不同侧压系数下深部软岩巷道稳定性分析及控制

黄 肖 阮怀宁 王小伟 许方领

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏省南京市，210098；2.河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心，江苏省南京市，210098)

随着开采深度的增加，煤岩体中存在的复杂地应力对巷道围岩稳定性的影响尤为突出。深部巷道出现的围岩塑性区、破碎区范围加大，断面显著收敛，围岩持续蠕变等现象，均与地应力有着直接或间接的关系。侧压系数作为描述地应力状态的一个物理量，反映岩体内水平应力与垂直应力的比值，对于对应力敏感性强的深部软岩巷道稳定性有着极为重要的影响。本文以邢东矿1126工作面运料车场为研究对象，理论分析不同侧压系数下巷道周边应力及沿水平方向剪应力的分布规律，采用FLAC3D软件研究不同侧压系数下巷道围岩的畸变破坏程度和塑性区的响应特征，揭示深部软岩巷道围岩变形破坏机制，针对性提出“密集长锚杆索+强金属网+二次喷浆”的综合支护方案，并进行工业性试验。

1 工程条件及变形破坏特征

1.1 工程概况

1126工作面运料车场先平行于轨道大巷沿岩层掘进，后与运料巷贯通，全长156 m，埋深795～815 m。1126工作面运料车场围岩主要以粉砂岩、细砂岩和泥岩为主，节理裂隙发育，泥质胶结。1126工作面运料车场围岩岩性较差，易在工程扰动及高地应力作用下发生变形破坏。1126工作面运料车场起始段附近存在1条落差为4 m的断层，在掘进过程中又揭露1条落差为6 m的断层。地应力测试结果表明，水平应力为最大主应力，侧压系数约为1.08～1.91。

1.2 原支护形式及变形破坏特征

1126工作面运料车场断面形状为直墙半圆拱，巷道尺寸4.8 m×3.8 m(宽×高)。支护采用锚网索支护形式，具体参数如下：顶、帮锚杆均采用ø22 mm×2400 mm的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm；锚索采用ø21.8 mm×6500 mm的钢绞线锚索，间排距为2100 mm×1800 mm。1126工作面运料车场在原支护方案施工完成后不久出现了严重的矿压显现现象：巷道断面收缩率大，部分地段断面形状由直墙拱形变为半椭圆或其他不规则形状；围岩严重破碎，网兜、扩容现象明显；支护体严重变形扭曲，甚至破坏，钢筋网与托盘连接处多处被撕裂，顶锚杆主要以受拉和剪切方式破坏，帮锚杆则以剪切破坏为主，金属网的撕裂以拉断为主；巷道断面交岔点出现剪切破坏，断层附近顶板更加破碎，形成网兜。

2 不同侧压系数下直墙拱形巷道围岩应力及变形分析

2.1 直墙拱形巷道围岩应力近似解

根据弹性力学理论，求解巷道围岩应力时可视为无限区域内含孔的平面应变问题。对于直墙拱形等非圆形巷道，需将巷道外域映射到单位圆内域进行处理，但直墙拱形的映射函数目前无法精确获得。通过将直墙拱形巷道断面简化为对称六边形，然后进行保角变换，校核边界条件及确定相关函数等，可得出直墙拱形巷道围岩应力近似解的极坐标表达式：

式中：σρ——径向正应力；

σφ——环向正应力；

τρφ——切应力；

ρ——单位圆域内的半径；

α、α1、R——与巷道尺寸相关的常数；

φ0(ζ)、ψ0(ζ)——边界条件确定的相关函数；

w(ζ)——简化的直墙拱形巷道外域映射到单位圆内域的映射函数。

2.2 不同侧压系数下围岩应力及变形分析

邢东矿1126工作面运料车场尺寸参数及应力边界条件如下：底板宽度4.8 m，简化的顶板宽度1.0 m，总高度3.8 m，拱高2.4 m；巷道埋深约810 m，取上覆岩层平均容重25 kN/m3，可得无穷远处施加的垂向应力为20.25 MPa；侧压系数为λ；假定巷道表面无支护。将各参数带入相应公式，即可得到直墙拱形巷道围岩应力。

巷道围岩边界径向及切应力为0，在不同侧压系数下，环向应力集中系数自底板、帮部至顶板的分布曲线如图1所示。φ介于-90°～90°之间表示底板中点到顶板中点的围岩边界，纵坐标正值表示围岩受压，负值表示围岩受拉。由图1可知，当λ<1时，围岩边界拱顶中点出现拉应力，拱肩压应力集中系数较大，因而处于中间区域围岩易沿剪切滑移面变形；当λ1时，底板、巷帮中点附近出现拉应力，易出现片帮和底鼓，拱顶、底角压应力较大，且应力集中系数随λ的增加而增大；当λ足够大时，围岩边界拉应力区域由巷帮扩展至拱肩； 1126工作面运料车场侧压系数约为1.2，拱肩和底角压应力集中系数分别约为4.8和2.5，处于两关键部位间的巷帮围岩在两端高压应力作用下向自由面挤出，易产生大变形。

图1 巷道围岩边界应力集中系数分布图

不同侧压系数下，巷道围岩剪应力集中系数沿水平线分布如图2所示。ρ为映射单位圆域内的半径，表示围岩深度自无穷远处至浅部。由图2可知，巷道浅部围岩剪应力最大，集中程度与水平和垂直应力的差值(主应力差)呈正相关，随着向围岩深部延伸剪应力逐渐减小至消失；1126工作面运料车场剪应力集中系数约为0.6，围岩因抗剪强度较低易发生剪切破坏。

玳瑁眼镜听得有些感动，起身踱了几步：实话说吧，我们是刘英领导的浙南游击队一部，前几天从丽水遂昌一带运动到龙游，本想袭击鬼子搞些枪支弹药，没想刚动手就引来大批鬼子，慌乱中逃到兰江边，被藏在草丛中的船工救了过江。

图2 巷道围岩剪应力集中系数分布图

3 不同侧压系数下深部岩巷围岩稳定性数值分析

3.1 数值模型的建立

模拟对象为邢东矿1126工作面运料车场，模型尺寸59 m×40 m×46 m(长×宽×高)，直墙拱形巷道断面，尺寸为4.8 m×3.8 m(宽×高)。选取y轴正方向为巷道掘进方向，x、z轴方向分别为巷道宽度和高度方向。模型上部为应力边界条件，施加19.66 MPa的均布载荷，底部边界垂直方向固定，左右边界为位移边界条件。围岩本构关系采用摩尔—库仑模型，煤岩体力学参数见表1。

表1 岩层力学参数

模拟方案主要是计算分析侧压系数λ分别为0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0时，巷道开挖引起的围岩偏应力第二不变量与塑性区的分布特征。

3.2 围岩偏应力第二不变量的分布特征

偏应力第二不变量反映物体变形状态的实质，同时也表征物体剪应力和畸变能的大小，是衡量煤岩体介质屈服和破坏的综合性指标。设σi(i=1，2，3)为围岩中任意一点的3个主应力分量，且σ1σ2σ3，则偏应力第二不变量J2可由下式表示：

(3)

不同侧压系数下围岩偏应力第二不变量分布规律如图3所示。由图3可知，围岩偏应力第二不变量随深度增加均先迅速增大后缓慢减小最终趋于稳定；λ越大时，顶、底板岩层偏应力第二不变量峰值及其所处围岩深度越大，且峰后曲线间较离散，表明顶、底板岩层对水平应力敏感性强，易产生剪应力集中和畸变能积聚，且向深部围岩转移；巷帮偏应力第二不变量随λ的变化规律与顶、底板相反，表明垂直应力显著影响巷帮围岩的变形破坏；锚杆(索)锚固端应避免布置在偏应力第二不变量峰值所在围岩附近，因为钻孔打入会使围岩内高畸变能释放，局部围岩塑性裂化，锚固端可能失去稳定的锚固基础；1126工作面运料车场顶、底板及巷帮偏应力第二不变量峰值所在围岩深度约为5.0 m、4.0 m和4.2 m，为锚杆索长度的选择提供了参考。

图3 不同侧压系数下围岩偏应力第二不变量分布图

3.3 围岩塑性区分布特征

不同侧压系数条件下，深部岩巷围岩塑性区分布特征如图4所示。由图4可以看出，λ<1时，围岩塑性区形态近似倒梯形，底板因承担巷帮向下传递的巨大垂向应力而出现不同程度拉应力集中；随着λ增大趋向1，顶、底板围岩塑性区向深部扩展，底板拉应力区域不断减小，表明最大主应力为垂向应力时易出现底鼓现象；λ=1时，巷道围岩塑性区分布均匀，呈直墙拱形，底板仍会出现小区域的拉应力；λ1时，围岩塑性区形态类似椭圆，顶底板塑性面积比巷帮围岩大；随着λ不断增大，顶底板较直墙围岩塑性扩展显著，且直墙围岩剪应力区域不断减小；当λ进一步增大后，底板岩层在高水平应力挤压作用下会出现小区域拉应力。1126工作面运料车场帮部围岩塑性区深度约2.4 m，与原支护锚杆长度相同，锚杆因无稳定的锚固基础易失效。

图4 不同侧压系数下巷道围岩塑性区分布图

4 深部岩巷围岩控制机理与技术

4.1 深部岩巷稳定性控制原理

根据邢东矿1126工作面运料车场的变形破坏特征以及理论和数值模拟分析结果，认为深部软岩巷道围岩及支护体变形破坏机制为：深部巷道开挖引起浅部围岩剪应力集中，同时促使一定深度内的围岩积聚高畸变能，在周边集中应力作用下浅部围岩发生剪切破坏，引起岩层错动和离层，给较深处围岩高畸变能释放提供位移空间，进而导致围岩大范围扩容变形，在支护强度不足时，巷道断面大幅度收缩，浅部围岩严重破碎，极易产生网兜现象；同时，普通锚杆因长度较短、抗剪强度弱而无法适应大变形及高剪应力而出现被拉出、剪断等现象。因此，采取合理支护措施提高浅部围岩承载强度和稳定性，并适度释放较深处围岩高畸变能，是实现此类巷道围岩稳定性控制的关键。

针对性提出“密集长锚杆索+强金属网+二次喷浆”的深部岩巷围岩控制技术，即形成多层次承载结构，围岩适度让压，增强锚固区围岩强度，围岩与支护体系协同作用的支护方式，主要步骤如下：

(1)形成多层次承载结构。巷道开挖后及时喷射混凝土浆液，减弱剪应力对浅部岩层的剪切作用；锚入预应力长锚杆在围岩内形成压缩承载拱，抵抗较深处围岩高畸变能诱发的扩容变形；施加预应力长锚索，与锚杆群形成的强承载压缩拱相互组合；铺设金属网挂钢筋梁，复喷混凝土浆液增加喷层厚度，提高金属网混凝土承压拱的刚度与强度。

(3)围岩与支护体系协同作用。锚杆群在巷道围岩浅部形成高强度压缩拱，向内通过锚索与深部岩体相连，充分调动深部围岩承载能力，向外与金属网混凝土喷层间往往存留适当的变形空间，释放部分围岩畸变能；各次生承载结构协同变形，共同维系着巷道围岩的稳定性。

4.2 深部岩巷围岩控制技术

在邢东矿1126工作面运料车场进行工业性试验，巷道支护断面如图5所示。

图5 邢东矿1126工作面运料车场断面支护图

具体支护参数为：顶帮锚杆采用ø22 mm×3000 m螺纹钢超强锚杆，间排距0.8 m×0.8 m，底角锚杆与水平方向呈15°，每个锚杆孔分别使用S2360和Z2360树脂锚固剂各1卷加长锚固，预紧扭矩不小于450 N·m。顶锚索采用19股ø21.8 mm×8500 mm钢绞线，间排距2 m×1.6 m，五花眼布置；每个锚索钻孔分别使用S2360树脂锚固剂一卷和Z2360树脂锚固剂两卷，预紧力不小于120 kN。金属网采用ø6 mm冷拔丝钢筋焊接而成，网片规格为1.1 m×1.1 m；钢筋梁规格为ø14 mm×3800 mm，采用长2.6 m的14#槽钢进行连锁，排距1.6 m；托盘为拱形，保证托盘一面与锚杆垂直，一面紧贴沿面。喷层采用强度等级为C20的混凝土浆液，巷道扩刷后及时进行第一喷浆，喷层厚度50 mm；施锚挂梁网后进行第二次喷浆，喷层厚度50 mm；每排喷浆量为1.88 m3。

4.3 矿压观测

为监测1126工作面运料车场的控制效果，分别在连接1126工作面运料巷交岔点附近区段、车场中部区段、连接-760 m轨道大巷交岔点附近区段，设置3个测站，观测巷道表面位移情况。观测结果表明，支护初期围岩变形较快，随着支护结构与围岩逐渐耦合平衡，围岩变形速度减缓，最终趋于平稳；运料车场交岔点附近区段围岩变形量较车场中部稍大，顶板最大下沉量为59 mm，底板最大移近量为78 mm，两帮最大相对移近量123 mm。1126工作面运料车场维护期间未出现支护结构失效等严重矿压现象，表明“密集长锚杆索+强金属网+二次喷浆”的综合支护方案有效控制了邢东矿深部软岩巷道变形破坏，保证了巷道稳定。

5 结论

本文以邢东矿1126工作面运料车场为背景，运用理论分析和数值模拟等方法研究了不同侧压系数下巷道围岩的应力分布规律和变形破坏特征，从而揭示了深部巷道失稳机制，并针对性提出深部软岩巷道支护技术，主要得出以下结论：

(1)λ1时，底板、巷帮中点附近出现拉应力，λ足够大时，围岩边界拉应力区域由巷帮扩展至拱肩；浅部围岩剪应力集中程度与主应力差呈正相关，随着向深部延伸剪应力逐渐减小至消失。

(2)不同λ值下，围岩偏应力第二不变量随深度增加均先增大后减小最终趋于稳定；λ<1时，围岩塑性区形态类似倒梯形，最大主应力为垂向应力时易产生底鼓现象；λ1时，围岩塑性区形态似“竖椭圆”。

(3)深部软岩巷道围岩变形破坏机制为：开挖引起浅部围岩应力集中、较深部围岩高畸变能积聚→岩层剪切错动→高畸变能释放→扩容大变形。

(4)提出“密集长锚杆索+强金属网+二次喷浆”的深部岩巷围岩控制技术，并进行工业性试验。井下试验表明，该技术有效控制了邢东矿深部软岩巷道围岩变形破坏，保证巷道稳定。