水岩耦合作用下软岩巷道最佳二次支护时间研究

佟 欣

(辽宁水利职业学院，辽宁省沈阳市，110122)



水岩耦合作用下软岩巷道最佳二次支护时间研究

佟 欣

(辽宁水利职业学院，辽宁省沈阳市，110122)

基于水岩耦合作用规律和软岩巷道工程支护原理，分析了软岩巷道支护过程中围岩应力与强度演化过程，利用数值模拟的方法，优化了围岩支护参数，确定了最佳二次支护时间。数值模拟结果应用于古山煤矿，对古山煤矿水岩耦合作用下的软岩巷道在最佳二次支护时间段内进行锚杆+锚索的喷锚支护。试验巷道顶板最大下沉量为12.5cm，两帮最大收敛量为20.4cm，巷道围岩得到了很好的控制。

软岩巷道 水岩耦合 二次支护 数值模拟

我国许多巷道都需要在软弱围岩中进行开挖，由于软岩具有流变特征，巷道开挖后会导致围岩内部产生新的裂纹，水会通过这些裂纹渗透进岩层中，进而影响巷道围岩的支护与完整性。国内外学者对水作用下软岩巷道的变形与应力的二次分布等问题展开了研究，利用FLAC3D数值模拟平台，对变孔隙水压力作用下软岩巷道围岩位移场和应力场演化规律进行了仿真研究，得出了在巷道围岩均布孔隙水压力的条件下，孔隙水压力对两帮的影响范围大于顶底板。一些学者对软岩巷道二次支护进行研究，得出了围岩体的强度参数对二次支护时间的确定有着重要影响，岩体的瞬时强度参数越大发生破坏时，强度参数下降的越多，二次支护时间也就相应越大。综上所述，水岩耦合作用下的软岩巷道表现出非线性大变形、显著流变等工程特点，采用一次支护达不到稳定性要求，通常采用二次支护的方法。然而，现场实践表明，水作用下围岩的形变对二次支护的时机与强度提出了更高的要求。因此，确定水作用下软岩巷道的最佳二次支护时间对煤矿生产具有重要的理论及实践意义。

1 水岩耦合作用对软岩巷道的变形失稳影响

与普通软岩巷道相比，水作用下软岩巷道围岩变形失稳机理更加复杂多变。水作用下软岩巷道开挖后，在应力集中区域孔隙压力增大，在巷道周边围岩松动圈内孔隙水压力消失或产生孔隙负压，软岩巷道在水岩耦合作用下的自承能力被削弱。在孔隙水压作用下，巷道围岩的最大位移与水平位移也相应地有所增加，给初次支护与二次支护带来了极大的困难。

水作用极大地削弱了围岩强度和围岩自承能力，并且弱化了软岩体的蠕变强度，提高了蠕变变形量，在没有二次支护或者二次支护时机与强度耦合效果不好的情况下，会导致巷道围岩发生蠕变破坏，导致巷道发生失稳破坏现象。

2 最佳二次支护时间的确定

2.1 软岩巷道支护原理

不同于硬岩巷道的支护原理，水作用下软岩巷道支护原理是允许围岩达到塑性状态。另外，软岩需通过一定方式释放其自身具有的巨大的塑性能及膨胀变形能。因此，软岩巷道支护原理按式(1)表达：

(1)

2.2 最佳二次支护时间(段)的确定

软岩巷道开挖完成后，围岩经过一定时间后才会达到稳定状态。软岩支护时，若过早对其进行二次支护，则不能充分释放软岩经过变形而存储的膨胀变形能；若过晚对其进行二次支护，虽能充分释放膨胀变形能，但是围岩具有的自承力大部分已然丧失，只能作为施载体加载到支护体上，对支护体的强度就会提出更高的要求，支护体往往达不到如此大的支护强度，巷道仍然会发生变形失稳现象。

图1 最佳支护时间TS示意图

图2 最佳支护时段示意图

软岩巷道掘进完成后，围岩原岩应力经过人工扰动，一段时间后会重新分布，巷壁附近会产生高度集中的切向应力，从而导致本区域的岩层产生屈服现象。随后岩层进入塑性状态，最终形成塑性区。岩壁产生的应力集中进一步向岩层纵深发展，且新的塑性区范围随着应力集中的强度强于围岩的屈服强度而继续扩大。若不采取及时有效的支护措施，将出现松动破坏区，此时巷道塑性区将会随着围岩变形的增大而出现松动破坏现象。不同于塑性区具有一定自承力，松动破坏使得承载能力完全丧失。

支护处于高应力状态的软岩巷道时，当其稳定塑性区出现后再进行支护，但必须控制其非塑性区的发育，也就是要确定最佳二次支护时间，从而使围岩能够充分发挥其达到塑性区所具有的自承力，而不致使其失稳破坏。因此，最佳支护时间的力学含义是充分发挥塑性区的自承力而不失稳破坏。

3 巷道控制效果的数值模拟与工程应用

3.1 数值模拟

对古山煤矿水作用下软岩巷道进行数值模拟，模拟试验巷道共计掘进30m，支护形式为锚喷支护。锚杆采用螺纹钢锚杆，型号为ø20mm、长2.4m，间排距0.8m×0.8m；锚索采用钢绞线锚索，型号为ø15.24mm、长8m，间排距为2.4m×1.6m；喷浆厚度为350mm；在进行模拟时，掘进过程分6步进行，每步掘进5m。选取巷道掘进15m时围岩塑性区、围岩最大位移、x方向位移和剪应力分布变化的数值模拟结果如图3、4、5和6所示。

图3 巷道掘进15 m时塑性区分布

图4 巷道掘进15 m时围岩最大位移

图 5 巷道掘进15 m时x方向位移

图6 巷道掘进15 m时剪应力分布

由图3可知，巷道掘进15m时，围岩体仅在巷道0～2m范围内出现塑性区，其余部分处于弹性状态，围岩状态良好，说明巷道支护有效限制了围岩体的变形；由图4和图5可知，巷道两帮围岩位移由围岩内部向表面逐渐增大，最大为25cm，但仅存在巷道表面围岩，围岩大部分位移仅为5cm，巷道围岩整体状态良好，说明支护措施有限地控制了软岩变形向深部延伸；由图6可知，巷道围岩仅在小范围内出现应力集中，最大值为11.5MPa，大部分则处于正常应力区，巷道表面围岩没有卸压区域，说明支护措施明显地加强了巷道表面的围岩，巷道状态良好。

3.2 工程应用

由上述研究成果及支护模拟方案，对古山煤矿水作用下的软岩巷道在最佳二次支护时间段内进行锚杆+锚索的喷锚支护，同时对试验巷道段的位移进行监测与分析。由监测与分析可知，巷道的绝对收敛量不大。经过一个月的监测，顶板最大下沉量为12.5cm，两帮最大移近量为20.4cm。由围岩移近量来看，巷道周围呈均匀内挤的趋势，巷道围岩活动在掘进后20d左右趋于平稳，取得了较好的控制效果。

4 结论

(1)导致水作用软岩巷道形变以至失稳破坏的机理是，水岩互相作用削弱了围岩强度，降低了围岩的自承能力，弱化了软岩体的蠕变强度，加剧了软岩体蠕变变形，在二次支护时机不当的情况下，将会加剧巷道围岩蠕变变形，最终会导致巷道失稳破坏。

(3)构造应力机制和水作用机制共同作用是导致古山煤矿水作用软岩巷道围岩产生变形失稳的主要原因，基于论文的研究成果，对其进行了现场工业试验，从监测数据分析可知，锚杆+锚索的喷锚联合支护适合于水作用软岩巷道。

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(责任编辑 陶 赛)

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

辽宁省教育科学“十一五”规划立项课题(项目编号：27-17)

佟欣.水岩耦合作用下软岩巷道最佳二次支护时间研究[J]. 中国煤炭，2017，43(6)：81-84.TongXin.Researchonthebesttimeofsecondarysupportofsoftrockroadwayunderwater-rockcouplinginteraction[J].ChinaCoal，2017,43(6)：81-84.

TD

A

佟欣(1967-)，女，辽宁沈阳人，硕士，副教授，主要研究方向为水利水电建筑工程。