斷層帶以及有無(wú)滲透水作用有關(guān)，一般通過(guò)定性分析。

1.1.3 巖石水理參數(shù)

主要包括原始含水率、飽和吸水率、吸水軟化性與膨脹性。巖石水理參數(shù)與成巖地質(zhì)作用與地質(zhì)年代、粘土礦物總含量以及三類粘土礦物(伊利石、蒙脫石和高嶺土)各自含量有關(guān)，可以通過(guò)水理性質(zhì)測(cè)試獲得。

1.1.4 巷道變形參數(shù)

主要包括巷道或鄰近巷道的兩幫收斂量、頂?shù)装逡平俊⑽灰谱冃嗡俾室约跋锏榔茐囊?guī)律。巷道變形參數(shù)受圍巖地應(yīng)力場(chǎng)、圍巖強(qiáng)度和巖石水理性質(zhì)等參數(shù)影響，同時(shí)受到原有巷道斷面形狀、支護(hù)技術(shù)以及讓壓方式等影響。巷道變形參數(shù)是支護(hù)體與圍巖相關(guān)作用關(guān)系的直接反映，也是分析巷道失穩(wěn)原因和改進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

1.1.5 圍巖載荷參數(shù)

通常指支護(hù)體在保持巷道穩(wěn)定的條件下所受到的圍巖壓力作用，可以通過(guò)坍落拱理論、芬納公式或有限元分析等方式獲得，但圍巖地質(zhì)條件千變?nèi)f化，目前還不能精確計(jì)算圍巖載荷，主要通過(guò)支架與圍巖間布置的壓力盒測(cè)定。支護(hù)體支護(hù)反力σsp大于圍巖載荷P是巷道穩(wěn)定的力學(xué)條件。

1.2 深井軟巖巷道的3種圍巖類別

1.2.1 中硬圍巖

巖石單軸抗壓強(qiáng)度大于30 MPa，巖性以砂質(zhì)巖體為主，巖石水理性質(zhì)為吸水軟化型。

1.2.2 軟弱圍巖

巖石單軸抗壓強(qiáng)度10～30 MPa，巖性以泥質(zhì)巖體為主，巖石吸水軟化崩解或泥化，巖石水理性質(zhì)為吸水碎裂泥化型。

1.2.3 極軟弱圍巖

巖石單軸抗壓強(qiáng)度小于10 MPa，巖性以膨脹性粘土巖為主，巖石吸水泥化，具強(qiáng)膨脹性，巖石水理性質(zhì)為吸水泥化膨脹型。

1.3 軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的4項(xiàng)內(nèi)容

1.3.1 巷道支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)

(1)中硬圍巖。具有一定的自穩(wěn)能力，可以充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，建議采用錨網(wǎng)索噴+圍巖注漿加固復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)，圍巖適度讓壓。

(2)軟弱圍巖。既要發(fā)揮圍巖自身的承載能力，又要給予圍巖一定的外部支護(hù)力，建議采用型鋼支架/鋼管混凝土支架+錨網(wǎng)索噴+圍巖注漿復(fù)合支護(hù)方案，圍巖適度讓壓。

(3)極軟弱圍巖。圍巖自身承載能力較差，不具備可錨性，則要在巷道開(kāi)挖空間內(nèi)重建支護(hù)承載體，可采用型鋼支架、鋼管混凝土支架和鋼筋混凝土碹體等高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)。

1.3.2 軟巖巷道斷面形狀設(shè)計(jì)

巷道常用斷面包括直墻半圓拱形、圓形、淺底拱圓形、馬蹄形和橢圓形等多種類別，對(duì)于軟巖巷道宜采用后4種斷面，圍巖越軟弱其適宜斷面越應(yīng)接近圓形。

1.3.3 軟巖巷道讓壓方式

包括支護(hù)結(jié)構(gòu)自身收縮變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間預(yù)留環(huán)形變形空間、開(kāi)挖卸壓導(dǎo)洞、圍巖開(kāi)槽卸壓、開(kāi)采解放層卸壓等多種讓壓方式。

1.3.4 支護(hù)體支護(hù)反力校核

支護(hù)體承載力是指支護(hù)體所能提供的極限穩(wěn)定支護(hù)力N，支護(hù)反力指單位面積圍巖受到的支護(hù)力σsp。軟巖巷道穩(wěn)定的力學(xué)條件為σsp>P。

2 軟巖巷道應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定理論研究

傳統(tǒng)強(qiáng)度理論都是關(guān)于材料單元體的理論，即關(guān)于材料某一點(diǎn)的強(qiáng)度理論，適合結(jié)構(gòu)尺寸有限的機(jī)械結(jié)構(gòu)和地面建筑工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。而地下工程處于半無(wú)限空間體中，深井軟巖巷道工程處于無(wú)限筒狀空間中，所以僅采用點(diǎn)狀單元體強(qiáng)度理論分析軟巖巷道不符合工程實(shí)際。本文提出了無(wú)擾動(dòng)作用和有擾動(dòng)作用兩種條件下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定理論，它不再是傳統(tǒng)意義上關(guān)于材料某一個(gè)點(diǎn)的穩(wěn)定性理論，而是關(guān)于一定面積或空間范圍內(nèi)的材料穩(wěn)定性理論。

軟巖巷道應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定理論認(rèn)為：軟巖巷道圍巖塑性圈范圍較大，在沒(méi)有擾動(dòng)或小規(guī)模擾動(dòng)條件下，要保證塑性圈不再發(fā)展且塑性圈內(nèi)的巖體長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)，必須滿足合理的應(yīng)力梯度，即沿巷道圍巖徑線方向，剪應(yīng)力曲線的增長(zhǎng)率(剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù))要小于某個(gè)值，該值可以通過(guò)支護(hù)相似模擬試驗(yàn)測(cè)得。

2.1 無(wú)支護(hù)條件下圍巖應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定理論

軟巖巷道開(kāi)挖后，在無(wú)支護(hù)條件下，巷道變形最終穩(wěn)定后，其圍巖中的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σθ變化曲線如圖1所示。由圖1可知，在圍巖表層徑向和切向應(yīng)力均為零，向圍巖深部發(fā)展，徑向和切向應(yīng)力不斷增大，其中在彈塑性邊界區(qū)切向應(yīng)力達(dá)到峰值之后逐漸減小，兩者最終趨于原巖應(yīng)力。可以認(rèn)為切向應(yīng)力為最大主應(yīng)力，徑向應(yīng)力為最小主應(yīng)力，近似認(rèn)為塑性區(qū)內(nèi)的巖體剪應(yīng)力符合莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度公式，即：

式中：c——巖石粘聚力，MPa；

φ——巖石內(nèi)摩擦角，(°)。

在無(wú)支護(hù)條件下，軟巖圍巖應(yīng)力場(chǎng)要穩(wěn)定，巷道圍巖剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù)應(yīng)滿足如下條件：

(2)

式中：τr——巷道圍巖內(nèi)沿徑線方向的剪應(yīng)力，MPa；

r——對(duì)應(yīng)計(jì)算點(diǎn)的圍巖徑向深度，以巷道壁為起點(diǎn)，m；

式(2)是無(wú)支護(hù)條件下的軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的判據(jù)，無(wú)支護(hù)條件下，圍巖為降低剪應(yīng)力增長(zhǎng)速率而滿足巷道穩(wěn)定，只能通過(guò)延長(zhǎng)剪應(yīng)力變化曲線(即加寬塑性區(qū))，使剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù)值減小，直到其等于或小于極值，即滿足式(2)，可將該極限值稱為剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù)擾動(dòng)強(qiáng)度。在這一變化過(guò)程中塑性區(qū)寬度不斷增大，巷道將持續(xù)收斂變形。

圖1 無(wú)徑向支護(hù)力時(shí)巷道圍巖剪應(yīng)力曲線圖

圖2 有徑向支護(hù)力時(shí)巷道圍巖剪應(yīng)力曲線圖

2.2 有支護(hù)條件下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定理論

在有支護(hù)條件下，圍巖應(yīng)力場(chǎng)要穩(wěn)定，巷道圍巖剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù)應(yīng)滿足如下條件：

(3)

由圖1、圖2和式(3)可知，軟巖巷道保持穩(wěn)定的直接有效措施是提高支護(hù)體的徑向支護(hù)力σN，并降低剪應(yīng)力曲線τr沿巷道圍巖徑向的增長(zhǎng)率。

3 軟巖支護(hù)設(shè)計(jì)方法的工程應(yīng)用

3.1 軟巖支護(hù)方案設(shè)計(jì)

淮北楊莊煤礦三水平南大巷位于5#～6#煤層之間，巷道埋深為517～526m，埋深較大，巷道圍巖軟弱，巷道曾經(jīng)受煤層采動(dòng)影響。

3.1.1 5個(gè)支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)

(1)地應(yīng)力參數(shù)。采用空心包體應(yīng)力計(jì)，在楊莊煤礦三水平南大巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量，3個(gè)點(diǎn)實(shí)測(cè)地應(yīng)力成果顯示，最大水平主應(yīng)力平均值σ1為16.2MPa，垂向地應(yīng)力平均值為11.9MPa。

(2)巖石強(qiáng)度參數(shù)。巖石單軸抗壓強(qiáng)度為11.56MPa，圍巖破碎，巖體完整性差。

(3)巖石水理性質(zhì)。巖石中粘土礦物總量為71.3%，伊蒙混層占12%，高嶺石占30%，巖石吸水率為19.4%，膨脹率為90.8%，巖石吸水塊狀崩解。根據(jù)軟巖強(qiáng)度參數(shù)和水理性質(zhì)分析，三水平南大巷為軟弱圍巖。

(4)巷道變形破壞方式。在原有支護(hù)條件下，巷道兩幫變形不對(duì)稱，右側(cè)巷道變形明顯，出現(xiàn)錨桿失效，在巷道頂板肩角、兩幫的底腳等部位往往變形量特別大，容易造成巷道的整體失穩(wěn)。

(5)圍巖載荷。原支護(hù)方案下，巷道破壞，說(shuō)明巷道圍巖載荷大于支護(hù)體的承載力，圍巖荷載估算值為1.3MPa。

3.1.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)四大要素

(1)支護(hù)技術(shù)。采用錨網(wǎng)噴+鋼管混凝土支架復(fù)合支護(hù)，如圖3所示。錨桿型號(hào)為?22mm×1800mm，錨桿間排距為0.8m×0.8m，混凝土噴層厚度100mm。鋼管混凝土支架型號(hào)為194mm×8mm，支架間距800mm，核心混凝土為C40。

(2)巷道斷面形狀為立橢圓形，如圖3所示。

(3)讓壓方式為環(huán)形縫讓壓，支架與圍巖之間預(yù)留100mm變形量。

(4)支護(hù)反力校核是由鋼管混凝土支架軸壓抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式求得支護(hù)反力為1.37MPa。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖

3.2 軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性分析

巷道變形的監(jiān)測(cè)采用十字布點(diǎn)法，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明鋼管混凝土支架兩幫收斂量低于100mm，頂?shù)装逡平康陀?5mm以內(nèi)，巷道支護(hù)效果良好，實(shí)現(xiàn)了巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定，巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 1#測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，對(duì)楊莊煤礦三水平南大巷軟巖巷道進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算得出巷道圍巖剪應(yīng)力分布如圖5所示。根據(jù)剪應(yīng)力分布圖，選擇剪應(yīng)力變化最大的方向，求出剪應(yīng)力曲線沿徑向增長(zhǎng)率的最大值為0.448MPa/m。

采用鋼管混凝土支架支護(hù)后，巷道支護(hù)后圍巖應(yīng)力場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定理論，該巷道圍巖的剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù)強(qiáng)度大于0.448MPa/m，故巷道支護(hù)穩(wěn)定。

圖5 巷道圍巖剪應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

(1)提出了新型軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法，該方法以圍巖的5種地質(zhì)力學(xué)參數(shù)為設(shè)計(jì)依據(jù)(地應(yīng)力場(chǎng)、圍巖強(qiáng)度、巖石水理性質(zhì)、原有巷道變形以及圍巖載荷)，將巷道圍巖劃分為3類典型類別(中硬圍巖、軟弱圍巖和極軟弱圍巖)，對(duì)巷道支護(hù)提出4項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容(斷面形狀、支護(hù)技術(shù)、讓壓方式和支護(hù)反力校核)。

(2)建立了基于剪應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)數(shù)的圍巖穩(wěn)定性理論：軟巖巷道若要穩(wěn)定，圍巖內(nèi)剪應(yīng)力沿徑線方向的導(dǎo)數(shù)須小于剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù)強(qiáng)度。在存在擾動(dòng)載荷的條件下，圍巖內(nèi)剪應(yīng)力沿徑線方向的導(dǎo)數(shù)必須小于剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù)擾動(dòng)強(qiáng)度。

(3)依據(jù)軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法，采用基于鋼

管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)技術(shù)，對(duì)楊莊煤礦三水平南大巷軟巖巷道進(jìn)行了支護(hù)實(shí)踐，并實(shí)現(xiàn)了巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Research on support design method of soft rock roadway and stability theory of surrounding rock

Wang Jun1, Qu Guanglong1, Meng Dejun2, Chen Binghui1

(1. School of Civil Engineering, Shandong JianzhuUniversity, Jinan, Shandong 250101, China;2. School of Mining Engineering, Shandong University of Science & Technology, Qingdao, Shandong 266590, China;3. Yangzhuang Coal Mine, Huaibei Mining Group Co., Ltd., Huaibei, Anhui 235025, China;4. Shandong Shenbo Roadway Support Technology Co., Ltd., Jinan, Shandong 250022, China)

According to the geological and mechanical parameters of soft rock tunnel surrounding rock and the classification of surrounding rock, the design method of roadway support system was proposed, this method took support technology, cross-section shape, yield pressure method and support counter-force verification as the main content. Different cross-section shapes of roadway were designed, such as circle, shallow arch circle, horseshoe support cross-section and oval shape. Different ways of yielding pressure were summarized. And a criteria of stability theory of soft surrounding rock, which is based on the derivative of shear stress, was proposed.

soft rock support, cross-section shape, yield pressure method, derivative of shear stress

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474218，51404105)，國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金資助項(xiàng)目(51622404)，山東建筑大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(XNBS1403)

王軍，曲廣龍，孟德軍等 . 軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法與圍巖穩(wěn)定性理論研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(6)：67-71.WangJun,QuGuanglong,MengDejun,etal.Researchonsupportdesignmethodofsoftrockroadwayandstabilitytheoryofsurroundingrock[J].ChinaCoal，2017,43(6)：67-71.

TD

A

王軍(1985-)，男，山東寧陽(yáng)人，講師，博士，主要研究方向?yàn)榈叵鹿こ讨ёo(hù)理論及加固技術(shù)。