宋偉杰 喬衛(wèi)國 林登閣 李 偉

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島266590;2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島266590)

隨著能源需求量的增加，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進入深部資源開采狀態(tài)［1-3］。采場礦壓劇烈、巷道變形量大且出現(xiàn)流變性、應(yīng)力集中程度高等現(xiàn)象相繼發(fā)生，傳統(tǒng)的支護形式顯然已經(jīng)難以解決深部高應(yīng)力巷道支護的難題［4］。有關(guān)專家學(xué)者針對巷道開挖后圍巖彈塑性狀態(tài)進行理論分析，闡述了不同屈服準(zhǔn)則對巷道圍巖彈塑性分析的影響，并提出相應(yīng)控制巷道圍巖變形的技術(shù)措施［5-7］。實踐證明，通過不同屈服準(zhǔn)則條件下的彈塑性解析解對圍巖破壞特征進行分析，并采用數(shù)值模擬進行對比優(yōu)化，提出適用于深部高應(yīng)力巷道的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護技術(shù)，對保證巷道圍巖長期穩(wěn)定有著重要的意義［8］。

1 深部高應(yīng)力巷道變形破壞彈塑性分析

1.1 不同屈服準(zhǔn)則條件下的彈塑性解析解

深部高應(yīng)力巷道開挖之后，圍巖應(yīng)力會進行重新分布，局部圍巖會由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)，此時必須對巷道圍巖進行彈塑性分析，進而保證巷道的整體性與穩(wěn)定性，為巷道的支護方案的確定提供依據(jù)。為了便于分析，結(jié)合工程實際，將此問題簡化為水平布置圓形巷道，半徑ra=1.9 m，原巖應(yīng)力p0=22.5 MPa，支護阻力pi=1 MPa，圍巖內(nèi)摩擦角φ =33°，黏聚力c =2.36 MPa，剪切應(yīng)力G =5 GPa，對此巷道的彈塑性分析分別采用Drucker －Prager 準(zhǔn)則(簡稱D－P 準(zhǔn)則)、Mohr －Coulomb 準(zhǔn)則(簡稱M －C 準(zhǔn)則)以及雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則進行對比分析，探究支護阻力pi、內(nèi)摩擦角φ 以及黏聚力c 對巷道變形破壞的影響，從更全面的角度，對巷道的圍巖的力學(xué)狀態(tài)加以分析。

根據(jù)文獻［6］，采用D －P 屈服準(zhǔn)則進行分析，經(jīng)計算得出塑性區(qū)半徑Rp和up塑性區(qū)徑向位移分別為

在平面應(yīng)變條件下，巖體進入塑性狀態(tài)時，中間主應(yīng)力系數(shù)取n=0.5;其中

α 和k 表示D－P 屈服準(zhǔn)則常數(shù)。

根據(jù)文獻［7］，采用統(tǒng)一強度理論進行分析。b為統(tǒng)一強度理論參數(shù)，不同的b 值對應(yīng)不同的強度準(zhǔn)則，b=0 時退化為M－C 強度準(zhǔn)則，b =1 時為雙剪應(yīng)力強度準(zhǔn)則。經(jīng)計算得出塑性區(qū)半徑R 和塑性區(qū)徑向位移u 分別為

其中，py為圍巖彈性極限荷載解析解，Y、C0、α 為中間參數(shù)。

1.2 深部高應(yīng)力巷道變形破壞定量分析

根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)、式(4)基于D－P 準(zhǔn)則、M－C 準(zhǔn)則以及雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則對深部高應(yīng)力巷道變形破壞演化規(guī)律進行分析。在3 種不同屈服準(zhǔn)則下的支護阻力pi、內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 對圍巖塑性區(qū)半徑R 和位移u 的影響，其關(guān)系曲線分別如圖1 ～圖3 所示。

圖1 支護阻力與塑性區(qū)半徑及位移的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves between support resistance and radius of plastic zone，displacement

分析圖1 可知:對于3 種屈服準(zhǔn)則，隨著支護阻力pi的增大，圍巖塑性區(qū)半徑R 和位移u 均逐漸減小。其中塑性區(qū)半徑R 和位移u 最大的為D －P 準(zhǔn)則解，M－C 準(zhǔn)則解次之，雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則解最小;D－P準(zhǔn)則解變化率較大，當(dāng)支護阻力pi由0 MPa 至3 MPa過程中，塑性區(qū)半徑縮小了1.13 m，塑性區(qū)位移減少了5 mm。

分析圖2 和圖3 可知:對于3 種屈服準(zhǔn)則，塑性區(qū)半徑R 及位移u 與內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 的變化關(guān)系基本一致，均隨著內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 的增大而逐漸減小。當(dāng)內(nèi)摩擦角φ 超過30°或黏聚力c 超過4 MPa 時，三者的塑性區(qū)半徑R 及位移u 結(jié)果比較接近且趨于平緩。

綜合以上，在考慮3 種屈服準(zhǔn)則的情況下，圍巖塑性區(qū)半徑R 和位移u 均隨著支護阻力pi、內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 的增大逐漸減小。其中，M－C 屈服準(zhǔn)則沒有考慮中間主應(yīng)力對巷道的影響，雙剪應(yīng)力強度準(zhǔn)則充分考慮了中間主應(yīng)力對巷道圍巖的破壞作用，D－P 屈服準(zhǔn)則同時考慮了中間主應(yīng)力和靜水壓力的影響，總體上3 種屈服準(zhǔn)則解差異性不大，但D －P屈服準(zhǔn)則更接近工程實際且更加準(zhǔn)確。

圖2 內(nèi)摩擦角與塑性區(qū)半徑及位移的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves between internal friction angel and radius of plastic zone，displacement

圖3 黏聚力與塑性區(qū)半徑及位移的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves between cohesive force and radius of plastic zone，displacement

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型建立

本研究采用FLAC3D模擬峰峰集團磁西煤礦－890 m進風(fēng)行人大巷，研究不同支護方式對巷道的支護效果，模擬區(qū)域為長×寬×高=50 m×30 m×30 m，共劃分158 000 個單元和164 679 個節(jié)點，建立的FLAC3D模擬模型如圖4 所示。本模型限制側(cè)面的水平移動，固定底面位移并在上表面施加21.75 MPa 的垂直荷載模擬上覆巖體自重應(yīng)力。模型巖層的劃分以巷道工程地質(zhì)綜合柱狀圖為依據(jù)，在實驗室應(yīng)用MTS 巖石伺服試驗機對巖石材料進行三軸抗壓實驗獲取其物理力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)如表1 所示，綜合巷道變形破壞彈塑性分析結(jié)果，采用D－P 破壞準(zhǔn)則分析深部高應(yīng)力巷道在不同支護方式作用下圍巖開挖后的變形特性。

圖4 三維數(shù)值模擬模型Fig.4 Three-dimensional numerical simulation model

表1 巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果Table 1 Mechanical properties of the surrounding rock of roadway

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

分別采用錨噴、錨網(wǎng)噴、錨網(wǎng)索噴3 種支護方案進行數(shù)值模擬，獲得不同支護方案的圍巖變形曲線如圖5 所示。從整體來看，巷道圍巖底板、頂板及右?guī)偷淖冃瘟吭诓煌闹ёo方案作用下隨著向內(nèi)部圍巖的深入而減小直至趨于零，其中錨噴支護變化最為劇烈，錨網(wǎng)噴支護次之，錨網(wǎng)索噴支護變化最為平緩。在錨噴支護中，錨桿發(fā)揮其自身性能起到的懸吊作用和組合拱作用能夠有效地將圍巖產(chǎn)生的受力及變形控制在一定范圍之內(nèi)。錨網(wǎng)噴支護后，由于金屬與錨桿之間的作用增強了支護結(jié)構(gòu)之間的整體性，使得支護結(jié)構(gòu)與圍巖聯(lián)系地更加緊密，以共同發(fā)揮作用，抵抗圍巖變形。錨網(wǎng)索噴支護后，由于錨索發(fā)揮的作用，深部圍巖至巷道表面圍巖的穩(wěn)定性及承載能力均得到顯著提高，應(yīng)力集中現(xiàn)象得以遏制，塑性區(qū)控制在較小范圍內(nèi)。

圖5 不同支護方案的圍巖變形曲線Fig.5 Surrounding rock deformation curves of different support schemes

由圖5 分析可知，進風(fēng)行人大巷通過錨噴支護后，頂板最大垂直位移為7.33 cm，底板最大底鼓量為8.13 cm，兩幫最大水平位移為7.32 cm;通過錨網(wǎng)噴支護后，頂板最大垂直位移為4.93 cm，底板最大底鼓量為5.67 cm，兩幫最大水平位移為4.93 cm;錨網(wǎng)索噴支護后，頂板最大垂直位移為19.73 mm，底板最大底鼓量為22.91 mm，兩幫最大水平位移為19.79 mm。以上數(shù)據(jù)可以看出，錨網(wǎng)索噴支護方案相對于其他支護方案表現(xiàn)出良好的支護效果，圍巖變形控制在較低水平，自巷道表面向內(nèi)部深入，位移變化較為平穩(wěn)，圍巖的整體性、穩(wěn)定性及自承能力具有較大提升。

3 工程應(yīng)用

進風(fēng)行人大巷是煤礦生產(chǎn)重要的運輸通道，巷道位于－890 m 水平，巖性以細砂巖、中砂巖、粗砂巖及砂礫巖為主，巷道開挖后將處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，因此必須采取防范措施。

根據(jù)峰峰集團磁西煤礦進風(fēng)行人大巷所存在的支護問題，結(jié)合巷道圍巖的力學(xué)特征以及其自身實際特點，采用以錨桿、錨索為核心的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護體系的支護方案，進風(fēng)行人大巷支護示意圖如圖6 所示。

第四種跡象：多角度、深層次的語言研究。日益強大的信息和人工智能時代，迫使藝術(shù)家向機器無法達到的境地探索，進一步將材料語言推向極致。與此同時，物質(zhì)背后所承載的豐富的文化線索和全新的材料試驗讓這一方向生機勃勃。

圖6 巷道錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護Fig.6 Combined bolt-anchor-shotcrete-mesh support of the roadway

進風(fēng)行人大巷錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護參數(shù)如下。

(1)高強螺紋鋼錨桿:規(guī)格為 φ18.9 mm ×2.4 m，間距為800 mm，排距為800 mm。錨固力設(shè)計值為100 kN，每根錨桿配150 mm ×150 mm ×12 mm 正規(guī)鋼托盤1 個，尾部螺母用力矩板手?jǐn)Q緊，扭矩不小于300 N·m。

(2)錨索:采用 φ18.9 mm ×8.3 m 的1 860 MPa級1 ×7 預(yù)應(yīng)力鋼絞線。錨索間排距為1.6 m ×1.6 m，其沿巷道中心線布置。每排布置3 根錨索，每根錨索配1 塊300 mm×300 mm×16 mm 的鋼托板。

(3)金屬網(wǎng):采用 φ6.5 mm 圓鋼焊接而成，規(guī)格1.5 m×0.9 m，網(wǎng)格為100 mm ×100 mm，搭接長度為100 mm。

(4)鋼筋梯子梁:采用φ14 mm 鋼筋焊制而成，規(guī)格為2.48 m ×0.08 m，網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm ×80 mm，每根錨桿安設(shè)至梯子梁中間孔洞內(nèi)，梯子梁排距為800 mm，搭接80 mm。

(5)噴射混凝土:強度等級為C25，總厚度為150 mm。

(6)水溝、鋪底及基礎(chǔ)混凝土:強度等級為C25，鋪底厚度為150 mm，水溝兩幫及底部澆注厚度為100 mm，蓋板厚度為50 mm，基礎(chǔ)深度為100 mm。

4 礦壓監(jiān)測

為了判斷進風(fēng)行人大巷開挖支護后圍巖的穩(wěn)定性，驗證錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護方案的合理性，動態(tài)掌握巷道圍巖變形情況和錨桿錨索的性能，采用十字布點法對進風(fēng)行人大巷圍巖表面位移進行觀測，監(jiān)測曲線如圖7 所示。

圖7 巷道表面圍巖相對移近量與時間關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve of the convergence of the surrounding rock at roadway surface with the time

從圖7 的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，頂?shù)装謇塾嬕平繛?0 mm、兩幫累計移近量為35 mm，可以看出，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護技術(shù)后，支護結(jié)構(gòu)性能得到充分發(fā)揮，深部高應(yīng)力巷道的大變形特性得到有效控制，巷道圍巖的穩(wěn)定性、整體性以及支護能力明顯改善，保證了巷道在服務(wù)年限內(nèi)的長期穩(wěn)定與正常生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)應(yīng)用D －P 準(zhǔn)則、M －C 準(zhǔn)則以及雙剪應(yīng)力準(zhǔn)則分析深部高應(yīng)力巷道開挖后塑性區(qū)半徑和塑性區(qū)徑向位移變化規(guī)律。分析3 種屈服準(zhǔn)則的彈塑性解析解可知，圍巖塑性區(qū)半徑R 和位移u 均隨著支護阻力pi、內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 的增大逐漸減小。D－P 準(zhǔn)則結(jié)果考慮了中間主應(yīng)力和靜水壓力的影響，更接近工程實際且更準(zhǔn)確。

(2)對3 種不同支護方案通過FLAC3D模擬巷道圍巖的變形特征，進行對比優(yōu)化，提出了以錨桿、錨索為核心的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護體系。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護技術(shù)可充分發(fā)揮錨桿、錨索性能，可有效提高圍巖的整體性與承載能力，巷道受力較為均勻穩(wěn)定，大變形、應(yīng)力集中及底鼓等現(xiàn)象得到改善，圍巖變形和塑性區(qū)的擴展明顯遏制。實踐證明，錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護體系是解決深部高應(yīng)力巷道支護問題的一種有效支護方式。

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