黃慶享 郭強 曹健 錢萬學 侯挺 趙軒

摘要：針對軟巖大變形巷道圍巖控制難題，以象山礦井南一石門為工程背景，采用現(xiàn)場取樣、物理相似模擬和FLAC3D數(shù)值計算，分析了巷道圍巖物理力學性質(zhì)，掌握了巷道各階段圍巖基本變形規(guī)律，得出巷道變形表現(xiàn)為四周收斂，具有明顯的軟巖特征，變形速度達3 -4 mm/d.研究發(fā)現(xiàn)：巷道底板極限平衡區(qū)最大深度為3. 57 m，兩幫極限平衡區(qū)最大深度為1.86 m，頂板極限平衡拱高度為4. 26 m.基于上述分析，結(jié)合“自穩(wěn)平衡圈理論”，提出合理的巷道支護方案，采用直墻圓弧拱帶反拱優(yōu)化斷面，確定了全斷面采用錨桿錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)噴漿支護，對圍巖極其破碎階段進行注漿，頂錨桿長度2.4 m，錨索長度6m;幫錨桿長度2.4 m，錨索長度4m;底板采用長度1.5 m的注漿錨桿，全斷面采用金屬網(wǎng)噴漿封閉。該研究方案已被礦區(qū)采納。

關(guān)鍵詞：石門;軟巖;變形規(guī)律;破壞機理;自穩(wěn)平衡圈理論

中圖分類號：TD 353

文獻標志碼：A

文章編號：1672 -9315（2019）06 -0934 -08

DOI：10. 13800/j. cnki. xakjdxxb.2019. 0603

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

收稿日期：2019 -05 - 20

責任編輯：劉 潔

基金項目：國家自然科學基金（ 51674190）

通信作者：黃慶享（1966 -），男，新疆沙灣人，教授，博士生導(dǎo)師，E-ma11-361923 187@ qq. com

O 引言

巷道圍巖是由頂板、兩幫和底板共同組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，巷道支護設(shè)計中往往容易忽視三者之間的相互作用關(guān)系，這種關(guān)系在軟巖巷道支護中表現(xiàn)得更加顯著。何滿潮院士深入分析了軟巖變形的力學特征，得出以轉(zhuǎn)化復(fù)合型變形力學機制為重心的軟巖巷道支護方法[1-3]。董方庭等通過研究巷道圍巖松動破壞特性，提出了圍巖松動圈支護理論[4-6]。康紅普等分析了巷道支護與圍巖的相互作用關(guān)系，認為錨桿支護能最大限度保持圍巖的完整性，能夠避免有害變形的出現(xiàn)[7-8]。侯朝炯研究得出巷道圍巖錨桿加固后，其承載強度峰值得到提高，且強度峰值隨錨桿密度增大，形成了一整套圍巖加固支護理論[9-12]。楊本生等提出了高應(yīng)力軟巖巷道雙殼支護理論和軟巖巷道底鼓控制對策[13 -14]。馬念杰等提出巷道圍巖蝶形破壞概念，給出了巷道周圍“蝶葉塑性區(qū)”理論公式[15-16]。黃慶享基于巷道“頂板一兩幫一底板”相互影響共同形成極限平衡圈的理念，提出了巷道圍巖極限平衡圈支護理論，確定了整環(huán)支護的原則，為確定巷道圍巖加固范圍和計算錨桿、錨索長度提供理論依據(jù)[17-21]。

以象山煤礦南一軌道石門支護為研究背景，通過測定圍巖物理力學參數(shù)，實測巷道變形規(guī)律，結(jié)合物理模擬和數(shù)值計算，揭示了石門變形破壞機理，確定了合理的支護方式和支護參數(shù)，研究結(jié)果得到礦區(qū)采納，為石門支護提供了科學依據(jù)。1南一石門概況和圍巖力學性質(zhì)

象山礦井南一（軌道）石門為穿層巷道，巖層傾角為2度-7度，蓋山厚度為497 -662 m.巷道揭露圍巖主要為鋁土泥巖、7#煤和泥質(zhì)粉砂巖，地質(zhì)剖面如圖1所示。

巷道斷面為直墻拱形，掘進斷面寬度4.8 m，高度3.1 m（墻高1.2 m，拱高1.9 m）。巷道原有支護采用10.7 IT12U型金屬支架（29#U型鋼）配合噴漿進行支護，支架排距600 mm，噴漿厚度100mm.巷道變形破壞嚴重，需要多次采取擴幫拉底、替換U型支架的措施來維持巷道的穩(wěn)定。石門多次拉底后，圍巖破碎，支護困難。

分別在距離南一石門口80，100，180，220，260和300 m處取巖樣6組，測定圍巖的物理力學性質(zhì)，結(jié)果見表1.圍巖巖性主要為K2灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖，圍巖干抗壓強度平均為32 MPa，泥巖水軟化系數(shù)0.4左右，遇水軟化明顯。

2 巷道圍巖變形規(guī)律

2.1 南一石門返修段總體巷道變形規(guī)律

南一石門返修段全長約307 m，巷道返修l a后沿軸向全長的累計變形分布，如圖2所示。

總體而言，石門底鼓、兩幫移近、頂板下沉都比較嚴重，表現(xiàn)為四周變形特征，特別是頂板遇到煤層、底板為泥巖的地段變形尤為嚴重。巷道每年需返修2次，累計頂板下沉和底鼓量達50 - 100cm，兩幫移近量達150 -220 cm以上。

2.2 南一石門變形速度

為了掌握石門變形速度，分別選擇距離石門口145，153，233，306 m共4個典型變形斷面布置測站，觀測了80 t1的頂?shù)缀蛢蓭鸵平繑?shù)據(jù)。

測站1巷道變形規(guī)律如圖3所示，巷道兩幫最大移近量20 mm，移近速度0.25 mm/d;頂?shù)鬃畲笠平?20 mm，移近速度1.5 mm/d，主要為頂?shù)滓平?/p>

測站2巷道變形規(guī)律如圖4所示，兩幫最大移近量為100 mm，變形速度1.2 mm/d;巷道頂?shù)鬃畲笠平?2 mm，變形速度1.1 mm/d，巷道頂?shù)缀蛢蓭妥冃蜗喈敗?/p>

測站3巷道變形規(guī)律如圖5所示，兩幫最大移近量為120 mm，變形速度4 mm/d;頂?shù)鬃畲笠平?0 mm，變形速度2 mm/d，兩幫移近大于頂?shù)滓平?/p>

測站4巷道變形規(guī)律如圖6所示，80 d兩幫最大移近量為280 mm，其中北幫182 mm，南幫98mm，北幫較大。頂板最大下沉量265 mm，底鼓量與頂板下沉量相當。巷道兩幫移近速度為3.5mm/d，頂?shù)滓平俣葹?.6 mm/d，巷道變形速度較快。

總體上，巷道變形表現(xiàn)為四周收斂，具有明顯的軟巖特征，變形速度達3 -4 mm/d，如圖7所示。

3 巷道變形破壞的物理模擬

3.1 物理相似模型設(shè)計

取具有代表性的石門巷道中部斷面為對象，按照幾何相似比1：25，容重相似比1：3，時間相似比1：5，應(yīng)力相似比1：37.5，模擬范圍為25 m×22.5 m.相似模型寬×高×厚=100 cm×90 cm×12 cm，巷道位于模型中央，模型巷道底板距離模型下邊界為34 cm（原型8.5 m）。模型巷道寬度為19.2 cm（原型4.8 m），墻高4.8 cm（原型1.2 m），弧高7.6 cm.

實驗選取河沙為骨料，石膏和大白粉為膠結(jié)材料，云母粉為分層及構(gòu)造裂隙材料。模型未鋪設(shè)到地表，采用2個5t油缸進行加載到相似原巖應(yīng)力0. 38 MPa。設(shè)計加載由0.22倍至1.33倍原巖應(yīng)力，模擬巷道受動壓影響的變形破壞規(guī)律。

3.2 圍巖變形破壞特征

加載到原巖應(yīng)力后，巷道出現(xiàn)明顯底鼓，底板破壞深度160 cm，底鼓量20 cm，巷道頂?shù)滓平繛?2 cm，兩幫移近量24 cm，如圖8所示。

加載到1. 22倍原巖應(yīng)力，模擬采動影響，巷道頂板裂隙高度473 cm，頂?shù)滓平?9 cm，兩幫移近量32 cm，巷幫破壞深度123Cm，如圖9所示。

4 南一石門支護方案

4.1 巷道圍巖破壞范圍計算

根據(jù)實測和物理模擬，巷道圍巖表現(xiàn)為四周變形，圍巖裂隙區(qū)大體呈卵形，圍巖支護設(shè)計可按照極限平衡圈支護理論進行[17-19]。

南一石門巷道寬度W0 =5.0 m，巷道高度H=3m，圍巖內(nèi)摩擦角φ=35度，根據(jù)極限平衡圈理論。

巷道底板最大破壞深度y1為

經(jīng)過計算，南一石門頂板極限平衡拱高度4.9m，考慮l m的錨固段長度，頂板錨索長度可取6m.兩幫破壞深度1.8 m，兩幫錨桿與頂板錨桿長度取2.4 m.

4.2 巷道合理支護方案設(shè)計

綜上分析，提出象山礦南一石門支護方案如圖10所示。巷道采用直墻圓弧拱帶反拱優(yōu)化斷面，巷道寬度5.0 m，直墻高度1.6 m，頂拱高1.4m，底板反拱0.6 m.

全斷面采用錨桿錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)噴漿支護，對圍巖十分破碎階段進行注漿，頂錨桿長度2.4 m，間排距0.6 m;幫錨桿長度2.4 m，排距0.6 m;采用錨索加強頂板和兩幫支護，頂板錨索長度6m，間距Im，排距1.2 m，兩幫錨索長度4m，排距1.2 m;底板采用長度1.5 m的注漿錨桿，間距0.8 m，排距0.6 m;全斷面采用金屬網(wǎng)噴漿封閉。

5 巷道錨網(wǎng)索支護效果對比

5.1 數(shù)值計算模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對南一石門無支護、原支護和優(yōu)化方案進行對比模擬。巷道埋深為600 m，模型尺寸為XxYx2=25 mx25 m×22.5 m，巷道斷面為半圓弧拱形，寬度4.8 m，墻高1.2 m，頂板弧高1.9 m.模型上部施加原巖應(yīng)力為14.4 MPa，左右邊界x方向固定，前后邊界y方向固定，下邊界z方向固定，如圖Il所示。

5.2 巷道原支護與優(yōu)化支護模擬

5.2.1 南一石門巷道變形對比

原支護條件下：頂板下沉量為28 cm，巷道最大底鼓量為65 cm，頂?shù)鬃畲笠平?3 cm;巷道兩幫腳發(fā)生破壞，兩幫移近量40 cm.巷道頂板和兩幫變形量較小，兩幫腳內(nèi)收與底鼓嚴重（圖12）。

優(yōu)化支護條件下：巷道頂板下沉量減小41%，底鼓量降低82.5%，頂?shù)滓平拷档?9%，巷道兩幫移近量降低88%，巷道底鼓得到有效控制。

5.2.2 巷道圍巖應(yīng)力場對比

原支護條件下：巷道底板拉應(yīng)力區(qū)最大，水平應(yīng)力主要集中在巷道兩肩（圖13），最大為13.6MPa;垂直應(yīng)力主要集中在巷道兩幫（圖14），最大為15.6 MPa.巷道破壞主要在底板和幫腳。

優(yōu)化支護條件下：巷道垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力集中范圍明顯減小，圍巖應(yīng)力分布趨于均勻。

5.2.3巷道圍巖塑性區(qū)對比

原支護條件下：巷道兩幫和兩幫腳主要為剪切破壞，巷道底板主要是拉破壞。巷道頂板剪切破壞深度為1m，兩幫剪切破壞深度為2.5 m，巷道底板拉破壞深度1.8 m.

優(yōu)化支護條件下：采用錨網(wǎng)索優(yōu)化支護后，巷道兩幫塑性區(qū)深度減少80%，最大為0.5 m;底板塑性區(qū)深度減少61%，最大為0.7 m;巷道周圍塑性區(qū)明顯減小，巷道變形得到有效控制。

采用優(yōu)化方案進行物理模擬驗證，加載到1. 33倍原巖應(yīng)力時，達到充分采動影響，巷道極限平衡圈內(nèi)圍巖得到有效加固，如圖16所示。

6 結(jié)論

1）巷道圍巖以泥巖為主，強度低，水軟化系數(shù)達0. 37 -0. 66.巷道圍巖軟弱，由于底板未得到有效支護，首先出現(xiàn)底鼓，是巷道變形破壞嚴重的主要原因。

2）南一石門底鼓、兩幫移近、頂板下沉，表現(xiàn)為四周變形。巷道返修后持續(xù)變形，兩幫移近速度平均2.3 mm/d，最大4 mm/d;頂?shù)滓平俣绕骄鶠?.1 mm/d，最大3.5 mm/d.

3）結(jié)合物理模擬實驗和“極限自穩(wěn)平衡圈理論”計算，得到巷道底板最大破壞深度為3. 57 m，巷幫破壞深度1.8 m，極限平衡拱高度4.9 m.

4）合理的巷道斷面為直墻半圓拱帶底板反拱，根據(jù)極限平衡圈理論確定的錨噴支護方案，具有良好效果。該方案已被礦區(qū)采納。

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