非靜水壓力條件下巷道圍巖偏應(yīng)力場分布特征與圍巖破壞規(guī)律

趙洪寶，程 輝，王 磊，劉一洪，吉東亮，張一瀟

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083; 2.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

巷道圍巖穩(wěn)定性一直是采礦工程研究的熱點問題之一。巷道問題不僅僅是平面問題，井下巷道實際上會受到三向應(yīng)力作用，在不同的應(yīng)力作用條件下，特別是非靜水壓力條件下，巷道圍巖的破壞、穩(wěn)定性具有較為明顯的差異性[1]。其中，偏應(yīng)力與應(yīng)變能密度可以反映巷道圍巖破壞趨勢與塑性區(qū)形態(tài)[2-6]，因此，筆者基于兩者對非靜水壓力條件下巷道圍巖偏應(yīng)力場與破壞規(guī)律進行深入研究，對巷道圍巖穩(wěn)定性分析及巷道支護具有重要的理論價值與指導(dǎo)作用。

對于巷道圍巖偏應(yīng)力場分布與破壞規(guī)律，已有不少專家進行了較為深入的研究。余偉健等基于平面問題，推導(dǎo)得出在不同應(yīng)力條件下巷道圍巖偏應(yīng)力分布情況，建立了偏應(yīng)力場與塑性區(qū)分布的本構(gòu)方程，提出不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖可形成典型正對稱失穩(wěn)模式和典型角對稱失穩(wěn)模式[2]。潘岳等通過理論分析推導(dǎo)得到圍巖彈性、硬化和軟化區(qū)應(yīng)力分布表達式，用重積分計算了各區(qū)的偏應(yīng)力應(yīng)變能[7]。許磊等以山西某煤礦軌道巷超高段為研究對象，采用UDEC模擬不同巷高時巷道圍巖偏應(yīng)力分布情況，對巷道頂?shù)装濉蓭偷钠珣?yīng)力變化程度進行了比較，最終提出了針對性的支護技術(shù)[8]。駱開靜等深入研究了中間主應(yīng)力和圍巖流變特性對巷道圍巖位移和圍巖塑性區(qū)的影響，最終發(fā)現(xiàn)忽視巖石流變特性會高估圍巖巖性，中間主應(yīng)力在一定范圍內(nèi)能控制巷道變形與塑性區(qū)擴展[9]。張小波等以D-P屈服準(zhǔn)則推算出了雙向等壓條件下，巷道圍巖彈塑性、塑性區(qū)半徑和位移的解析解，發(fā)現(xiàn)了中間主應(yīng)力對圍巖應(yīng)力分布的重要性[10]。陳梁等根據(jù)D-P屈服準(zhǔn)則與非關(guān)聯(lián)流動法則，推導(dǎo)了靜水壓力下深部圓形巷道圍巖應(yīng)力、變形及塑性區(qū)半徑的封閉解析解[11]。王宏偉等基于M-C準(zhǔn)則，將巷道當(dāng)成平面問題，推導(dǎo)出了非靜水壓力條件下圓形巷道圍巖破碎區(qū)及塑性區(qū)的應(yīng)力與圍巖解析解[12]。袁超等以軟弱破碎巷道為對象，研究了側(cè)壓系數(shù)、黏聚力與內(nèi)摩擦角對巷道塑性區(qū)的影響程度[13]。

目前針對巷道圍巖偏應(yīng)力場與破壞規(guī)律的研究，往往是將巷道簡化為平面問題，不考慮巷道在三向應(yīng)力非靜水壓力條件下巷道圍巖偏應(yīng)力分布特點與破壞形態(tài)，此時，相當(dāng)于忽略巷道軸向方向的應(yīng)力作用，對于巷道任意圍巖單元而言，其力學(xué)強度會被高估，造成圍巖破壞范圍理論分析結(jié)果小于真實值，從而造成一定的工程隱患[1,9-11]。因此，針對三向應(yīng)力狀態(tài)下巷道圍巖穩(wěn)定性的理論分析有待進一步探究。筆者基于前人研究成果，對三向應(yīng)力非靜水壓力條件下巷道圍巖偏應(yīng)力與應(yīng)變能密度分布規(guī)律進行了深入研究，從而反映巷道圍巖破壞形態(tài)，最終通過數(shù)值模擬與工程現(xiàn)場對理論進行了驗證。

1 巷道圍巖偏應(yīng)力場理論

1.1 巷道圍巖單元主應(yīng)力

井下巷道位于三向應(yīng)力場之中，以圓形巷道為例，建立合理的坐標(biāo)系，巷道受力與圍巖應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 巷道受力與圍巖應(yīng)力狀態(tài)示意Fig.1 Stress state of roadway and surrounding rock

圖1中，σx為垂直于巷道軸向的水平應(yīng)力;σz為垂直于巷道軸向的垂直應(yīng)力;σy為平行于巷道軸向的應(yīng)力。σr，σθ，τrθ，σv分別為巷道圍巖單元所受到的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力、剪應(yīng)力以及平行巷道軸向的應(yīng)力。

彈性狀態(tài)下，以圖1為例，各應(yīng)力大小[14-15]為

(1)

式中，R為巷道半徑;r為圍巖單元距離巷道中心的距離;θ為圍巖單元位置與水平方向夾角;ν為圍巖泊松比。

在圖1垂直Y軸的平面上，巷道圍巖單元的主應(yīng)力轉(zhuǎn)化公式為

(2)

將式(1)代入式(2)，可得到巷道圍巖主應(yīng)力大小:

(3)

1.2 巷道圍巖偏應(yīng)力場

經(jīng)典巖土塑性力學(xué)認(rèn)為，巖體單元所受應(yīng)力可以分解為球應(yīng)力與偏應(yīng)力，其中，球應(yīng)力控制單元的體積變形，而偏應(yīng)力控制著單元的形狀變形，因此，偏應(yīng)力控制著巖體單元的塑性破壞，對巖體塑性破壞的影響有著重要意義，探究巷道在三向受力狀態(tài)下的偏應(yīng)力分布規(guī)律，可以為巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律提供一定的理論基礎(chǔ)[2-3]。

已知最大、最小主偏應(yīng)力S1，S3的計算公式為

(4)

式中，σ1，σ2，σ3分別為巖體單元所受的最大、中間、最小主應(yīng)力;σm為平均應(yīng)力。

(5)

將式(3)代入式(5)便可得到最大、最小主偏應(yīng)力的計算表達式。同理，推導(dǎo)可得另外2種情況的偏應(yīng)力表達式?？傆?種情況下的最大、最小主偏應(yīng)力的計算表達式如式(6),(7)所示。根據(jù)式(6),(7)可知，在計算巷道圍巖主偏應(yīng)力時，需要將巷道所處環(huán)境應(yīng)力值代入式(3)計算得到巷道主應(yīng)力值，再根據(jù)主應(yīng)力值比較結(jié)果計算主偏應(yīng)力值。

(6)

(7)

圖(1)中，巷道所處應(yīng)力環(huán)境σx，σy，σz可用式(8)[16]表示：

(8)

其中，p為球應(yīng)力;q為偏應(yīng)力;θσ為Lode角，該值可以表示σx,σy,σz三個應(yīng)力之間的相對比值關(guān)系?；谑?8)，筆者認(rèn)為，巷道在處于等p、等q的應(yīng)力狀態(tài)中，隨著θσ值的變化，巷道圍巖單元所受應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生變化，巷道圍巖單元主偏應(yīng)力大小也會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同程度的圍巖破壞，因此，該處取巷道處于等p、等q應(yīng)力環(huán)境下探究巷道圍巖偏應(yīng)力分布規(guī)律，取p=20 MPa;q=15 MPa，θσ范圍為[-30°，330°]，根據(jù)式(8)，獲得σx，σy，σz的應(yīng)力加載方案，如圖2所示。

圖2 等p、等q條件下應(yīng)力與θσ關(guān)系Fig.2 Relationship between stress and θσ under equal p and q conditions

圖3 巷道圍巖主應(yīng)力分布Fig.3 Distribution of principal stress in surrounding rock of roadway

表1 巷道圍巖偏應(yīng)力計算方案Table 1 Calculation scheme of deviator stress of surrounding rock of roadway

圖4 巷道圍巖最大主偏應(yīng)力場分布Fig.4 Distribution of maximum principal deviator stress field of surrounding rock of roadway

通過圖4的求解結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)巷道圍巖最大主偏應(yīng)力分布存在以下規(guī)律:

(1)即使巷道處于等p、等q的應(yīng)力環(huán)境中，但處于不同的主導(dǎo)型應(yīng)力場中，巷道圍巖偏應(yīng)力分布存在較大差別。處于σx主導(dǎo)型應(yīng)力場的巷道圍巖偏應(yīng)力S1呈“8”字形分布;處于σy主導(dǎo)型應(yīng)力場的巷道圍巖偏應(yīng)力S1呈圓形分布;處于σx主導(dǎo)型應(yīng)力場的巷道圍巖偏應(yīng)力S1呈橫“8”字形分布。

(2)巷道在同種主導(dǎo)型應(yīng)力場之中，保持主導(dǎo)應(yīng)力不變時，無論λ取值1或1.5，等p、等q條件下其余兩方向應(yīng)力大小的改變對巷道圍巖偏應(yīng)力分布影響較小。例如θσ=0°與θσ=300°時，僅改變除主導(dǎo)應(yīng)力外的其余兩個方向的應(yīng)力對巷道圍巖偏應(yīng)力分布形態(tài)改變程度較小。

(3)在同種主導(dǎo)型應(yīng)力場之中，若增加主導(dǎo)應(yīng)力，保持其余兩方向主應(yīng)力大小不變的情況下，巷道圍巖單元偏應(yīng)力大小會發(fā)生變化，該種變化主要為數(shù)值變化，圍巖偏應(yīng)力分布形態(tài)不發(fā)生明顯改變，當(dāng)λ增大時，同一深度處的圍巖單元偏應(yīng)力增大。例如在σy主導(dǎo)型應(yīng)力場中，σy增大1.5倍，即巷道軸向應(yīng)力增大1.5倍，巷道圍巖偏應(yīng)力增大，該現(xiàn)象說明軸向應(yīng)力大小對巷道圍巖破壞有影響，僅考慮兩向應(yīng)力作用會高估巷道圍巖力學(xué)強度。

(4)處于σx主導(dǎo)型應(yīng)力場的巷道頂板偏應(yīng)力大于兩幫，該種情況下，巷道應(yīng)注重頂?shù)装逯ёo;處于σy主導(dǎo)型應(yīng)力場的巷道圍巖頂?shù)装迮c兩幫偏應(yīng)力大小差別不大，若巷道圍巖巖性較差時，應(yīng)注意全斷面支護;處于σz主導(dǎo)型應(yīng)力場的巷道兩幫處的偏應(yīng)力大于頂?shù)装?，因此巷道兩幫此時的支護不可忽視。

綜上可知，在不同的應(yīng)力環(huán)境下，巷道圍巖偏應(yīng)力場的分布形式有較大區(qū)別，巷道支護因此也要具有一定的針對性，對于已知應(yīng)力環(huán)境的巷道，通過計算其圍巖偏應(yīng)力場分布情況，可對巷道支護維穩(wěn)起到一定的指導(dǎo)作用。

2 非靜水壓力條件下巷道圍巖應(yīng)變能密度分布規(guī)律

對于處于三向應(yīng)力非靜水壓力條件下的巷道，為研究巷道圍巖破壞形態(tài)，可采用應(yīng)變能密度(SED)理論進行分析計算，應(yīng)變能密度作為一個相對值，可以演示應(yīng)變能的積累和耗散[17]?；趫D1，巷道圍巖單元應(yīng)變能密度公式為

(9)

式中，E為圍巖彈性模量。

巷道圍巖在開挖后或受到采動應(yīng)力影響時，單元內(nèi)部將儲存應(yīng)變能，每個單元體能夠儲存的應(yīng)變能是有限的，當(dāng)巷道圍巖單元應(yīng)變能密度達到破壞閾值時，會產(chǎn)生塑性區(qū)[4-5]，因此，研究巷道圍巖應(yīng)變能密度分布規(guī)律，在一定程度可反映巷道圍巖破壞形態(tài)。

基于1.2節(jié)中巷道圍巖偏應(yīng)力分布規(guī)律可知，巷道頂?shù)装迮c兩幫的應(yīng)變能密度分布是研究重點，聯(lián)立式(3)，(8)，(9)，計算得到巷道圍巖在不同偏應(yīng)力比M(M=q/p)時頂?shù)装迮c兩幫的應(yīng)變能密度分布規(guī)律，如圖5所示。

圖5 不同偏應(yīng)力比情況下3種主導(dǎo)型應(yīng)力場中巷道頂?shù)装迮c兩幫應(yīng)變能密度分布Fig.5 Strain energy density distribution of roof,floor and two sides of roadway with three dominant stress fields under different deviator stress ratios

通過圖5可以看出，巷道處在不同的主導(dǎo)型應(yīng)力場中，應(yīng)變能密度分布規(guī)律如下：

(1)等p、等q條件下，圍巖頂?shù)装迮c兩幫的應(yīng)變能密度大小明顯不同，在σx與σy主導(dǎo)型應(yīng)力場中，巷道頂?shù)装鍛?yīng)變能密度大于兩幫，而在σz主導(dǎo)型應(yīng)力場中，巷道兩幫應(yīng)變能密度大于頂?shù)装濉?/p>

(2)σx主導(dǎo)型應(yīng)力場與σy主導(dǎo)型應(yīng)力場應(yīng)變能密度分布進行對比，σx主導(dǎo)型應(yīng)力場中巷道頂板應(yīng)變能密度較大，σy主導(dǎo)型應(yīng)力場中巷道兩幫應(yīng)變能密度較大。在p,q值較大時，σx主導(dǎo)型應(yīng)力場中頂?shù)装迮c兩幫的應(yīng)變能密度差值大于σy主導(dǎo)型應(yīng)力場，說明在σx主導(dǎo)型應(yīng)力場中頂?shù)装迮c兩幫破壞程度差異性較大，而σy主導(dǎo)型應(yīng)力場中頂?shù)装迮c兩幫破壞程度差異性較小。在σz主導(dǎo)型應(yīng)力場中，巷道頂?shù)装迮c兩幫應(yīng)變能密度在p，q值較大時兩者之間差值較大，說明此時兩幫較頂?shù)装迤茐母鼑?yán)重。

(3)等p、不等q情況下，3種主導(dǎo)型應(yīng)力場中巷道頂?shù)装迮c兩幫應(yīng)變能密度均隨偏應(yīng)力比M的增大而增大，說明在保持球應(yīng)力p不變的情況下，增大偏應(yīng)力q會加劇巷道圍巖的破壞。等q、不等p情況下，巷道頂?shù)装迮c兩幫應(yīng)變能密度均隨偏應(yīng)力比M的減小而增大，且應(yīng)變能密度增大幅度較大，說明在保持偏應(yīng)力q不變的情況下，增大球應(yīng)力p同樣會加劇巷道圍巖的破壞。

對于在不同主導(dǎo)型應(yīng)力場中的巷道圍巖應(yīng)變能密度分布形態(tài)，結(jié)合圖5，取等p、不等q與等q、不等p兩種方案計算巷道圍巖應(yīng)變能密度分布規(guī)律。在等p、不等q方案中，p=10 MPa，q分別取10，20，30，40，50 MPa。等q、不等p方案中，q=10 MPa，取p=20,30,40，50 MPa。2種方案中分別計算θσ=60°，180°，300°時巷道圍巖r=5 m處應(yīng)變能密度分布規(guī)律。計算結(jié)果如圖6，7所示。

圖6 等p、不等q情況下巷道圍巖應(yīng)變能密度分布Fig.6 Strain energy density distribution of roadway surrounding rock under the condition of equal p and unequal q

圖7 等q、不等p情況下巷道圍巖應(yīng)變能密度分布Fig.7 Strain energy density distribution of roadway surrounding rock under the condition of equal q and unequal p

通過圖6，7可知，M>1與M<1時，巷道圍巖應(yīng)變能密度分布規(guī)律具有較為明顯的差異。M<1時，無論巷道處于何種主導(dǎo)型應(yīng)力場之中，巷道圍巖應(yīng)變能密度均呈現(xiàn)為橢圓形，且應(yīng)變能密度大小隨著偏應(yīng)力比M的減小而增大。θσ=60°，300°時，巷道頂?shù)装鍛?yīng)變能密度大于兩幫密度，而θσ=180°時，巷道兩幫應(yīng)變能密度大于頂?shù)装迕芏?。M>1時，在不同主導(dǎo)型應(yīng)力場中，巷道圍巖應(yīng)變能密度分布規(guī)律具有明顯差異，但應(yīng)變能密度均隨M值的增大而增大。θσ=300°時，巷道應(yīng)變能密度分布呈現(xiàn)出“8”字形，巷道兩幫應(yīng)變能密度小于頂?shù)装?θσ=60°時，巷道應(yīng)變能密度分布呈現(xiàn)近似的正方形分布，但巷道應(yīng)變能密度最大值約在θ為45°，135°，225°，315°處，呈現(xiàn)出一定的對角式發(fā)育;θσ=180°時，巷道應(yīng)變能密度呈現(xiàn)出“X”形分布，巷道兩幫處應(yīng)變能密度大于頂?shù)装?，巷道?yīng)變能密度最大值同樣約在θ為45°，135°，225°，315°處，呈現(xiàn)出一定的對角式發(fā)育。

巷道圍巖應(yīng)變能密度形態(tài)能一定程度上反映巷道破壞形態(tài)，基于此，針對圖6，7中M為1/5，5時θσ=60°，180°，300°共6種情況進行巷道塑性區(qū)數(shù)值模擬，模擬采用摩爾庫倫模型，通過FLAC3D提取巷道塑性區(qū)，結(jié)果如圖8所示。通過對比巷道圍巖應(yīng)變能密度分布，塑性區(qū)模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果較為吻合。

圖8 巷道圍巖塑性區(qū)模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of plastic zone of surrounding rock of roadway

綜上可知，三向應(yīng)力狀態(tài)下，計算巷道圍巖應(yīng)變能密度分布規(guī)律一定程度上可以反映塑性區(qū)形態(tài)，對巷道支護設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。對于σx主導(dǎo)型應(yīng)力場，巷道頂板的破壞往往較為嚴(yán)重，因此需注重巷道頂?shù)装逯ёo方案。對于σy主導(dǎo)型應(yīng)力場，巷道在圍巖條件較差時，應(yīng)注重全斷面支護;對于σz主導(dǎo)型應(yīng)力場，巷道兩幫可能會出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，因此巷道兩幫的支護不可忽視，且σz主導(dǎo)型應(yīng)力場中，巷道塑性區(qū)可能會出現(xiàn)“X”形惡性擴展，此時應(yīng)注意巷道肩角處的破壞，其支護應(yīng)根據(jù)實際問題進行針對性設(shè)計。

3 工程實例

山西回坡底煤礦主采10號與11號煤層，10號煤層平均厚度為2.65 m，11號煤層平均厚度3.2 m，兩煤層之間平均間距為6.62 m，屬于近距離煤層開采。本處研究巷道為東一采區(qū)11-102工作面的運輸巷——1021巷。1021巷上方主采10號煤層的10-102工作面與10-103工作面已成為采空區(qū)，10-102工作面與10-103工作面之間形成的孤島煤柱平均寬度約為25 m，1021巷距離孤島煤柱邊緣距離為10 m。1021巷斷面為矩形，寬4.6 m，高3.3 m。巷道位置與工作面分布如圖9所示。

圖9 1021巷位置與工作面分布Fig.9 Location of 1021 roadway and working face distribution

由于孤島煤柱應(yīng)力集中影響，1021巷所受應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過理論分析與回坡底煤礦提供的地應(yīng)力測試報告得出巷道所受最大主應(yīng)力σ1來自孤島煤柱方向，最小主應(yīng)力σ3來自采空區(qū)方向，中間主應(yīng)力σ2垂直巷道軸向，σ1=31.56 MPa，σ2=28 MPa，σ3=13.72 MPa，應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角為20°。將數(shù)據(jù)代入式(6)計算得到1021巷道最大主偏應(yīng)力分布，如圖10所示，圖中，R為1021巷道半徑。

圖10 1021巷圍巖偏應(yīng)力S1分布Fig.10 Distribution of deviatoric stress S1 in surrounding rock of 1021 roadway

通過圖10可以看出，由于巷道所受應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此巷道圍巖偏應(yīng)力呈現(xiàn)傾斜的“8”字形分布。對于巷道頂部，S1在靠近孤島煤柱一側(cè)較大，遠離煤柱一側(cè)較小;對于巷道底板，巷道在遠離孤島煤柱一側(cè)S1較大，靠近煤柱一側(cè)較小;對于靠近孤島煤柱一側(cè)的巷幫，巷幫下部S1較大，上部較小;遠離煤柱一側(cè)巷幫上部S1較大，下部較小。

從1021巷偏應(yīng)力分布來看，1021巷無論是頂?shù)装暹€是兩幫均會出現(xiàn)非對稱性破壞。1021巷現(xiàn)場破壞情況與支護方式如圖11所示。

圖11 巷道破壞情況與斷面支護Fig.11 Roadway failure and cross section support

理論計算結(jié)果已知，1021巷圍巖會出現(xiàn)明顯的非對稱性破壞，但從圖11可知，1021巷采用了對稱性支護，該種支護方式不能保證1021巷圍巖的穩(wěn)定性，巷道頂板與兩幫均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的破壞，底板由于是裸露支護狀態(tài)，從而產(chǎn)生了非對稱性底臌現(xiàn)象，底臌量在遠離煤柱一側(cè)較大。1021巷現(xiàn)場實際破壞情況與偏應(yīng)力分布理論計算結(jié)果較為吻合，驗證了理論的正確性。

對于巷道圍巖塑性區(qū)的破壞形態(tài)，根據(jù)實際現(xiàn)場數(shù)據(jù)，代入式(9)計算得到巷道圍巖應(yīng)變能密度分布，如圖12所示。

圖12 1021巷圍巖應(yīng)變能密度分布Fig.12 Strain energy density distribution of surrounding rock of 1021 roadway

由圖12可知，巷道圍巖應(yīng)變能密度呈傾斜的“8”字形分布，與巷道圍巖S1的分布規(guī)律保持一致性。根據(jù)巷道圍巖應(yīng)變能密度分布規(guī)律可以推測，巷道頂板在靠近孤島煤柱一側(cè)塑性區(qū)范圍較大，圍巖破壞程度較高;底板在遠離煤柱一側(cè)塑性區(qū)范圍較大;離孤島煤柱較近一側(cè)巷幫，下部塑性區(qū)范圍較大;離煤柱較遠一側(cè)巷幫，上部塑性區(qū)范圍較大。

對于1021巷圍巖塑性區(qū)情況，基于文獻[18]計算得出1021巷圍巖塑性區(qū)邊界，所得結(jié)果如圖13所示，巷道圍巖塑性區(qū)理論計算結(jié)果與上述S1及應(yīng)變能密度計算結(jié)果保持一致。同時，針對回坡底煤礦1021巷的塑性區(qū)范圍，現(xiàn)場對巷道頂?shù)装暹M行鉆孔窺視，根據(jù)鉆孔裂隙發(fā)育情況確定了巷道頂?shù)装辶严斗植架壽E，發(fā)現(xiàn)頂?shù)装辶严斗植架壽E與圍巖應(yīng)變能密度理論計算結(jié)果較為吻合，同時也驗證了上述S1、圍巖應(yīng)變能密度分布規(guī)律理論的正確性，同時說明探究非靜水壓力條件下巷道圍巖偏應(yīng)力場與應(yīng)變能密度分布規(guī)律，可對巷道支護設(shè)計起到一定的指導(dǎo)作用。

圖13 巷道圍巖塑性區(qū)Fig.13 Plastic zone of surrounding rock of roadway

針對1021巷的非對稱性破壞，在1021巷原有的支護基礎(chǔ)上，針對性的提出了如圖14的巷道支護方案。

圖14 1021巷支護改進方案Fig.14 Improvement scheme of 1021 roadway support

巷道頂板采用W鋼帶簡式桁架錨索與單體錨索平行布置的非對稱支護技術(shù)，主要支護頂板破壞變形較大一側(cè)，排距1 800 mm。桁架錨索中心點與巷道中線之間的偏心距為900 mm。底板由原來的裸露支護改為單體錨索平行布置的非對稱支護技術(shù)，間排距1 200 mm×1 800 mm。巷道兩幫由原來的純錨桿支護改進為錨桿索支護，靠近孤島煤柱一側(cè)巷幫，錨索主要支護巷幫破壞變形較大的下部位置;遠離孤島煤柱一側(cè)巷幫，錨索主要支護巷幫破壞變形較大的上部位置，排距均為1 600 mm。該支護方案最終在回坡底煤礦局部區(qū)域進行了工業(yè)性試驗，調(diào)整了支護參數(shù)，巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果顯示巷道在15 d內(nèi)圍巖變形劇烈，之后逐漸平穩(wěn)，巷道兩幫最終移近量約為105 mm，底臌量為90 mm，頂板下沉量為52 mm，巷道圍巖穩(wěn)定性較好，巷道斷面未出現(xiàn)較為明顯的變形。

4 結(jié) 論

(1)在不同的主導(dǎo)型應(yīng)力場中，巷道圍巖偏應(yīng)力分布具有顯著差異，主導(dǎo)應(yīng)力對巷道圍巖偏應(yīng)力大小具有重要影響，主導(dǎo)應(yīng)力增大，圍巖偏應(yīng)力增大。σx主導(dǎo)型應(yīng)力場中的巷道應(yīng)注重頂?shù)装逯ёo;處于σy主導(dǎo)型應(yīng)力場的巷道圍巖巖性較差時，應(yīng)注意全斷面支護;處于σz主導(dǎo)型應(yīng)力場的巷道兩幫處的支護不可忽視。

(2)等p、等q條件下，在σx與σy主導(dǎo)型應(yīng)力場中，巷道頂?shù)装鍛?yīng)變能密度大于兩幫，而在σz主導(dǎo)型應(yīng)力場中，巷道兩幫密度大于頂?shù)装?。等p、不等q情況下，巷道頂?shù)装迮c兩幫應(yīng)變能密度均隨偏應(yīng)力比M的增大而增大;等q、不等p情況下，巷道頂?shù)装迮c兩幫應(yīng)變能密度均隨偏應(yīng)力比M的減小而增大。

(3)巷道圍巖應(yīng)變能密度分布形態(tài)可以反映巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)。等p、不等q與等q、不等p兩種方案，在不同的主導(dǎo)型應(yīng)力場中，巷道圍巖應(yīng)變能密度分布形態(tài)具有顯著差異。偏應(yīng)力比M<1時，無論何種主導(dǎo)型應(yīng)力場，巷道圍巖應(yīng)變能密度均為橢圓形，M>1時，巷道圍巖應(yīng)變能密度會出現(xiàn)“8”字形與“X”形分布。應(yīng)變能密度理論分析結(jié)果與巷道塑性區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，驗證了理論的正確性。

(4)回坡底1021巷圍巖偏應(yīng)力S1與應(yīng)變能密度規(guī)律均呈傾斜的“8”字形分布，理論分析結(jié)果顯示巷道會出現(xiàn)非對稱性破壞，該結(jié)果與巷道破壞情況、鉆孔窺視結(jié)果較為吻合。對1021巷提出圍巖非對稱支護技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。探究非靜水壓力下巷道圍巖偏應(yīng)力與應(yīng)變能密度分布規(guī)律對巷道支護設(shè)計有一定指導(dǎo)作用。