樊江波，李 磊，劉寧寧

（1.中煤科工能源投資秦皇島有限公司，河北 秦皇島 066000；2.中煤科工能源科技發(fā)展有限公司，北京 100000）

巖石發(fā)生破裂后，仍具有一定的殘余強(qiáng)度，同理，巷道圍巖松動(dòng)破裂也具有一定的承載能力，但這一承載能力遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度值，需對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)的主要目的是提高松動(dòng)圍巖的殘余強(qiáng)度，充分發(fā)揮加固圍巖的承載能力。巷道圍巖的變形與其物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)密切相關(guān)，參數(shù)其主要包括：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、黏結(jié)力及內(nèi)摩擦角等。

目前，通常采用的支護(hù)技術(shù)措施主要包括：及時(shí)封閉暴露圍巖、錨桿支護(hù)、注漿以及支架壁后充填等?；匮拖锏烂褐鏊笃鋸?qiáng)度表現(xiàn)為衰減速度快，且穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，對(duì)于此類巷道煤柱，不僅要提高圍巖承載能力，而且必須減少水對(duì)煤柱弱化的技術(shù)措施。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了相關(guān)的研究，榮傳新[1]等建立了巷道破壞半徑與水壓力的關(guān)系；劉鋒珍[2]分析了滲流作用下圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律；余偉建[3]等揭示了不同支護(hù)方式下巷道圍巖變形破壞的機(jī)理；孫珍平[4]等人提出了圓形隧道在非均勻應(yīng)力場(chǎng)下的彈塑性解析解；劉新穎等分析了水對(duì)圍巖的破壞和力學(xué)特性的影響；李宗利等發(fā)現(xiàn)巷道考慮滲流場(chǎng)計(jì)算得出的塑性半徑大于不考慮滲透場(chǎng)的半徑。奚家米提出了巷道的錨噴支護(hù)以及圍巖穩(wěn)定性的計(jì)算方法。韋立德等基于有限元分析，提出了一種新的巷道支護(hù)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型；朱維申等分析認(rèn)為流-固耦合作用導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低、變形量增加；李國(guó)富等發(fā)現(xiàn)對(duì)膨脹巖注漿不僅可降低圍巖孔隙比，而且減小圍巖滲透系數(shù)。

針對(duì)滲流作用下巷道圍巖的受力及變形特征，已開展了大量的研究，但對(duì)于其在支護(hù)條件下孔隙水壓力的研究相對(duì)較少，本文利用多場(chǎng)物理耦合數(shù)值模擬軟件COMSOL計(jì)算了回淹巷道煤柱在無(wú)支護(hù)與有支護(hù)條件下的孔隙水壓力，分析了煤柱水流動(dòng)規(guī)律。

1 回淹巷道煤柱水流動(dòng)特征分析

1.1 煤柱水流動(dòng)特點(diǎn)

利用多場(chǎng)物理耦合數(shù)值模擬軟件COMSOL計(jì)算了煤柱在無(wú)支護(hù)、有支護(hù)條件下巷道開挖時(shí)間、有無(wú)疏水孔以及裂隙面對(duì)孔隙水壓力的影響，分析了煤柱水流動(dòng)特點(diǎn)。

1.1.1 無(wú)支護(hù)時(shí)水流動(dòng)及孔隙水壓力變化規(guī)律

1.1.1.1 煤柱水流動(dòng)規(guī)律

利用COMSOL軟件計(jì)算了巷道煤柱有疏水孔、無(wú)疏水孔及有疏水孔且存在裂隙面三種方案下煤柱水的流動(dòng)規(guī)律。下頁(yè)圖1—圖3分別為巷道開挖1 d、30 d、90 d條件下煤柱的水流動(dòng)規(guī)律，在一定的孔隙水壓力作用下，布置疏水孔與無(wú)疏水孔條件下水流動(dòng)規(guī)律存在顯著的差異性，布置疏水孔后煤柱水沿疏水孔流動(dòng)，且流動(dòng)速度和流量均較大；當(dāng)巷道煤柱疏水孔穿過回淹層主裂隙面，煤柱水沿主裂隙面流動(dòng)，并經(jīng)疏水孔流出，流動(dòng)速度與流量較無(wú)疏水孔和有疏水孔條件下明顯增加；因此，合理布置疏水孔技術(shù)參數(shù)，有利于煤柱水的排放。

圖1 巷道開挖1 d煤柱水流動(dòng)規(guī)律

圖3 巷道開挖90 d煤柱水流動(dòng)規(guī)律

1.1.1.2 孔隙水壓力變化規(guī)律

下頁(yè)圖4為回淹巷道煤柱軟弱巖層與回淹煤柱交界處孔隙水壓力隨巷道開挖時(shí)間變化曲線圖，模擬計(jì)算模型左右對(duì)稱，選取模型左半部分，分析其孔隙水壓力的變化規(guī)律。

圖2 巷道開挖30 d煤柱水流動(dòng)規(guī)律

圖4 煤柱水孔隙水壓力曲線

由圖4可知，當(dāng)布置疏水孔時(shí)，孔隙水壓力隨巷道開挖變化速率較快，從巷道中央向邊界減少的變化趨勢(shì)，說(shuō)明煤柱水流動(dòng)呈現(xiàn)為連續(xù)性的特點(diǎn)。當(dāng)布置疏水孔且存在主裂隙面條件下，在巷道開挖初期，30～50 m之間孔隙水壓力降低為0。從孔隙水壓力變化云圖可以明顯看出，隨開挖時(shí)間延長(zhǎng)，主裂隙面以上孔隙水壓力逐漸減小，水在裂隙面和疏水孔流動(dòng)的變化規(guī)律較小。煤柱在無(wú)疏水孔條件下，孔隙水壓力的變化量較小。

1.1.2 支護(hù)作用下煤柱水流動(dòng)特點(diǎn)分析

巷道開挖后，通常需要進(jìn)行人為加固以確保其穩(wěn)定性。在巷道煤柱表面施加均布?jí)毫Γ紫端畨毫ψ兓茍D和曲線分別見下頁(yè)圖5。

圖5 不同支護(hù)阻力作用下孔隙水壓力曲線

在支護(hù)條件下，改變了巷道圍巖表面的受力狀態(tài)，對(duì)巷道煤柱孔隙水壓力的變化規(guī)律產(chǎn)生一定的影響，但其變化趨勢(shì)沒有發(fā)生變化。巷道開挖90 d后，在無(wú)支護(hù)條件下，中間位置的孔隙水壓力為0.09 MPa，當(dāng)支護(hù)阻力為0.2 MPa和0.4 MPa時(shí)，孔隙水壓力分別增大至0.15 MPa和0.29 MPa，為無(wú)支護(hù)阻力的1.7和2.2倍，由此可知，巷道煤柱施加支護(hù)阻力，可減緩煤柱水的滲透作用。

在巷道中布置疏水孔，有利于煤柱水的疏放，而且能夠減少水對(duì)煤柱的弱化作用，尤其是鉆孔穿透煤柱回淹層主裂隙面時(shí)，更有利于水的疏放。在疏放煤柱水時(shí)，地下水與圍巖相互作用，對(duì)煤柱施加支護(hù)阻力，可改變巷道圍巖的受力狀態(tài)，一定程度上可減緩水的滲透作用，降低水對(duì)巖石的侵蝕作用。

2 結(jié)論

1）在無(wú)支護(hù)條件下，煤柱布置疏水孔時(shí)，孔隙水壓力隨巷道開挖變化速率較快，從巷道中央向邊界呈現(xiàn)為減少的變化趨勢(shì)；煤柱有疏水孔且存在主裂隙面時(shí)，隨開挖時(shí)間的延長(zhǎng)，主裂隙面以上巖層的孔隙水壓力逐漸降低；在無(wú)疏水孔時(shí)，孔隙水壓力的變化較小。

2）在支護(hù)條件下，對(duì)巷道煤柱孔隙水壓力的變化規(guī)律產(chǎn)生了的一定影響，但變化量較小，巷道煤柱施加一定的支護(hù)阻力，可減緩煤柱水的滲透作用。

3）在巷道中布置疏水孔，有利于煤柱水的疏放，可減小水對(duì)煤柱的侵蝕作用，尤其是鉆孔長(zhǎng)度穿透煤柱回淹層主裂隙面時(shí)，更有利于煤柱水的疏放；對(duì)煤柱施加支護(hù)阻力，可改變巷道圍巖的受力狀態(tài)，可減緩水的滲透作用，減小水對(duì)巖石的弱化作用。