水巖耦合作用下軟巖巷道最佳二次支護(hù)時(shí)間研究

佟 欣

(遼寧水利職業(yè)學(xué)院，遼寧省沈陽(yáng)市，110122)

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水巖耦合作用下軟巖巷道最佳二次支護(hù)時(shí)間研究

佟 欣

(遼寧水利職業(yè)學(xué)院，遼寧省沈陽(yáng)市，110122)

基于水巖耦合作用規(guī)律和軟巖巷道工程支護(hù)原理，分析了軟巖巷道支護(hù)過程中圍巖應(yīng)力與強(qiáng)度演化過程，利用數(shù)值模擬的方法，優(yōu)化了圍巖支護(hù)參數(shù)，確定了最佳二次支護(hù)時(shí)間。數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用于古山煤礦，對(duì)古山煤礦水巖耦合作用下的軟巖巷道在最佳二次支護(hù)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行錨桿+錨索的噴錨支護(hù)。試驗(yàn)巷道頂板最大下沉量為12.5cm，兩幫最大收斂量為20.4cm，巷道圍巖得到了很好的控制。

軟巖巷道 水巖耦合 二次支護(hù) 數(shù)值模擬

我國(guó)許多巷道都需要在軟弱圍巖中進(jìn)行開挖，由于軟巖具有流變特征，巷道開挖后會(huì)導(dǎo)致圍巖內(nèi)部產(chǎn)生新的裂紋，水會(huì)通過這些裂紋滲透進(jìn)巖層中，進(jìn)而影響巷道圍巖的支護(hù)與完整性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水作用下軟巖巷道的變形與應(yīng)力的二次分布等問題展開了研究，利用FLAC3D數(shù)值模擬平臺(tái)，對(duì)變孔隙水壓力作用下軟巖巷道圍巖位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律進(jìn)行了仿真研究，得出了在巷道圍巖均布孔隙水壓力的條件下，孔隙水壓力對(duì)兩幫的影響范圍大于頂?shù)装?。一些學(xué)者對(duì)軟巖巷道二次支護(hù)進(jìn)行研究，得出了圍巖體的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)二次支護(hù)時(shí)間的確定有著重要影響，巖體的瞬時(shí)強(qiáng)度參數(shù)越大發(fā)生破壞時(shí)，強(qiáng)度參數(shù)下降的越多，二次支護(hù)時(shí)間也就相應(yīng)越大。綜上所述，水巖耦合作用下的軟巖巷道表現(xiàn)出非線性大變形、顯著流變等工程特點(diǎn)，采用一次支護(hù)達(dá)不到穩(wěn)定性要求，通常采用二次支護(hù)的方法。然而，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，水作用下圍巖的形變對(duì)二次支護(hù)的時(shí)機(jī)與強(qiáng)度提出了更高的要求。因此，確定水作用下軟巖巷道的最佳二次支護(hù)時(shí)間對(duì)煤礦生產(chǎn)具有重要的理論及實(shí)踐意義。

1 水巖耦合作用對(duì)軟巖巷道的變形失穩(wěn)影響

與普通軟巖巷道相比，水作用下軟巖巷道圍巖變形失穩(wěn)機(jī)理更加復(fù)雜多變。水作用下軟巖巷道開挖后，在應(yīng)力集中區(qū)域孔隙壓力增大，在巷道周邊圍巖松動(dòng)圈內(nèi)孔隙水壓力消失或產(chǎn)生孔隙負(fù)壓，軟巖巷道在水巖耦合作用下的自承能力被削弱。在孔隙水壓作用下，巷道圍巖的最大位移與水平位移也相應(yīng)地有所增加，給初次支護(hù)與二次支護(hù)帶來(lái)了極大的困難。

水作用極大地削弱了圍巖強(qiáng)度和圍巖自承能力，并且弱化了軟巖體的蠕變強(qiáng)度，提高了蠕變變形量，在沒有二次支護(hù)或者二次支護(hù)時(shí)機(jī)與強(qiáng)度耦合效果不好的情況下，會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生蠕變破壞，導(dǎo)致巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

2 最佳二次支護(hù)時(shí)間的確定

2.1 軟巖巷道支護(hù)原理

不同于硬巖巷道的支護(hù)原理，水作用下軟巖巷道支護(hù)原理是允許圍巖達(dá)到塑性狀態(tài)。另外，軟巖需通過一定方式釋放其自身具有的巨大的塑性能及膨脹變形能。因此，軟巖巷道支護(hù)原理按式(1)表達(dá)：

(1)

2.2 最佳二次支護(hù)時(shí)間(段)的確定

軟巖巷道開挖完成后，圍巖經(jīng)過一定時(shí)間后才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。軟巖支護(hù)時(shí)，若過早對(duì)其進(jìn)行二次支護(hù)，則不能充分釋放軟巖經(jīng)過變形而存儲(chǔ)的膨脹變形能；若過晚對(duì)其進(jìn)行二次支護(hù)，雖能充分釋放膨脹變形能，但是圍巖具有的自承力大部分已然喪失，只能作為施載體加載到支護(hù)體上，對(duì)支護(hù)體的強(qiáng)度就會(huì)提出更高的要求，支護(hù)體往往達(dá)不到如此大的支護(hù)強(qiáng)度，巷道仍然會(huì)發(fā)生變形失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖1 最佳支護(hù)時(shí)間TS示意圖

圖2 最佳支護(hù)時(shí)段示意圖

軟巖巷道掘進(jìn)完成后，圍巖原巖應(yīng)力經(jīng)過人工擾動(dòng)，一段時(shí)間后會(huì)重新分布，巷壁附近會(huì)產(chǎn)生高度集中的切向應(yīng)力，從而導(dǎo)致本區(qū)域的巖層產(chǎn)生屈服現(xiàn)象。隨后巖層進(jìn)入塑性狀態(tài)，最終形成塑性區(qū)。巖壁產(chǎn)生的應(yīng)力集中進(jìn)一步向巖層縱深發(fā)展，且新的塑性區(qū)范圍隨著應(yīng)力集中的強(qiáng)度強(qiáng)于圍巖的屈服強(qiáng)度而繼續(xù)擴(kuò)大。若不采取及時(shí)有效的支護(hù)措施，將出現(xiàn)松動(dòng)破壞區(qū)，此時(shí)巷道塑性區(qū)將會(huì)隨著圍巖變形的增大而出現(xiàn)松動(dòng)破壞現(xiàn)象。不同于塑性區(qū)具有一定自承力，松動(dòng)破壞使得承載能力完全喪失。

支護(hù)處于高應(yīng)力狀態(tài)的軟巖巷道時(shí)，當(dāng)其穩(wěn)定塑性區(qū)出現(xiàn)后再進(jìn)行支護(hù)，但必須控制其非塑性區(qū)的發(fā)育，也就是要確定最佳二次支護(hù)時(shí)間，從而使圍巖能夠充分發(fā)揮其達(dá)到塑性區(qū)所具有的自承力，而不致使其失穩(wěn)破壞。因此，最佳支護(hù)時(shí)間的力學(xué)含義是充分發(fā)揮塑性區(qū)的自承力而不失穩(wěn)破壞。

3 巷道控制效果的數(shù)值模擬與工程應(yīng)用

3.1 數(shù)值模擬

對(duì)古山煤礦水作用下軟巖巷道進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬試驗(yàn)巷道共計(jì)掘進(jìn)30m，支護(hù)形式為錨噴支護(hù)。錨桿采用螺紋鋼錨桿，型號(hào)為?20mm、長(zhǎng)2.4m，間排距0.8m×0.8m；錨索采用鋼絞線錨索，型號(hào)為?15.24mm、長(zhǎng)8m，間排距為2.4m×1.6m；噴漿厚度為350mm；在進(jìn)行模擬時(shí)，掘進(jìn)過程分6步進(jìn)行，每步掘進(jìn)5m。選取巷道掘進(jìn)15m時(shí)圍巖塑性區(qū)、圍巖最大位移、x方向位移和剪應(yīng)力分布變化的數(shù)值模擬結(jié)果如圖3、4、5和6所示。

圖3 巷道掘進(jìn)15 m時(shí)塑性區(qū)分布

圖4 巷道掘進(jìn)15 m時(shí)圍巖最大位移

圖 5 巷道掘進(jìn)15 m時(shí)x方向位移

圖6 巷道掘進(jìn)15 m時(shí)剪應(yīng)力分布

由圖3可知，巷道掘進(jìn)15m時(shí)，圍巖體僅在巷道0～2m范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性區(qū)，其余部分處于彈性狀態(tài)，圍巖狀態(tài)良好，說明巷道支護(hù)有效限制了圍巖體的變形；由圖4和圖5可知，巷道兩幫圍巖位移由圍巖內(nèi)部向表面逐漸增大，最大為25cm，但僅存在巷道表面圍巖，圍巖大部分位移僅為5cm，巷道圍巖整體狀態(tài)良好，說明支護(hù)措施有限地控制了軟巖變形向深部延伸；由圖6可知，巷道圍巖僅在小范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大值為11.5MPa，大部分則處于正常應(yīng)力區(qū)，巷道表面圍巖沒有卸壓區(qū)域，說明支護(hù)措施明顯地加強(qiáng)了巷道表面的圍巖，巷道狀態(tài)良好。

3.2 工程應(yīng)用

由上述研究成果及支護(hù)模擬方案，對(duì)古山煤礦水作用下的軟巖巷道在最佳二次支護(hù)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行錨桿+錨索的噴錨支護(hù)，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)巷道段的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。由監(jiān)測(cè)與分析可知，巷道的絕對(duì)收斂量不大。經(jīng)過一個(gè)月的監(jiān)測(cè)，頂板最大下沉量為12.5cm，兩幫最大移近量為20.4cm。由圍巖移近量來(lái)看，巷道周圍呈均勻內(nèi)擠的趨勢(shì)，巷道圍巖活動(dòng)在掘進(jìn)后20d左右趨于平穩(wěn)，取得了較好的控制效果。

4 結(jié)論

(1)導(dǎo)致水作用軟巖巷道形變以至失穩(wěn)破壞的機(jī)理是，水巖互相作用削弱了圍巖強(qiáng)度，降低了圍巖的自承能力，弱化了軟巖體的蠕變強(qiáng)度，加劇了軟巖體蠕變變形，在二次支護(hù)時(shí)機(jī)不當(dāng)?shù)那闆r下，將會(huì)加劇巷道圍巖蠕變變形，最終會(huì)導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。

(3)構(gòu)造應(yīng)力機(jī)制和水作用機(jī)制共同作用是導(dǎo)致古山煤礦水作用軟巖巷道圍巖產(chǎn)生變形失穩(wěn)的主要原因，基于論文的研究成果，對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，錨桿+錨索的噴錨聯(lián)合支護(hù)適合于水作用軟巖巷道。

[1] 顏文，周豐峻，鄭明新. 長(zhǎng)衡段軟巖水理特性研究 [J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(2)

[2] 魯巖，柏建彪，鄒喜正. 深井軟巖巷道二次支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用 [J]. 中國(guó)煤炭，2007(7)

[3] 陳鋼林，周仁德. 水對(duì)受力巖石變形破壞宏觀力學(xué)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 地球物理學(xué)報(bào)，1991(3)

[4] 許興亮，張農(nóng). 富水條件下軟巖巷道變形特征與過程控制研究 [J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(3)

[5] 張立新，李剛，孫會(huì)文. 孔隙水壓力對(duì)深部軟巖巷道變形規(guī)律影響的數(shù)值仿真研究 [J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010(6)

[6] 李英明，張瀚，孟祥瑞. 軟巖巷道二次支護(hù)時(shí)機(jī)研究 [J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2015(8)

[7] 王海東. 高應(yīng)力松軟煤層回采巷道錨網(wǎng)索支護(hù)研究 [D]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2005

[8] 李剛. 水巖耦合作用下軟巖巷道變形機(jī)理及其控制研究 [D]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2009

[9] 何滿潮. 煤礦軟巖變形力學(xué)機(jī)制與支護(hù)對(duì)策 [J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1997(2)

[10] 李海燕，李術(shù)才. 膨脹性軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用 [J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2009(3)

[11] 王其洲，謝文兵，祖夢(mèng)柯. 高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制技術(shù)研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2011(10)

[12] 王襄禹，柏建彪，胡忠超. 軟巖巷道圍巖的流變特性及其控制技術(shù)分析 [J]. 煤炭工程，2008(2)

(責(zé)任編輯 陶 賽)

Research on the best time of secondary support of soft rock roadway under water-rock coupling interaction

Tong Xin

(Liaoning Water Conservancy Vocational College, Shenyang, Liaoning 110122, China)

Based on water-rock coupling interaction rules and soft rock tunnel support principles, this paper analyzed the stress and strength evolution process during the support of soft rock roadway by numerical simulation, parameters of surrounding rock were optimized, the best time of secondary support was determined. The research achievements were applied in Hong Miao Mine, using shotcrete rockbolt support of bolt and cable on soft rock roadway under water-rock coupling interaction during the best time of secondary support. The maximum subsidence of experimental roadway roof was 12.5 cm, the maximum convergence of roadway sides was 20.4 cm, and the surrounding rock was favorably controlled.

soft rock roadway, water-rock coupling, secondary support, numerical simulation

遼寧省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃立項(xiàng)課題(項(xiàng)目編號(hào)：27-17)

佟欣.水巖耦合作用下軟巖巷道最佳二次支護(hù)時(shí)間研究[J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(6)：81-84.TongXin.Researchonthebesttimeofsecondarysupportofsoftrockroadwayunderwater-rockcouplinginteraction[J].ChinaCoal，2017,43(6)：81-84.

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佟欣(1967-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)樗娊ㄖこ獭?/p>