极松软强蠕变巷道围岩变形机理与控制技术研究

袁作军，经来旺，朱久隆，张雄天，李计发， 张登娥，薛维培，经纬，张开放

(1.白银有色集团股份有限公司小铁山矿， 甘肃 白银市 730900； 2.安徽理工大学 力学与光电物理学院， 安徽 淮南市 232001； 3.兰州有色冶金设计研究院有限责任公司， 甘肃 兰州市 730000； 4.运城恒运科技有限公司， 山西 运城市 044000； 5.安徽理工大学 土木建筑学院， 安徽 淮南市 232001)

0 引言

随着巷道埋深的不断增大，高地压环境下的极松软强蠕变巷道围岩的变形问题也变得越来越严重，很多巷道呈现片帮、底鼓等全断面破坏特征。

长期以来，针对极松软强蠕变巷道围岩变形破坏机理的研究成果众多，其中典型的成果有Fenner公式[1]、围岩应变软化的二阶段模型[2]、非均匀地应力场情况下的最大与最小主偏应力的解析解[3]、巷道围岩松动圈支护理论[4]、直-曲-直三阶段模型[5]等。对应于上述基本变形理论，围岩变形控制机理方面也先后产生了一系列的研究成果[6-10]，其中典型的有“让压”原理、悬吊原理、承载拱原理、组合梁原理、胶结强化原理、卸压维稳原理、“让压”与“增压”互补原理等围岩变形控制理论。

上述理论和原理大多是针对某一特定地质条件的围岩且基于某些基本假设的研究成果，如Fenner公式的研究对象是理想弹塑性体，围岩应变软化的二阶段模型视围岩仅有弹性和塑性两种变形，非均匀地应力场情况下的最大、最小主偏应力的解析解忽视了中间主应力，巷道围岩松动圈支护理论假设围岩最多仅有3个变形分区，直-曲-直三阶段模型未考虑围岩的稳定蠕变特性且过度简化了岩石全应力-应变曲线的峰后阶段，组合梁原理忽视了急倾斜围岩巷道的顶板赋存状况，“让压”原理没有给出系统且完整的分析和解析解。基于这些因素，该领域还存在很大的研究空间。

目前白银有色集团股份有限公司小铁山矿深部巷道的地质条件极其复杂，很难单纯地应用上述某一种理论和原理来进行分析。小铁山矿深部围岩基本呈近垂直分布，岩性属泥质片状页岩，节理发育、松散且单片页岩的厚度很薄，仅3～5 mm，内含的微膨胀物质极易导致岩体遇水软化和崩解。近年来随着开采深度的增加，巷道围岩变形程度越来越严重，片帮情况普遍存在，有些巷道的宽度已缩至一半，严重影响了安全生产。

针对上述存在的一系列问题，本文以小铁山矿1348水平外脉巷为研究对象，展开了较深入的巷道变形机理与控制技术研究，以期为其他类似矿山提供参考。

1 围岩变形与控制机理研究

针对变形机理的研究，本文从围岩的承载性质出发提出一种全新的内外承载结构观点，并结合弹塑性力学的基本理论给出了松动圈扩展与演化的新机理。

1.1 内外承载结构划分

图1中，整个巷道围岩被划分为两个承载结构，即内外承载结构，内外承载结构以松动圈外边界为分界面，划分的基本依据如下。

图1 巷道围岩内外承载结构划分示意

（1）依据岩体性质划分。界面之内岩体已经破裂、松动，属塑性体；界面以外岩体完整，无裂隙，可近似视为弹性体。塑性体和弹性体的理论研究方法完全不同，各成体系。

（2）依据环向应力峰值点为界划分。图1清楚地显示围岩环向应力的最大值发生在松动圈外边界处，这充分表明了分界面内外岩体的承载性质不同，大量的研究成果也表明分界面内外次生应力的解析分析方法也不同。此外这种划分也非常便于松动圈力学模型和外围岩体力学模型的建立。

1.2 巷道围岩松动圈演化机理

图2、图3所示的巷道下部的松动圈是有差异的，图2所示的巷道下部的松动圈是巷道成巷不久形成的，底板下部的松动圈范围并不很大。图3所示的巷道下部的松动圈是巷道成巷较长时间后，巷道底板因缺少支护和浸水软化导致松动圈不断扩大之后的情况。

图2 巷道内外承载结构示意

图3 底板松动圈浸水软化扩展示意

巷道底板积水的主要原因有两个：

（1）通常底板因支护难度较大而不支护，于是底板松动圈很容易形成且范围较大；

（2）巷道施工用水、围岩空隙水及上方含水岩层中的水都会渗入底板松动圈，由于松动圈存在较大的裂隙，导致容易积水。

浸水后的底板松动圈会不断扩大，主要原因在于岩石浸水后的软化现象，尤其泥岩浸水软化的程度很高，通常都在70%以上，软化后的底板对外围尚未松动破坏岩体的径向作用力大幅降低，导致松动圈从上至下对外围岩体的径向力呈现逐渐减小的态势（见图4），依据相关强度理论可知此种情况下松动圈将不断扩展。

底板松动圈持续不断地扩展将直接导致巷道围岩松动圈的整体形状由开始的近似圆形逐渐演化成近似竖向椭圆形。

1.3 整体稳定性控制机理（控帮抑顶底力学机理）

图4所示的一个巨大应力场中的竖向椭圆形孔洞，依据弹性理论可知其稳定性最低的位置在竖向中点，即图4中A、B点位置，此处将其称为危险点或关键控制点，一旦该点失稳，相邻部位会随之失稳，如图4中的CD和EF之间的部位。丧失稳定性的区域紧接着会发生破裂、松动，并产生向巷道一侧的位移。

图4 外承载结构稳定性分析示意

依据稳定性原理，失稳破坏对应的外界载荷远小于强度破坏对应的外界载荷；反之，维护稳定性所需的外力也远小于抑制强度破坏所需要的外力。因此，针对失稳危险点的稳定性控制所需要的控制力并不是很大，具体设计中，在图4中的A、B点附近设置水平锚索即可很好地控制帮部稳定性。

1.4 全长锚固的力学机理

全长锚固就是利用注浆锚杆（索）实施注浆料的注入，在完成破碎围岩加固的同时也实现了锚杆（索）与钻孔孔壁之间的压力充填。

如图5所示，实施全长锚固的围岩可视为由多个环状结构形成的组合体，组合体中的每一个环状结构的内侧面都犹如被设置了一个托盘，自外层环状结构开始，就因为其内层托盘的作用而较大限度地抑制了其向内的变形，从而也就较大程度地降低了其对相邻内侧环状结构的挤压。因此，越是靠近内侧的环状结构受力就越小，甚至某些时候端部的托盘与巷壁之间的压力几乎为0。由此可推知全长锚固的情况下巷道内侧围岩的破坏程度是较轻的，所以全长锚固具有更强的主动性。

图5 全长锚固与端锚差异性分析示意

针对图4所示的关键控制点，实施水平长锚索全长锚固，不仅可以有效地加固围岩，提高帮部围岩自身的承载力，同时还可以大幅提升帮部围岩的稳定性，从而可以防止片帮现象的发生。此外依据图4所示的力学模型可知，当两帮稳定性得以控制后，巷道底板下方浸水软化的泥岩自然就不会再受到两帮向内收缩引发的挤压，故而因此而产生的底鼓自然也就失去了动力来源。

2 实例分析

依据上述相关力学机理，以甘肃白银集团股份有限公司小铁山矿1348水平外脉巷为研究对象实施支护方案设计，并利用ABAQUS数值分析软件分析其与原支护方案之间的支护效果差异，以验证理论分析的合理性与科学性。

2.1 工程概况

小铁山矿1348水平外脉巷埋深-570 m，为直墙拱形巷道，墙高1.75 m，拱直径3.50 m。该巷道原支护方案是管缝式锚杆支护，间排距1000 mm×1000 mm，锚杆规格：Φ32×L1800 mm。在巷道埋深较浅时，原支护方案显示了较好的支护效果，但进入-500 m后，原支护方案的有效性逐渐减弱。附近的1416水平脉外巷、1392水平脉外巷等巷道均在成巷一段时间后表现出了严重的蠕变，不仅产生了高额的返修成本，也给安全生产带来了很大隐患。

2.2 1348水平外脉巷支护方案数值分析

2.2.1 新支护方案数值分析

1348水平外脉巷新支护方案如图6所示，帮下部布置2排长锚索，以控制关键点的稳定性，拱部锚索主要用于抑制上部围岩的蠕变并杜绝冒顶现象，相关注浆锚杆（索）均通过注浆实现全长锚固。

图6 新支护方案支护参数（单位：mm）

岩体破坏遵循Mohr-Coulomb准则，岩体材料基本参数见表1。采用的应变硬化幂律模型见式（1）。

式中，A=2.4E-25，m=3.0，n=-0.65。注浆加固岩体参数见表1，巷道埋深570 m，竖向地压依据上覆 岩层的平均容重2500 kg/m3和埋深计算。

表1 模拟材料参数

根据弹塑性理论，当巷道埋深≥20R0（R0为巷道等效半径）时，巷道开挖应力影响范围大致为5R0（本例约12.5 m）。为此，采用ABAQUS软件建立如图7所示的三维计算模型，模型尺寸为50 m×50 m×3.5 m，巷道位于模型正中央，模型尺寸满足模拟计算的尺寸要求。

图7 模型尺寸

2.2.2 模拟结果

为探讨巷道围岩位移及其速率的变化规律等情况，取巷道1-顶板中点、2-拱底、3-直墙帮中点、4-帮底、5-底板中点等5个关键点为参照进行分析，关键点的位置如图6所示。5个关键点90 d位移演变规律的模拟结果表明，90 d后，1～5点基本都已稳定，各点的变形量分别为：1.20 cm，1.74 cm，1.92 cm，0.61 cm和0.91 cm。

与原支护方案相比，新支护方案的底板变形差异不大，但帮部中点、拱底和顶板中点的变形差异较大。整体而言，对于新支护方案，90 d后巷道变形已基本收敛；但原支护方案下90 d巷道的变形仍未停止，蠕变仍在继续。

为了更好地显示两种支护方案的差异性，给出了365 d的围岩位移演变规律（见图8）。图8中实线代表原支护方案，虚线代表新支护方案。显然，原支护方案下关键点3，2，1在1 a之后依然持续蠕变，这也与近年来小铁山矿其他巷道的状况基本一致。

图8 两支护方案巷道边界5个关键点 360 d位移演变规律模拟结果

3 现场实测

为了更好地检测支护效果，在1348水平外脉巷选取了2个监测断面进行变形监测，一个监测断面在原支护方案实施的区段内，另一个监测断面在新支护方案实施的区段内，7 d监测一次。

监测结果见图9。

图9 两种支护方案现场监测变形演变规律曲线

图9的监测数据表明，新支护方案区段变形收敛速率快，约30 d后拱基、帮中和底中的变形即趋向于0。原支护方案区段虽然40 d内的变形收敛速率快，但之后除底板中点之外，其余两点均进入了持续的蠕变期。

4 结论

通过上述极松软强蠕变高应力巷道围岩变形与控制机理的研究及小铁山矿1348水平外脉巷两种支护方案数值分析与现场实测结果的对比，揭示 出巷道变形与机理方面存在如下几个可供参考的重要结论。

（1）巷道围岩内外承载结构学说对揭示围岩蠕变机理与控制机理具有重要作用。本文揭示了全长锚固控制围岩的本质机理，明确地指出了全长锚固不仅在控制围岩整体稳定性方面效果很好，而且对保护浅层围岩的完整性也具有端锚无法比拟的优点。

（2）小铁山矿1348水平外脉巷90 d位移演变规律的模拟试验结果表明，对于新支护方案，90 d后巷道变形已基本收敛。

（3）在小铁山矿1348 m水平外脉巷选取2个监测断面进行变形监测，监测结果表明，新支护方案区段变形收敛速率快，约30 d后拱基、帮中和底中的变形即趋向于0。