深埋巷道围岩非对称变形破坏机理研究

马雷锋

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046600）

0 引言

2021 年，全国原煤产量41.3 亿t，同比增长5.7%，创历史新高。高强度的开采导致国内大部分矿区由浅部开采向深部开采延伸。而在深部开采过程中，由于高地应力及高叠加采动应力的影响，巷道非对称大变形、底臌、冲击地压的灾害事故频发。因此，研究深部巷道围岩的稳定性控制问题至关重要。

近几年来，众多学者围绕巷道围岩稳定的问题展开了深入讨论和实测探究。康红普[1]等以千米深井为研究对象，针对大采动巷道提出“支护—改性—卸压”的围岩控制技术，并研发了微纳米复合材料及高压注浆材料。侯朝炯[2]等通过理论阐述了围岩破坏的两个难点，即底臌和蠕变，并通过一次支护和二次支护提出了针对性的支护措施。赵志强[3]等将巷道视为平面应变问题，基于摩尔库伦准则提出巷道围岩塑性区的八次隐形方程。苏士龙[4]基于UDEC 对巷道围岩承载特性及变形特征进行深入研究。冯国瑞[5]等通过理论解析方法及数值模拟手段对非对称大变形破坏进行深入研究，建立了自稳隐性拱支护模型。王卫军[6]等对深部高地应力的大变形巷道进行深入研究，通过改变支护阻力研究了支护强度对围岩变形破坏的影响，提出巷道“给定变形”的概念，并通过工业性试验提出了“锚杆+桁架锚索”的组合支护技术。张农[7]等通过理论推导出巷道应力双向连续的稳定机理，提出了柔性锚杆支护技术。刘洪涛等在考虑轴向应力的基础上提出三向塑性区求解思路。

众多学者对巷道围岩的稳定控制问题展开了深入研究，这些研究对巷道围岩的稳定控制具有重要意义。本文基于巷道围岩蝶形破坏理论，对霍尔辛赫3501 工作面运输顺槽的非对称破坏进行深入研究，并提出相对应的支护建议。

1 工程地质概况

霍尔辛赫煤业目前主采3501 工作面的3 号煤层，煤层埋深581 m，平均厚5.6 m，3501 运输顺槽掘进断面规格为6 m×4.7 m，掘进时二次施工成巷，首次掘进巷道高度为3.5 m，二次起底高度为1.2 m。巷道顶底板情况如表1 所示。

表1 巷道顶底板情况

在工作面回采期间，3501 运输顺槽主要存在如下破坏特征：巷道一侧的破坏较为严重，且顶板局部出现漏顶、冒顶现象。巷道两帮部分位置出现帮臌，锚网破裂及锚杆破断的情况也时有发生。

2 巷道围岩非对称大变形理论分析

2.1 巷道围岩塑性区半径求解

由于巷道长度方向远远大于其巷道半径，因此在目前的大部分研究中，将巷道的塑性区求解问题按照平面应变问题予以处理。由弹性力学可知，极坐标下任意一点的应力计算公式为：

式中：σθ为任一点的环向应力，MPa；σr为任一点的径向应力，MPa；τr，θ为任一点的剪应力，MPa；γH 为巷道竖向载荷，MPa；μ 为侧压系数；R为圆形巷道半径，m；r、θ为任一点的极坐标。

由塑性力学可知，巷道围岩的应力破坏与选取的强度准则有关。在目前的岩土力学研究中，摩尔库伦准则为使用最为广泛的准则（以极限主应力σ1和σ3表示），摩尔库伦准则的表达式为：

式中：C 为内聚力；φ 为内摩擦角。

弹性力学中主应力由径向应力和切向应力组成，相关表达为：

此时将径向应力及切向应力的表达式带入式（3），再将结果带入摩尔库伦准则，经数学整理后可得围岩塑性区的八次隐性方程（4）：

2.2 不同应力场下围岩塑性区形态研究

基于上述的蝶形破坏理论八次隐式方程，采用控制变量法，固定巷道半径为3 m，内摩擦角为30°，内聚力为3 MPa。由矿井地质条件可知，3105 工作面3 号煤层埋深518 m，因此巷道围岩的垂直应力为12.95 MPa。此处变化水平应力分别为12.950 MPa、16.835 MPa、20.720 MPa、24.605 MPa、28.490 MPa、32.375 MPa、36.260 MPa，将上述数据带入数学软件Maple 观察侧压系数为1、1.3、1.6、1.9、2.2、2.5、2.8 下巷道围岩的塑性区形态，如图1 所示。

图1 不同侧压系数下围岩塑性区形态

由图1 可以看出，当侧压系数μ 为1 时，围岩塑性区形态为标准的圆形，当侧压系数μ 为1.3 时，围岩塑性区形态为椭圆形，当侧压系数μ 为1.6 时，围岩塑性区开始展现蝶形形态，并随着侧压系数的增加，巷道两帮的塑性区逐渐减小，顶底板塑性区尺寸逐渐增加。从图1 中还可以看出，随着侧压系数的增加，巷道翼角处的塑性区尺寸增长速率不断增大，说明侧压系数的增大会使巷道容易产生蝶形冒顶。

2.3 不同应力场下围岩塑性区方向研究

在目前的大多数研究中，人们往往仅考虑巷道围岩的应力大小，事实上，在力学问题中，力的研究是一个矢量问题，既要考虑应力的大小又要考虑应力的方向。本文取侧压系数为2.8 的情况，研究应力旋转角度为15°、30°、45°、60°、75°、90°时的围岩塑性区形态。不同应力偏转角度下的围岩塑性区形态图如图2 所示。

图2 不同应力偏转角度下围岩塑性区形态

从图2 中可以看出，不同应力偏转角下围岩的塑性区形态基本不会发生变化，且塑性区的偏转角度基本与应力的偏转角一致，即当应力偏转过一定角度时，塑性区蝶叶也偏转过同样的角度。当蝶叶位于顶板上方时，巷道容易产生蝶叶旋转型冒顶，导致巷道围岩产生非对称破坏。

3 数值模拟研究分析

FLAC3D是岩土分析过程中最重要的软件之一。本文根据3501 工作面的地质情况，基于文献3 的地应力测量结果，建立小型数值模拟模型，3501 运输顺槽数值模拟的塑性区形态及最大主应力示意图如图3 所示。

图3 运输顺槽塑性区及垂直应力分布云图

从数值模拟结果可以看出，巷道围岩的整体塑性区形态呈现蝶形形态，顶板右侧的塑性区深度大于顶板左侧的塑性区深度，巷道两帮的塑性破坏深度基本一致，巷道底板左侧的塑性区深度大于右侧，整体围岩塑性区破坏呈非对称破坏。

4 围岩支护建议

在巷道进行掘进过程中，原支护参数设计为：顶锚杆间排距为1 100 mm×1 100 mm，帮锚杆间排距为1 000 mm×1 100 mm；顶部锚索材料为Φ22 mm-1×19-7300 mm 低松弛预应力钢绞线，采用每2 排3根布置，全部垂直顶板打设，排距2 200 mm，间距1 600 mm；帮锚索材料为Φ22 mm-1×19-5300 mm低松弛预应力钢绞线。

由原支护参数设计可知，原支护采用的是对称支护。而从上文分析可知，巷道在高偏应力作用下塑性区特征呈现非对称分布，采用对称支护的过程中会导致局部蝶叶塑性区未能被有效稳定锚固在上部稳定岩层之上。在局部漏顶位置，还出现了冒顶严重而锚杆未发生破断的现象，这正是由于支护材料长度不足、锚固端未能锚固到稳定岩层之中造成的。

因此，整体的控制思路为：在蝶叶位置增加2 根锚索，通过采用高延伸率锚索来将3501 运输顺槽顶板破碎岩层锚固在顶板稳定岩层之上。通过施加高预紧力来提高破碎岩体的残余强度，通过控制蝶叶塑性区扩展来提高围岩的稳定性，从而保证3501 工作面的安全生产。

5 结论

1）不同围岩应力下，围岩塑性区形态会呈现圆形、椭圆形及蝶形三种形态，且蝶形的塑性区尺寸远远大于圆形及椭圆形尺寸。

2）应力偏转角与塑性区偏转角具有对应关系，当应力偏转一定角度时，塑性区也会偏转过几乎同样的角度。当塑性区蝶叶位于顶板附近时，围岩会有冒顶隐患。

3）在深部高偏应力环境下，3501 运输顺槽顶板出现了明显的非对称扩展现象，需要采用高延伸率锚索进行针对性支护设计。