劉希亮，孫飛躍,郭佳奇，武文龍,代彥兵

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引 言

近年來，隨著我國煤炭不斷開采，淺部煤炭資源日益枯竭，煤炭開采由淺部逐漸轉(zhuǎn)入深部[1-4]。礦井進入深部開采后，圍巖變形破壞嚴重且持續(xù)時間長，支護難度加大，生產(chǎn)成本急劇增加，巷道支護時需要考慮充分的讓壓變形空間。

近年來，學(xué)者們針對深部巷道圍巖鋼架支護開展了大量研究，并取得了豐富的研究成果：王其洲等[5]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，探討了深部巷道在動壓影響下的U型鋼架-錨索協(xié)同支護技術(shù)，通過錨索的錨固作用使U型鋼架承載能力得以加強，從而減緩了巷道圍巖的突變變形；殷帥峰等[6]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗對高預(yù)緊力鋼架錨索與單體錨索平行布置支護的組成結(jié)構(gòu)、控制機理、應(yīng)力場分布規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，使巷道圍巖變形得以控制；張國鋒等[7]為了解決深部軟巖巷道高地應(yīng)力、強流變和大變形等問題，提出全圓鋼架支護技術(shù)；魏臻等[8]采用現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)值模擬和井下試驗等研究方法，發(fā)現(xiàn)在大斷面煤巷掘進過程中錨梁鋼架支護結(jié)構(gòu)能夠有效減緩圍巖變形；G.Gunter等[9]通過現(xiàn)場實測對以往圍巖-支護作用關(guān)系的研究成果進行總體評述，找出了支護材料強度隨時間的變化規(guī)律；余偉健等[10]采用現(xiàn)場測試和力學(xué)試驗，提出裂隙巖體巷道大變形的聯(lián)合支護技術(shù)；趙萬里等[11]以現(xiàn)場工程試驗為研究背景，提出強力錨注支護技術(shù)，解決了高應(yīng)力下軟巖巷道大變形問題；李為騰等[12]對數(shù)值模擬計算軟件FLAC3D進行二次開發(fā)，通過構(gòu)件壓彎試驗和巷道拱架支護實例，得出一種精準有效的巷道拱架支護方法；何滿潮等[13]采用數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，對巷道6種支護形式進行了驗證分析，為巷道斷面尺寸的確定提供了依據(jù)。總之，不同條件下深部巷道支護形式多種多樣。為了使巷道圍巖的整體支護效果達到最佳，進一步減少人力、財力和物力浪費，有必要對深部巷道組合鋼架支護體系進行研究，以便更好地控制深部巷道圍巖變形，保障礦井安全生產(chǎn)。

本文采用數(shù)值模擬對“錨桿+錨索+噴混凝土+金屬網(wǎng)+組合鋼架”組合鋼架合理支護間距進行分析，繼而對比分析深部巷道在組合鋼架支護下圍巖應(yīng)力分布和變形特征、塑性區(qū)擴展范圍等，以期確定最佳的組合鋼架合理支護間距。

1 數(shù)值計算模型

1.1 模型建立

趙固二礦井田位于河南省新鄉(xiāng)市與焦作市交界地帶，井田總體走向NW，傾向SW。由于地層構(gòu)造影響，井田內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，揭露斷層全部為正斷層，局部發(fā)育小幅度次級褶曲。11071工作面回風(fēng)巷所處地層主要由灰?guī)r、泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖與粗中細粒砂巖等巖石組成。老頂為厚0.94～19.85 m，平均7.46 m的粗中細粒砂巖。主采煤層為黑色粉狀及粒狀，性脆，煤質(zhì)好，結(jié)構(gòu)簡單，少部分鉆孔含厚0.10～0.43 m的夾矸，全區(qū)發(fā)育，厚度大，約6.5 m。底板以砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為12.84 m。主要巷道平均埋深約700 m，斷面為馬蹄形，寬5.4 m，高4.3 m。

為了保證模擬結(jié)果的真實可靠，依據(jù)圣維南原理和巷道開挖影響范圍，同時充分考慮趙固二礦現(xiàn)場具體圍巖水文地質(zhì)條件，以及為了消除模擬計算所產(chǎn)生的邊界效應(yīng)，建立的計算模型橫向長40 m、豎向高30 m、縱向?qū)? m，即左右邊界約為3.2倍巷道總跨度、上下邊界約為3倍巷道總高度。數(shù)值模型和巷道斷面尺寸分別如圖1～2所示。該計算模型的上邊界為應(yīng)力約束邊界條件，施加24.93 MPa(現(xiàn)場實測)垂直載荷，計算模型的下邊界(z方向)、前后(y方向)和左右(x方向)邊界均為位移約束邊界(x,y,z方向見圖1)。在數(shù)值計算中，模型本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb屈服準則[14]。

圖1 數(shù)值模型

圖2 巷道斷面示意(單位：mm)

1.2 材料力學(xué)參數(shù)

圍巖的物理力學(xué)參數(shù)按照該井田的地質(zhì)條件和煤巖物理力學(xué)測試結(jié)果折算選取，如表1所示，支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)如表2所示。模擬研究時，假設(shè)巖石為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)體，符合Mohr-Coulomb強度準則，材料參數(shù)滿足Mohr-Coulomb本構(gòu)模型關(guān)系。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

1.3 數(shù)值模擬方案

根據(jù)巷道圍巖地質(zhì)條件，巷道支護形式采用錨桿+錨索+噴混凝土+金屬網(wǎng)+組合鋼架。巷道支護形式和數(shù)值模擬支護模型分別如圖3～4所示(圖4中1～5分別為錨桿、錨索、噴混凝土、金屬網(wǎng)和組合鋼架)。模擬中采用beam單元模擬組合鋼架(箍子設(shè)置為剛性連接)、cable單元模擬錨桿與錨索、liner單元模擬混凝土噴層、shell單元模擬金屬網(wǎng)。結(jié)合該井田水文地質(zhì)條件，鋼架組合形式為連三空一，支護方案如表3所示。根據(jù)支護方案建立組合鋼架支護模型，如圖5所示，鋼架連接處為鋼架非讓壓間距、未連接處為鋼架讓壓間距，鋼架間距0.20 m，連三空一。

圖3 巷道支護形式示意

圖4 數(shù)值模擬支護模型

圖5 組合鋼架支護模型

表3 支護方案

1.4 數(shù)據(jù)采集點布置

模擬計算中16個監(jiān)測點布置在鋼架上，鋼架和周圍巖體共同變形，對巷道拱肩、邊墻部位的位移進行監(jiān)測，如圖6所示。為了分析巷道開挖后圍巖應(yīng)力與位移的變化特征，在巷道頂?shù)装搴蛶筒康拇怪狈较蚍謩e設(shè)置了4條監(jiān)測線，如圖7所示。

圖6 監(jiān)測點布置示意

圖7 巷道監(jiān)測線布置示意

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 圍巖變形分析

巷道圍巖拱頂和拱底最大變形曲線分別如圖8～9所示。巷道的拱頂變形量為負,代表下沉，拱底變形量為正,代表隆起。

由圖8～9可知，圍巖變形量隨鋼架支護間距增大而加大。方案1的拱頂和拱底處變形量最小，分別為178.5，190.3 mm，方案6的拱頂和拱底處變形量最大，分別為194.7，207.4 mm。由圖8～9還可知，方案2～6比方案1的拱頂處變形量分別增大了1.68%,2.91%,4.31%,5.43%,6.61%，比在拱底處的變形量分別增大了1.54%,2.26%,3.60%,4.88%,6.68%。不同支護方案下，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰票O(jiān)測數(shù)據(jù)分別如圖10～11所示(監(jiān)測線見圖7)。

圖8 巷道拱頂最大變形曲線

圖9 巷道拱底最大變形曲線

由圖10可知，不同支護方案下巷道頂?shù)装逦灰品植家?guī)律大致相同，6種支護方案下巷道頂板的最大變形量分別為162.4，173.4，185.5，196.3，206.6，216.8 mm，底板最大變形量分別為216.6，228.6，238.4，249.2，259.7，269.9 mm。由圖10還可看出，巷道頂板處方案1比方案2～6的變形量分別減小了11.0，23.1，33.9，44.2，54.4 mm，巷道底板處方案1比方案2～6的變形量分別減小了12.0，21.8，32.6，43.1，53.3 mm。

圖10 巷道頂?shù)装逦灰谱兓€

由圖11可知，不同支護方案下巷道兩幫位移基本呈對稱分布，隨著距巷道中心距離增加，圍巖兩幫的位移變形量逐漸減小，并趨近于0。

圖11 巷道兩幫位移變化曲線

總之，在相同鋼架組合形式下，鋼架支護間距為0.2 m時，圍巖產(chǎn)生的變形量最小，還可以減弱圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高巖體強度，充分發(fā)揮巖體的自身承載能力。巷道頂?shù)装逦灰?、拱肩以及邊墻監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，不同鋼架支護間距下，圍巖變形增幅不大，且增長速率平緩。從控制圍巖變形，提升施工機械化水平，加快巷道支護工作效率，降低工人勞動強度以及讓壓支護效果等方面綜合考慮，得出最佳支護方案為方案1。

巷道拱肩豎直位移監(jiān)測曲線如圖12所示，邊墻水平位移曲線如圖13所示(監(jiān)測點位置見圖6)。由拱肩和邊墻位移監(jiān)測曲線可得，方案6在巷道拱肩和邊墻位置的豎直和水平方向變形最大，豎直方向變形量為289.6 mm、水平方向變形量為71.7 mm，方案1在巷道拱肩和邊墻位置的豎直和水平方向變形最小，豎直方向變形量為245.3 mm、水平方向變形量為49.8 mm。

圖12 巷道拱肩豎直位移監(jiān)測曲線

圖13 巷道邊墻水平位移監(jiān)測曲線

豎直和水平方向位移監(jiān)測曲線顯示，方案1優(yōu)于其他5種方案。

2.2 圍巖應(yīng)力分析

巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛻?yīng)力變化曲線如圖14～15所示。由圖14可知，巷道頂?shù)装宓膽?yīng)力隨著距巷道中線距離的增加而逐漸減小，并逐漸趨于原巖應(yīng)力狀態(tài)，頂板的垂直應(yīng)力作用范圍略大于底板的垂直應(yīng)力作用范圍。雖然6種支護方案下巷道在頂?shù)装瀹a(chǎn)生的最大壓應(yīng)力差別不大，但相比之下，方案1比方案6的巷道頂?shù)装逅a(chǎn)生最大壓應(yīng)力分別降低了2.21%和2.17%。由圖15可知，巷道左右兩幫的應(yīng)力分布大致對稱分布，兩幫水平應(yīng)力對巷道影響較大的范圍約為距離巷道中線左右兩側(cè)14 m處，離巷道中線越遠，變化越不明顯。6種支護方案下，圍巖兩幫應(yīng)力曲線的增加速率大致相同，達到峰值之后逐漸趨于平緩，峰值位置相同，數(shù)值卻不同。對比分析兩幫應(yīng)力曲線可知，不同支護方案下，方案1和方案6在施工過程中對圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力值分別為最小與最大。因此在深部巷道施工時需加強硐室兩幫支護，從而減少兩幫圍巖移近量。

圖15 巷道兩幫應(yīng)力變化曲線

巷道圍巖應(yīng)力曲線顯示，采用方案1可以提高巖體強度，充分發(fā)揮巖體的承載能力，使圍巖更加趨于穩(wěn)定。

6種支護方案下的圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力等值線云圖分別如圖16～17所示。由圖16分析可知，采用方案1和方案6施工時，巷道頂?shù)装逄幃a(chǎn)生的應(yīng)力影響范圍分別為最小和最大(等值線為5，6的區(qū)域)。由圖17分析可知，巷道的頂?shù)装搴蛢蓭吞幎加袘?yīng)力集中現(xiàn)象，其中，方案6產(chǎn)生的應(yīng)力集中較輕，方案1產(chǎn)生的應(yīng)力集中較重(等值線為6，7，8的區(qū)域)?？傊谑┕み^程中應(yīng)防止巷道圍巖因應(yīng)力集中而發(fā)生破壞。

圖16 垂直應(yīng)力等值線云圖

圖17 水平應(yīng)力等值線云圖

2.3 組合鋼架受力分析

深部巷道通過組合鋼架支護，將鋼架抗彎與抗扭部位通過結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)化為抗拉、抗壓或抗剪性能，實現(xiàn)支護一體化與荷載均勻化，從而達到加強支護，減輕工作面勞動強度的目的[15-17]。

2.3.1 組合鋼架支護對巷道圍巖變形特征影響

采用組合鋼架不僅能對圍巖進行快速支護，而且還可以對圍巖早期變形進行較好地抑制，最大限度提高圍巖自身承載能力，使圍巖形成承載拱圈。6種支護方案下組合鋼架位移云圖如圖18所示。由圖18可知，鋼架變形最大的部位主要集中在硐室邊墻、拱底和拱頂處。6種支護方案下，組合鋼架最大下沉量分別為27.95，29.12，29.95，30.91，31.04，31.14 mm。采用方案1時，組合鋼架的最大下沉量比方案2～6的分別減少了4.02%，6.71%，9.59%，9.97%，10.25%。

圖18 組合鋼架位移云圖(單位：m)

2.3.2 組合鋼架支護對巷道圍巖應(yīng)力分布影響

6種支護方案下組合鋼架應(yīng)力云圖如圖19所示。由圖19可知，組合鋼架的集中應(yīng)力出現(xiàn)在巷道幫角、拱肩和頂部。6種支護方案下，組合鋼架最大壓應(yīng)力分別為1.17，1.29，1.38，1.48，1.52，1.52 GPa。隨鋼架支護間距增大，應(yīng)力值差別不大。

圖19 組合鋼架應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

綜上所述，采用支護方案1時，根據(jù)鋼架讓壓間距與非讓壓間距在組合支護形式下的整體耦合作用，提升施工機械化水平，減少工人勞動強度，節(jié)約巷道支護成本，支護效果最佳。

2.3.3 組合鋼架支護對巷道圍巖塑性區(qū)影響

6種支護方案的塑性區(qū)分布云圖如圖20所示。采用FLAC3D內(nèi)嵌的FISH語言對6種支護方案的塑性區(qū)體積進行統(tǒng)計，分別為292.87,303.71,317.18,329.74,335.52,340.15 m3。從圍巖塑性區(qū)體積看，在高地應(yīng)力作用下開挖硐室，方案1對巖體的剪切破壞最弱。

圖20 不同方案巷道圍巖塑性區(qū)云圖

不同支護方案下巷道圍巖塑性區(qū)最大深度如表4所示。由表4可知，圍巖兩幫的塑性破壞區(qū)范圍比頂部和底部的塑性破壞區(qū)范圍大；6種支護方案塑性區(qū)范圍相對較小，并且分布較為均勻。在巷道頂?shù)装搴蛢蓭吞帲ёo方案1～6的塑性區(qū)最大深度依次增加，差值不大；支護方案4～6的塑性區(qū)最大深度幾乎相同。

表4 不同支護方案下巷道圍巖塑性區(qū)最大深度

3 結(jié) 論

(1)在相同地應(yīng)力、圍巖特性和鋼架組合支護下，不同鋼架支護間距對巷道圍巖變形影響差別較大,因而，巷道支護設(shè)計應(yīng)優(yōu)先考慮組合鋼架的支護間距。

(2)分析巷道圍巖變形特征可知，在相同組合鋼架支護下，支護間距為0.20 m時，巷道圍巖產(chǎn)生的變形量最小，但圍巖在不同鋼架支護間距下產(chǎn)生的變形量差別不大。

(3)分析巷道圍巖應(yīng)力變化可知，在巷道拱頂、拱底、兩幫與底板交接部位均易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與大量工程實際相吻合，且方案1～6產(chǎn)生的巷道頂部和底板最大壓應(yīng)力分別降低了2.21%和2.17%。

(4)分析組合鋼架位移和應(yīng)力云圖可知，組合鋼架變形主要集中在邊墻、拱底和拱頂部位，組合鋼架應(yīng)力集中部位主要分布在拱肩、頂部和幫角處。