譚云亮，范德源，劉學(xué)生，張俊文，寧建國(guó)，姚強(qiáng)嶺，付小敏

(1. 山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4. 通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

我國(guó)中東部地區(qū)的淺部煤炭資源已近枯竭，深部煤炭資源必將成為我國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和發(fā)展的重要能源動(dòng)力。進(jìn)入深部開采后，巖石強(qiáng)流變特性凸顯且應(yīng)力環(huán)境更為復(fù)雜。另一方面，為適應(yīng)煤礦智能化、集約化等方面的要求，越來(lái)越多的大及超大斷面硐室群需要在井下布置。這類硐室群多為密集分布，在深部復(fù)雜環(huán)境影響下，維護(hù)難度大，圍巖變形嚴(yán)重，極易誘發(fā)圍巖失穩(wěn)，特別是硐室群中某一個(gè)硐室一旦失穩(wěn)，將有可能誘發(fā)周圍硐室的聯(lián)動(dòng)失穩(wěn)，從而嚴(yán)重影響深部大斷面硐室的安全利用。

對(duì)于深部超大斷面硐室及硐室群穩(wěn)定性研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要在分類方法、圍巖失穩(wěn)機(jī)制及加固控制技術(shù)方面進(jìn)行了研究。分類方法方面，國(guó)際隧道協(xié)會(huì)以凈斷面面積為依據(jù)，將隧道斷面劃分為5類，即超小斷面(<3 m)、小斷面(3～10 m)、中等斷面(10～50 m)、大斷面(50～100 m)和超大斷面(>100 m)；日本隧道協(xié)會(huì)以開挖面積為依據(jù)，將隧道斷面劃分為3類，即標(biāo)準(zhǔn)斷面(70～80 m)、大斷面(100～120 m)和超大斷面(>140 m)。而在煤礦開采領(lǐng)域，多以斷面面積和跨度為依據(jù)對(duì)硐室進(jìn)行劃分，根據(jù)斷面面積劃分為小斷面(<8 m)、中等斷面(8～12 m)、大斷面(12～20 m)和特大斷面(≥20 m)，根據(jù)跨度劃分為小斷面(≤3 m)、中斷面(3.1～4.0 m)、大斷面(4.1～5.0 m)和超大斷面(≥5.1 m)。事實(shí)上，影響大斷面硐室穩(wěn)定性的因素除了斷面尺寸以外，還與其埋深(或地應(yīng)力高低)、圍巖力學(xué)性質(zhì)等密切相關(guān)。

在硐室破壞非線性失穩(wěn)機(jī)理方面，深部圍巖呈現(xiàn)流變失穩(wěn)與動(dòng)力失穩(wěn)2種形態(tài)。深部高應(yīng)力下巖石非線性流變行為更加復(fù)雜，對(duì)于巖石流變行為的認(rèn)知，陳宗基提出流變的概念，孫鈞綜合考慮黏滯系數(shù)、加載應(yīng)力水平及作用時(shí)間，構(gòu)建了巖石非線性黏塑性流變模型。康紅普等從時(shí)間和空間尺度出發(fā)分析了巖石流變力學(xué)特性，同時(shí)，深部圍巖動(dòng)力失穩(wěn)也更加頻繁。為了探討深部巖石動(dòng)力學(xué)破壞行為，何滿潮等采用自主研發(fā)的沖擊巖爆試驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了不同動(dòng)載幅值和靜載水平下的煤巖沖擊巖爆分型特征。李夕兵等利用改進(jìn)的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，揭示了巖石在不同動(dòng)靜組合加載下的強(qiáng)度特性、破碎規(guī)律及吸能效率。對(duì)于深部超大斷面硐室，支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)的抗動(dòng)載特性尤為重要。

深部硐室圍巖加固控制技術(shù)是保障大斷面硐室得以安全利用的關(guān)鍵，成為工程界研究的熱點(diǎn)?？导t普等針對(duì)軟巖條件下硐室群圍巖應(yīng)力分布特征，獲得了提高硐室群圍巖穩(wěn)定性的對(duì)策。江權(quán)等提出了高應(yīng)力硬巖條件下大型硐室群穩(wěn)定性優(yōu)化的裂化-抑制新理念；李術(shù)才等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，發(fā)現(xiàn)圍巖分區(qū)破裂化現(xiàn)象及破裂分布特征，為其加固支護(hù)提供了依據(jù)；楊仁樹等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬方法，獲得了復(fù)雜巖層硐室群圍巖破壞特征及控制對(duì)策；柏建彪等針對(duì)軟巖硐室非對(duì)稱變形問(wèn)題，提出了“薄弱結(jié)構(gòu)”非對(duì)稱控制技術(shù)，對(duì)探究煤礦深部超大斷面硐室群控制理論與技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

為此，筆者基于深部礦井大斷面硐室及硐室群建設(shè)的需求，在借鑒現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，以新巨龍煤礦-800 m水平煤矸分選硐室群為背景，對(duì)煤礦深部硐室地質(zhì)力學(xué)等效分類方法進(jìn)行研究，對(duì)超大斷面硐室群圍巖非線性流變演化規(guī)律及其連鎖失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行揭示，并構(gòu)建以圍巖長(zhǎng)期變形控制為目標(biāo)研究超大斷面硐室群圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方法及失穩(wěn)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。

1 煤礦硐室地質(zhì)力學(xué)等效分類方法

煤礦的巖層主要為沉積巖，與金屬礦山變質(zhì)巖相比，強(qiáng)度低、延性破壞嚴(yán)重。因此，僅以斷面尺寸為指標(biāo)進(jìn)行分類不符合煤礦巖層物理力學(xué)特點(diǎn)。為了提高硐室判識(shí)方法的全面性，從地質(zhì)力學(xué)等效的角度構(gòu)建分類方法非常必要。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斷面面積是影響硐室穩(wěn)定性的直接因素，即硐室斷面尺寸越大，圍巖越易發(fā)生破壞失穩(wěn)。同時(shí)，只有達(dá)到一定埋深時(shí)硐室失穩(wěn)現(xiàn)象才會(huì)發(fā)生。因此，可將圍巖綜合抗壓強(qiáng)度(MPa)與覆巖平均密度(kg/m)及應(yīng)力集中系數(shù)(一般為2.0～2.5)的比值，定義為失穩(wěn)臨界埋深(m)，作為煤礦硐室失穩(wěn)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

≥()

(1)

其中，能較好地反映硐室圍巖性質(zhì)。

圍巖內(nèi)部裂隙的發(fā)育程度對(duì)圍巖穩(wěn)定性也有重要影響，裂隙越發(fā)育，圍巖承載能力越差。通過(guò)引入圍巖綜合完整性系數(shù)，反映圍巖裂隙對(duì)圍巖整體性質(zhì)的影響程度。

(2)

式中，cr為硐室頂板巖層抗壓強(qiáng)度，MPa；cf為硐室底板巖層抗壓強(qiáng)度，MPa；cs為硐室兩幫巖層抗壓強(qiáng)度，MPa；cr為硐室頂板巖層完整性系數(shù)；cf為硐室底板巖層完整性系數(shù)；cs為硐室兩幫巖層完整性系數(shù)；r為頂板各巖層厚度，m；f為底板各巖層厚度，m；s為硐室兩幫各巖層厚度，m。

為此，將硐室斷面面積、失穩(wěn)臨界埋深、圍巖綜合抗壓強(qiáng)度以及綜合完整性系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了一種煤礦硐室地質(zhì)力學(xué)等效分類方法(表1)。

表1 硐室斷面各指標(biāo)分級(jí)判別[32]

對(duì)選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)具體化后，選取相應(yīng)的隸屬度函數(shù)()對(duì)不同指標(biāo)區(qū)間進(jìn)行分段處理，由此可獲得硐室斷面模糊關(guān)系矩陣。

(3)

(4)

式中，為實(shí)際值；，為相鄰2類指標(biāo)等級(jí)的臨界值；為第項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際值對(duì)類的隸屬度。

根據(jù)超標(biāo)加權(quán)法確定權(quán)重系數(shù)并進(jìn)行歸一化處理，獲得權(quán)重矩陣為

(5)

由此獲得模糊聚類矩陣為

=·=(,,…,)=
(,,,,)

(6)

按照最大隸屬原則，若模糊綜合聚類矩陣的結(jié)果矢量為，則判別該對(duì)象隸屬于類。利用上述煤礦硐室地質(zhì)力學(xué)等效分類方法對(duì)示范工程新巨龍煤矸分選硐室群(主要包括篩分破碎硐室、產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)硐室、排矸硐室和煤泥水處理硐室)進(jìn)行判識(shí)分析。以硐室群中排矸硐室為例，圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)見表2。可知，排矸硐室屬于Ⅴ類，即超大斷面硐室。同理根據(jù)上述方法對(duì)新巨龍煤矸分選硐室群中剩余硐室，即篩分破碎硐室、產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)硐室和煤泥水處理硐室依次進(jìn)行判識(shí)，具體見表3。

表2 圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表3 硐室分類判識(shí)結(jié)果

2 深部超大斷面硐室群圍巖連鎖失穩(wěn)機(jī)理

對(duì)深部超大斷面硐室群的穩(wěn)定性分析，既需要對(duì)硐室群圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)包括蠕變性和動(dòng)載作用下的力學(xué)相響應(yīng)進(jìn)行研究，還要考慮硐室間的相互影響，這是揭示硐室群連鎖失穩(wěn)機(jī)制的重要內(nèi)容。

2.1 深部巖石蠕變力學(xué)特性

..蠕變力學(xué)試驗(yàn)

深部巖石力學(xué)特性及工程響應(yīng)與淺部不同，探究深部巖體非線性流變破裂演化規(guī)律，是揭示深部復(fù)雜應(yīng)力下超大斷面密集硐室群圍巖破裂失穩(wěn)機(jī)理的基礎(chǔ)。采用TOP三軸流變儀開展深部巖石蠕變?cè)囼?yàn)，保持8.0 MPa圍壓不變，以0.05 MPa/s加載速率分5級(jí)(50%TCS，60%TCS，70%TCS，80%TCS，90%TCS)進(jìn)行軸向加載，且每級(jí)加載均維持12 h，待其蠕變變形穩(wěn)定后開始下一級(jí)應(yīng)力水平施加，直至巖石發(fā)生破壞，深部巖石蠕變變形曲線如圖1所示。

圖1 深部巖石蠕變變形曲線[33]Fig.1 Creep deformation curves for deep rock[33]

(1)變形特征。深部砂巖變形大致分為2部分，即應(yīng)力初期加載的瞬時(shí)變形和應(yīng)力持續(xù)加載階段的蠕變變形，且瞬時(shí)變形較大，蠕變變形較小。在應(yīng)力水平和加載時(shí)間的持續(xù)作用下，深部巖石在經(jīng)歷減速蠕變和等速蠕變后，在第5級(jí)應(yīng)力水平下進(jìn)入加速蠕變狀態(tài)，并在1.4 h發(fā)生破壞。另外，深部巖石軸向和徑向蠕變應(yīng)變隨著加載應(yīng)力水平的增加而增加，且隨著應(yīng)力水平的增大，其增加速率也相應(yīng)加大。

(2)破壞形態(tài)特征。通過(guò)微米級(jí)CT試驗(yàn)機(jī)表征巖石微觀、細(xì)觀結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力下組織與結(jié)構(gòu)變異性(圖2)，發(fā)現(xiàn)隨埋深增大，在軸壓效應(yīng)下深部巖石破裂線夾角由陡變緩，破壞形式由“Y”型破壞向主干型破壞轉(zhuǎn)變，呈脆-延轉(zhuǎn)化特征。同時(shí)，圍壓效應(yīng)對(duì)深部巖石脆-延轉(zhuǎn)化有較大影響。圍壓減小時(shí)，巖石脆性破壞增強(qiáng)；圍壓增大時(shí)，巖石延性破壞凸顯。

圖2 深部巖石破壞特征掃描[34]Fig.2 Scanning diagram of deep rock failure characteristics[34]

(3)強(qiáng)度特征?；趯?duì)深部巖石蠕變應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征(圖3中，為殘余強(qiáng)度，MPa；為峰值強(qiáng)度，MPa；為埋深，m；為預(yù)卸載圍壓，MPa)，圍巖的殘余強(qiáng)度約為峰值強(qiáng)度的65%。事實(shí)上，流變?cè)囼?yàn)中的殘余強(qiáng)度對(duì)應(yīng)工程中的長(zhǎng)期強(qiáng)度。為了保障超大斷面硐室群的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以圍巖長(zhǎng)期強(qiáng)度作為基礎(chǔ)進(jìn)行安全性支護(hù)設(shè)計(jì)是必要的。

..動(dòng)載力學(xué)試驗(yàn)

(1)沖擊動(dòng)載。采用改進(jìn)的SHPB試驗(yàn)裝置對(duì)深部巖石進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)揭示其主應(yīng)變場(chǎng)演化規(guī)律，如圖4所示。靜載軸壓設(shè)置為4.5 MPa，沖擊載荷應(yīng)變率依次設(shè)為37.5，55.8，65.6，

圖3 深部巖體強(qiáng)度演化特征[34]Fig.3 Strength characteristics of deep rock mass[34]

75.0，88.4 s，獲得了巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線及裂隙演化過(guò)程。據(jù)此將沖擊動(dòng)載下巖石分為4個(gè)階段：① 階段Ⅰ。彈性狀態(tài)，表面無(wú)裂紋產(chǎn)生；② 階段Ⅱ。應(yīng)力隨應(yīng)變的增長(zhǎng)速率減慢，裂紋從兩端開始萌生；③ 階段Ⅲ。宏觀裂紋加速向中心延伸發(fā)育，達(dá)到點(diǎn)(峰值強(qiáng)度)時(shí)表面出現(xiàn)明顯的貫穿裂紋；④ 階段Ⅳ。應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出2種模式：一是沖擊動(dòng)載強(qiáng)度較低時(shí)，在點(diǎn)發(fā)生明顯回彈現(xiàn)象，表現(xiàn)出“閉口”特征；二是在臨界沖擊載荷下，宏觀裂紋迅速擴(kuò)展并最終導(dǎo)致試件破壞失效，表現(xiàn)出“開口”特征。由此可知，巖石動(dòng)態(tài)破壞形態(tài)以拉裂紋為主，并隨著動(dòng)載強(qiáng)度的增大，破碎程度愈加嚴(yán)重。

(2)循環(huán)動(dòng)載。采用改進(jìn)的動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，分別設(shè)置4個(gè)靜載水平(20%UCS，40%UCS，60%UCS，80%UCS)和4個(gè)循環(huán)載荷頻率(20，40，60，80 Hz)進(jìn)行循環(huán)動(dòng)載試驗(yàn)，揭示不同靜載水平和動(dòng)載頻率下圍巖循環(huán)動(dòng)載縱波波速變化規(guī)律，如圖5所示。結(jié)果表明，施加循環(huán)動(dòng)載后巖石縱波波速明顯小于完整試件的波速值，并隨著初始靜載水平和循環(huán)動(dòng)載頻率的增加而逐漸減小，且最大降低率為11.4%。另外，循環(huán)動(dòng)載使得巖石內(nèi)部微小裂紋逐漸沿軸向發(fā)育擴(kuò)展，隨著初始靜載強(qiáng)度和循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部逐漸劣化并最終發(fā)生橫向變形破壞。

..基于試驗(yàn)的損傷本構(gòu)關(guān)系

通過(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得的深部巖石蠕變力學(xué)響應(yīng)機(jī)制及沖擊和循環(huán)動(dòng)載下圍巖破壞力學(xué)行為特征，考慮巖石受力變形過(guò)程中裂隙的密實(shí)性，可構(gòu)建本構(gòu)關(guān)系。對(duì)于密實(shí)性的影響，如圖6所示，隨應(yīng)變?cè)龃?，?yīng)力應(yīng)變曲線的斜率總體呈對(duì)數(shù)增大趨勢(shì)。為定量描述巖石在受載時(shí)的密實(shí)程度，將應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率與彈性模量的比值定義為密實(shí)性系數(shù)，表示為

圖4 沖擊動(dòng)載下巖石動(dòng)態(tài)特征[35]Fig.4 Dynamic characteristics of rock under impact load[35]

圖5 不同載荷條件下縱波波速變化特征Fig.5 Variation characteristics of longitudinal wave velocity under different loading conditions

(7)

式中，為無(wú)量綱待定常數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)獲得；為巖石屈服極限所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

圖6 巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線及其斜率變化規(guī)律[36]Fig.6 Stress-stain curves of rock and variation of its slope[36]

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立-曲線，利用線性回歸分析方法獲得考慮密實(shí)性系數(shù)損傷演化方程()的解析表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上修正了Kelvin模型。適于動(dòng)靜組合加載條件的巖石蠕變損傷本構(gòu)關(guān)系為

(8)

式中，為巖石彈性模量，GPa；為黏滯性系數(shù)，MPa·s。

修正后蠕變損傷本構(gòu)模型改進(jìn)了傳統(tǒng)的損傷本構(gòu)關(guān)系。=1時(shí)，標(biāo)志圍巖由蠕變轉(zhuǎn)為速變狀態(tài)，即呈現(xiàn)動(dòng)力特征，同時(shí)體現(xiàn)巖石在深部高應(yīng)力下的密實(shí)特性。采用有限差分法將式(8)嵌入Flac3D數(shù)值模擬軟件中(圖7)，發(fā)現(xiàn)自定義本構(gòu)模型的應(yīng)變-時(shí)間曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.978 9～0.981 9，相關(guān)性較強(qiáng),說(shuō)明建立的損傷本構(gòu)方程能較好的描述深部動(dòng)靜組合加載下巖石蠕變特性，驗(yàn)證了自定義本構(gòu)模型的正確性。由于數(shù)據(jù)量較多，為突出重點(diǎn)，避免贅述，受篇幅限制，故筆者選取了其中1組試驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行展示。

圖7 部分試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比曲線Fig.7 Comparison curves of some test and simulation results

2.2 硐室群圍巖破壞失穩(wěn)力學(xué)分析

..深部硐室圍巖典型載荷特征

深部大斷面硐室不僅在高地應(yīng)力下展現(xiàn)出非線性流變特性，還將受爆破、礦震等動(dòng)載影響。對(duì)于動(dòng)載作用方式，根據(jù)彈性波理論均可通過(guò)傅里葉變換簡(jiǎn)化為若干正弦波，即

=sin(2π)

(9)

式中，為動(dòng)載源強(qiáng)度，MPa；為強(qiáng)度幅值，MPa；為頻率，Hz；為動(dòng)載作用時(shí)間，s。

式(9)中，對(duì)于震動(dòng)引起的動(dòng)載，持續(xù)時(shí)間短、瞬時(shí)能量大、破壞性強(qiáng)；而循環(huán)動(dòng)載則長(zhǎng)時(shí)、反復(fù)的以低強(qiáng)度載荷持續(xù)作用于硐室群圍巖，最終導(dǎo)致圍巖及其支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞劣化直至破斷。因此，某種意義上，動(dòng)載作用時(shí)間決定了動(dòng)載形式。沖擊動(dòng)載主要來(lái)源于硐室群周圍的斷層滑移、天然地震等活動(dòng)，沖擊載荷以動(dòng)載源為中心以縱波(P波)形式呈球面向整個(gè)地層中擴(kuò)展，并逐漸傳播至硐室群圍巖附近。硐室群中篩分破碎硐室煤矸分選采用自主研發(fā)的JYT-G12井下排矸跳汰機(jī)，其振動(dòng)篩分過(guò)程是循環(huán)振動(dòng)載荷的主要來(lái)源。對(duì)于采動(dòng)擾動(dòng)影響，考慮硐室穩(wěn)定性，選址應(yīng)避開采動(dòng)應(yīng)力的影響，可不予以考慮。

..硐室群連鎖失穩(wěn)機(jī)理

對(duì)于單個(gè)硐室，其穩(wěn)定性力學(xué)分析已有成熟的結(jié)論。對(duì)于雙硐室，在靜力條件下也有相應(yīng)的解答。但在動(dòng)、靜載荷相互疊加作用下，原本處于彈性狀態(tài)的巖體超過(guò)其強(qiáng)度而發(fā)生新的損傷和破壞，使得塑性區(qū)范圍不變擴(kuò)大。超大斷面硐室圍巖變形破壞受尺寸效應(yīng)影響顯著，圍巖真實(shí)工程強(qiáng)度明顯低于室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度，塑性區(qū)發(fā)育范圍較普通硐室大。因此，引入圍巖強(qiáng)度弱化系數(shù)，對(duì)超大斷面硐室圍巖塑性區(qū)半徑進(jìn)行修正，由此獲得動(dòng)載作用下超大斷面硐室圍巖塑性區(qū)半徑。

(10)

式中，為硐徑，m；為修正后的塑性區(qū)半徑，m；為原巖應(yīng)力，MPa；為莫爾庫(kù)侖強(qiáng)度線斜率；為圍巖強(qiáng)度弱化系數(shù)，一般取0～1；為巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；Δ為作用于硐室群圍巖處的動(dòng)載荷增量，可由Δ=e-獲得，其中為應(yīng)力衰減系數(shù)，為動(dòng)載源距離，m；為塑性區(qū)邊界內(nèi)壓，MPa。

硐室塑性區(qū)半徑與硐徑、動(dòng)載源強(qiáng)度、原巖應(yīng)力呈正相關(guān)，即塑性區(qū)范圍隨著開挖硐室面積、動(dòng)載源強(qiáng)度和硐室埋深的增大而增大；與動(dòng)載源距離呈負(fù)相關(guān)，即動(dòng)載源距離硐室越近，圍巖塑性區(qū)發(fā)育范圍越大。選取2個(gè)相互平行的硐室1，2作為研究對(duì)象，建立平行硐室圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型(圖8，為硐室1，2在彈性區(qū)的疊加應(yīng)力，MPa)，獲得2個(gè)硐室圍巖發(fā)生破壞失穩(wěn)的。發(fā)現(xiàn)臨界間距與硐室塑性區(qū)半徑、動(dòng)載源強(qiáng)度呈正相關(guān)，即塑性區(qū)范圍和動(dòng)載幅值越大，臨界間距越大，硐室布置時(shí)需間隔一定距離以避免產(chǎn)生相互影響；與動(dòng)載源距離呈負(fù)相關(guān)，即動(dòng)載源距離硐室越遠(yuǎn)，平行硐室臨界間距越小，圍巖越穩(wěn)定，越不容易發(fā)生破壞。

(11)

圖8 平行雙硐圍巖破壞力學(xué)模型[38]Fig.8 Failure mechanical model of parallel chambers[38]

(12)

(13)

圖9 硐室群圍巖連鎖失穩(wěn)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[45]Fig.9 Mechanical model of chain instability for chamber group[45]

基于上述理論分析方法，對(duì)新巨龍煤礦煤矸分選硐室群進(jìn)行失穩(wěn)判定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可知，新巨龍煤礦煤矸分選系統(tǒng)內(nèi)部硐室相互交岔呈“井”字型布置，硐室群中最大斷面尺寸可達(dá)104.3 m，且硐室間距范圍15.0～41.0 m。研究表明，硐室群銳角交岔區(qū)域圍巖受疊加應(yīng)力影響最為明顯，變形破壞程度最為劇烈。因此，選取篩分破碎硐室與煤泥水處理硐室組成的銳角交岔區(qū)域(區(qū)域C)為研究對(duì)象，對(duì)硐室群圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行判定。產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)硐室和排矸硐室作用在交岔區(qū)域疊加應(yīng)力為

(14)

其中，，分別為產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)硐室、排矸硐室塑性區(qū)半徑，m；1，2分別為產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)硐室、排矸硐室與區(qū)域C的最小距離，m；，分別為產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)硐室、排矸硐室塑性區(qū)作用于彈性區(qū)的徑向應(yīng)力，MPa。根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)、地應(yīng)力測(cè)量及微震數(shù)據(jù)篩結(jié)果，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行取值(表4)。

表4 現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)選取[45]

實(shí)例計(jì)算結(jié)果如圖10所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外界動(dòng)載為0～2.0 MPa時(shí)，區(qū)域C整體保持穩(wěn)定。隨著外界動(dòng)載強(qiáng)度增加，圍巖開始發(fā)生連鎖破壞失穩(wěn)。當(dāng)動(dòng)載強(qiáng)度為2.0～4.4 MPa時(shí)，圍巖處于緩變失穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)動(dòng)載強(qiáng)度增至4.4～5.0 MPa時(shí)，圍巖處于加速失穩(wěn)狀態(tài)。因此，需要通過(guò)施加合理的支護(hù)手段，提高圍巖的抗震吸能特性，以保證硐室群整體長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖10 區(qū)域C應(yīng)力及能量擬合曲線[45]Fig.10 Fitting curves of stress and energy at C-intersection[45]

2.3 硐室群圍巖變形破壞數(shù)值模擬分析

..工程條件

選取新巨龍煤矸分選硐室群位于井下-800 m水平北區(qū)運(yùn)輸大巷、一采回風(fēng)上山與1301采區(qū)所圍成的三角區(qū)域。硐室群位于煤層上方，圍巖以粉砂巖和細(xì)砂巖為主，穩(wěn)定性較好。為了更好地對(duì)巖體的力學(xué)特性進(jìn)行可靠評(píng)估，利用RLJW-2000微機(jī)控制巖石伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)，獲得了各巖層力學(xué)參數(shù)，見表5。采用自主研發(fā)的RBHST-50型水壓致裂原位測(cè)試系統(tǒng)開展地應(yīng)力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)圍巖所受垂直應(yīng)力為16.17 MPa，最大水平主應(yīng)力為10.09 MPa。

表5 煤巖力學(xué)參數(shù)[49]

利用KJ551微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)-800 m水平的23063工作面微震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)煤層上方0～100 m內(nèi)的微震事件發(fā)生頻繁，沖擊動(dòng)載幅值范圍2.0～5.0 MPa，頻率范圍10～160 Hz。通過(guò)對(duì)JYT-G12井下排矸跳汰機(jī)空載和滿載狀態(tài)下的載荷計(jì)算，發(fā)現(xiàn)循環(huán)動(dòng)載強(qiáng)度范圍為1.30～3.38 MPa。

..硐室群圍巖變形破壞規(guī)律

“深部”+“超大斷面”+“密集硐室群”復(fù)雜條件下圍巖變形破壞尤為嚴(yán)重，控制難度極大，如圖11，12所示。靜載條件下，隨著硐室間距減小，平行硐室圍巖變形破壞程度逐漸增大并最終整體破壞失穩(wěn)，臨界硐室間距為2倍硐室寬度。在強(qiáng)度2.0 MPa、頻率20 Hz的動(dòng)載下，平行硐室受到疊加應(yīng)力和動(dòng)載擾動(dòng)的雙重影響，圍巖變形破壞程度進(jìn)一步加劇。硐室間錨固圍巖應(yīng)力大幅上升，疊加應(yīng)力由弱變強(qiáng)，塑性破壞程度加劇，導(dǎo)致塑性破壞區(qū)開始在幫部和頂板位置相互連通，直至最后全部貫通，臨界間距增至2.5倍硐室寬度。隨著動(dòng)載幅值增大，硐室圍巖響應(yīng)增強(qiáng)。動(dòng)載幅值為2.5～4.4 MPa時(shí)，硐室應(yīng)力及變形破壞程度緩慢增加；幅值為4.5～5.0 MPa時(shí)，硐室間圍巖應(yīng)力劇烈增大，圍巖破壞程度加劇并在幫部和頂板處逐漸貫通，平行硐室在動(dòng)載擾動(dòng)作用下發(fā)生破壞失穩(wěn)。

圖11 不同間距下雙硐圍巖應(yīng)力分布[49]Fig.11 Stress distribution of double chambers under different spacing[49]

圖12 雙硐圍巖變形特征Fig.12 Deformation characteristics of double chambers

對(duì)新巨龍煤礦煤矸分選硐室進(jìn)行數(shù)值模擬獲得了圍巖變形、應(yīng)力及破裂演化規(guī)律，如圖13所示。硐室群密集布置使得疊加應(yīng)力程度顯著增大，且越靠近交岔中心應(yīng)力疊加作用越顯著，破壞越劇烈。分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硐室交岔角度與應(yīng)力集中程度和圍巖破壞深度呈負(fù)相關(guān)，即交岔角度越小，圍巖相互作用越明顯，應(yīng)力疊加程度越高，圍巖變形破壞程度越劇烈。對(duì)比可知，銳角交岔處峰值應(yīng)力分別比直角和鈍角交岔處高11.3%，20.3%，破壞深度比直角和鈍角分別深23.8%和78.0%。由于高應(yīng)力集中區(qū)對(duì)外界擾動(dòng)敏感度更高，更易引發(fā)圍巖破壞甚至失穩(wěn)。因此，對(duì)于硐室群最危險(xiǎn)狀況進(jìn)行穩(wěn)定性判識(shí)，即以銳角交岔區(qū)域的應(yīng)力及破壞失穩(wěn)狀態(tài)判識(shí)，便可滿足硐室群連鎖失穩(wěn)判識(shí)要求。

圖13 動(dòng)靜組合下深部超大斷面硐室群數(shù)值模擬Fig.13 Numerical simulation of deep super-large section chamber group under dynamic and static combined loading condition

3 深部超大斷面硐室群圍巖控制方法

3.1 錨固承載結(jié)構(gòu)協(xié)同支護(hù)機(jī)理

錨桿作為一種常用的支護(hù)手段被廣泛應(yīng)用于隧道、采場(chǎng)等地下巷道及硐室穩(wěn)定性控制中。研究表明，動(dòng)靜載組合條件下錨固圍巖損傷破壞在深部硐室圍巖失穩(wěn)中占比很大。探究加錨巖石的錨固效能，分析受動(dòng)載對(duì)錨固結(jié)構(gòu)影響，具有現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，將錨固巖石抵抗動(dòng)載過(guò)程分為3個(gè)階段(圖14)：協(xié)同變形階段、不協(xié)同變形階段和失效階段。

在協(xié)同變形階段，加錨巖石保持相對(duì)完整，錨桿與巖體側(cè)向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)。隨著應(yīng)力波持續(xù)加載，錨固巖體進(jìn)入不協(xié)同變形階段，錨桿/錨固劑和錨固劑/巖石界面開始滑移，并在加載過(guò)程中2者的不同步愈發(fā)明顯，錨固巖石的完整性降低但仍能發(fā)揮其錨固作用。進(jìn)入失效階段后，裂隙迅速發(fā)育擴(kuò)展，錨桿在“斷崖式”應(yīng)變降低后完全喪失作用。為了定量描述錨固巖體在動(dòng)載下的支護(hù)效能，將錨固巖石中錨桿失效前發(fā)揮的效用稱為抗沖時(shí)效?？箾_時(shí)效越大，錨固巖體抵抗動(dòng)載能力越強(qiáng)，越不易發(fā)生破壞失穩(wěn)。

3.2 硐室群圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定性遞進(jìn)式加固技術(shù)

..新型支護(hù)材料及裝備研發(fā)

(1)新型高強(qiáng)超塑吸能材料。對(duì)TWIP鋼進(jìn)行擴(kuò)散焊工藝和熱軋-溫軋法處理，制備了新型高強(qiáng)超塑吸能材料。利用金相顯微鏡、電子探針、顯微硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)等對(duì)該材料進(jìn)行組織、成分與力學(xué)性能分析(圖15)。發(fā)現(xiàn)加工后的TWIP鋼側(cè)存在大量的機(jī)械孿晶，軋制變形帶明顯，LC鋼側(cè)晶粒沿軋制方向發(fā)生變形，形成形變織構(gòu)。顯微硬度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，軋制后復(fù)合材料內(nèi)部位錯(cuò)增殖，密度增加，位錯(cuò)纏結(jié)到一起導(dǎo)致拉伸時(shí)形成位錯(cuò)交割，產(chǎn)生割階阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使材料強(qiáng)度增加。根據(jù)室溫下應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，TWIP鋼和復(fù)合材料板材在整個(gè)拉伸過(guò)程中彈性變形階段明顯，沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象。經(jīng)山東省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站測(cè)試，TWIP鋼的抗拉強(qiáng)度為1 052 MPa，延伸率達(dá)70%，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特性。

圖14 錨桿與巖石徑向應(yīng)變特征[50]Fig.14 Radial strain characteristics of bolt and rock mass[50]

圖15 新型高強(qiáng)超塑吸能支護(hù)材料研發(fā)[51-52]Fig.15 Invention high-strength super-plastic energy-absorbing support materials[51-52]

(2)新型高強(qiáng)拉壓耦合錨索。為了有效控制深部超大斷面硐室圍巖變形和破壞，采用新型高強(qiáng)超塑吸能材料研制了一種用于圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定的高強(qiáng)拉壓耦合錨索，如圖16所示，該錨索由中空注漿錨索索體、多個(gè)注漿裝置和吸能錨頭等結(jié)構(gòu)組成。利用注漿裝置將錨索分成若干拉力段和壓力段，有效消除了應(yīng)力集中現(xiàn)象，極大地提高了錨索的錨固效力，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)圍巖變形能向注漿漿液壓力能的轉(zhuǎn)化，起到了逐級(jí)自動(dòng)“讓壓”的作用。利用表面螺紋吸能錨頭，在提供較大的支護(hù)阻力的同時(shí)，通過(guò)錨頭內(nèi)部高強(qiáng)彈簧的壓縮，可將圍巖的變形能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能，從而起到“吸能”的作用。該錨索各部件固定緊密可靠，極大提高了注漿錨索的錨固效力，有效改善了被錨固體的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)泰安市華新工程質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)新型錨索的抗拉強(qiáng)度、最大阻力等指標(biāo)參數(shù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)新型錨索的強(qiáng)度大于1 500 MPa，最大阻力為749～753 kN。

圖16 高強(qiáng)拉壓耦合錨索示意[53]Fig.16 Structure of high strength tension-compression coupling cable[53]

..硐室群遞進(jìn)式支護(hù)設(shè)計(jì)

煤礦深部超大斷面硐室圍巖的流變效應(yīng)是影響其長(zhǎng)期穩(wěn)定性的重要因素，尤其是在外界動(dòng)載擾動(dòng)下，將引發(fā)圍巖加速蠕變最終導(dǎo)致硐室發(fā)生破壞失穩(wěn)。為實(shí)現(xiàn)深部硐室圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定性控制，需從圍巖蠕變特性及其控制角度出發(fā)，降低峰后圍巖應(yīng)力松弛率，限制其強(qiáng)度弱化影響，實(shí)現(xiàn)硐室群圍巖低速穩(wěn)定蠕變。定義深部硐室群支護(hù)安全系數(shù)為

=

(15)

其中，為圍巖蠕變峰值強(qiáng)度，MPa；為圍巖蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度，MPa。對(duì)于支護(hù)安全系數(shù)可通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)獲得。如對(duì)于新巨龍煤礦硐室，根據(jù)如前所述的蠕變?cè)囼?yàn)，支護(hù)安全系數(shù)可取1.5。

科學(xué)的支護(hù)設(shè)計(jì)是保障深部超大斷面硐室群穩(wěn)定性的關(guān)鍵。為此，提出了一種硐室群圍巖遞進(jìn)式支護(hù)設(shè)計(jì)方法(圖17)，即：在分析圍巖應(yīng)力及能量動(dòng)態(tài)演化特征的基礎(chǔ)上，基于錨固承載結(jié)構(gòu)協(xié)同支護(hù)機(jī)理，考慮抗沖時(shí)效，對(duì)不同載荷特征下硐室群圍巖錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行判別(表6)，并據(jù)此選擇與之相適應(yīng)的支護(hù)等級(jí)，包括常規(guī)支護(hù)、抗震支護(hù)和超高強(qiáng)協(xié)同支護(hù)。根據(jù)硐室圍巖變形對(duì)深部超大斷面硐室群錨固結(jié)構(gòu)遞進(jìn)式支護(hù)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要通過(guò)硐室圍巖收縮率對(duì)當(dāng)前支護(hù)等級(jí)進(jìn)行評(píng)判，當(dāng)硐室圍巖收縮率超過(guò)當(dāng)前遞進(jìn)式支護(hù)方式所限定的范圍時(shí)，將及時(shí)提高遞進(jìn)式支護(hù)等級(jí)。最后，考慮支護(hù)安全系數(shù)確定深部錨固圍巖支護(hù)參數(shù)。不同支護(hù)等級(jí)所允許的圍巖收縮率范圍為：常規(guī)支護(hù)<5.5%，抗震支護(hù)5.5%～7.0%，超高強(qiáng)協(xié)同支護(hù)>7.0%。

圖17 硐室群遞進(jìn)式支護(hù)設(shè)計(jì)方法Fig.17 Design method of progressive reinforcement technology for chamber group

表6 判別指標(biāo)

選用抗震支護(hù)等級(jí)對(duì)新巨龍煤礦煤矸分選硐室群4個(gè)主要硐室圍巖進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。各硐室均采用22 mm×2 500 mm高強(qiáng)吸能錨桿，托盤選用200 mm×200 mm×10 mm的碟形高凸調(diào)角托盤。錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，圍巖破碎時(shí)可調(diào)整為800 mm×800 mm。頂板錨桿采用快速安裝工藝，每根錨桿分別配備1支MSCK2835型錨固劑與1支MSM2350型樹脂錨固劑，兩幫每根錨桿配備2支MSZ2850型樹脂錨固劑進(jìn)行錨固。錨索選用22 mm×6 300 mm高強(qiáng)拉壓耦合錨索，各硐室頂板均布置5根錨索，且中間錨索均位于頂板中心，兩側(cè)錨索距中間錨索1 800～1 850 mm。兩幫錨索支護(hù)從頂板向下1 080～1 300 mm施工第1根，間隔2 000～3 000 mm施工第2根，單面立幫布置2排且排距均為3 000 mm。部分主要硐室支護(hù)斷面如圖18所示，支護(hù)參數(shù)見表7。

圖18 新巨龍煤礦煤矸分選硐室群部分硐室支護(hù)斷面Fig.18 Support sections of partial chambers in coal gangue separation chamber group in Xinjulong Coal Mine

表7 支護(hù)參數(shù)確定

續(xù)表

4 超大斷面硐室群圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

4.1 圍巖監(jiān)測(cè)指標(biāo)與預(yù)警閾值

采用多參量權(quán)重分析法(圖19)，綜合考慮錨桿/索受力監(jiān)測(cè)、圍巖深部位移及表面位移指標(biāo)。

圖19 多參量權(quán)重分析法Fig.19 Multi-parameter weight analysis

利用權(quán)重分析法獲得了硐室圍巖動(dòng)態(tài)演化綜合預(yù)警閾值為

=++

(16)

其中，為錨桿/錨索受力危險(xiǎn)指數(shù)(表8)；為深部位移危險(xiǎn)指數(shù)(表9)；為硐室表面位移危險(xiǎn)指數(shù)(表10)；為錨桿/錨索受力指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；為深部位移指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；為硐室表面位移指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。各危險(xiǎn)性指數(shù)的權(quán)重系數(shù)按照圍巖變形失穩(wěn)的先后順序遞減取值，且存在++=1(表11)。

表8 錨桿/索受力危險(xiǎn)性指數(shù)

表9 圍巖深部位移危險(xiǎn)性指數(shù)

表10 圍巖表面位移危險(xiǎn)性指數(shù)

表11 指標(biāo)權(quán)重

4.2 圍巖失穩(wěn)智能化預(yù)警平臺(tái)

深部煤礦井下高溫高濕環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)儀器提出了新的更高要求，研發(fā)了耐銹蝕、抗干擾、長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性高的傳感器及光纖傳輸技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，搭建了超大斷面硐室群圍巖長(zhǎng)時(shí)變形失穩(wěn)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)(圖20)。該平臺(tái)由錨桿/錨索受力監(jiān)測(cè)、圍巖深部位移監(jiān)測(cè)及表面位移監(jiān)測(cè)3個(gè)子系統(tǒng)組成，功能模塊主要包括：傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線收發(fā)模塊等。

井上計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示硐室監(jiān)測(cè)參數(shù)、云圖和直方圖，出現(xiàn)異?？蓪?shí)時(shí)報(bào)警。井下傳感器均采用無(wú)線傳輸方式，可實(shí)現(xiàn)傳感器之間及傳感器與分站之間的無(wú)線自組網(wǎng)通信。圍巖失穩(wěn)智能化預(yù)警平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)硐室群圍巖的長(zhǎng)時(shí)、有效監(jiān)測(cè)，同時(shí)具有歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄等分類查詢功能，可自動(dòng)生成在線監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)表，并將數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)共享。

4.3 新巨龍煤礦硐室群穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)分析

..監(jiān)測(cè)方案

對(duì)煤矸分選硐室群進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤調(diào)查。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體工況，在硐室群中布置3個(gè)測(cè)站(1,2,3)，分別位于產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)硐室、排矸硐室和篩分破碎硐室，且均距交岔點(diǎn)5.0 m處，用于對(duì)硐室圍巖變形及破壞情況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，測(cè)站位置如圖21所示。

..圍巖變形情況

(1)表面變形。通過(guò)跟蹤監(jiān)測(cè)煤矸分選硐室群3個(gè)測(cè)站，獲得硐室圍巖表面位移變化曲線，如圖22所示。發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，硐室圍巖表面整體緩慢增長(zhǎng)并最終趨于穩(wěn)定，且頂?shù)装迨諗糠让黠@大于兩幫。

相較于3號(hào)測(cè)站，1號(hào)測(cè)站處頂?shù)装逡平吭黾?2.6%，兩幫移近量增加29.4%；2號(hào)測(cè)站處頂?shù)装逡平吭黾?2.5%，兩幫移近量增加100%?？梢钥闯?，2號(hào)測(cè)站處圍巖表面變形量明顯大于1號(hào)測(cè)站和3號(hào)測(cè)站，1號(hào)測(cè)站處圍巖表面變形大于3號(hào)測(cè)站。

圖20 超大斷面硐室群圍巖失穩(wěn)智能化預(yù)警平臺(tái)組成[54]Fig.20 Composition of intelligent early warning platform for long-term deformation and instability of super-large section chamber group[54]

圖21 硐室群測(cè)站布置Fig.21 Layout of measuring stations in the chamber group

硐室群斷面收縮率為

(16)

其中，為原硐室斷面面積，m；為硐室變形后斷面面積，m。將硐室圍巖表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果代入式(16)，可得各硐室斷面收縮率，見表12?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明硐室圍巖整體保持穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，硐室群圍巖最大收縮率在篩分破碎轉(zhuǎn)運(yùn)硐室，為6.2%。

圖22 硐室表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果[45]Fig.22 Monitoring results of surface displacement[45]

表12 各硐室斷面收縮率

(2)深部位移。3組測(cè)點(diǎn)中，2號(hào)測(cè)點(diǎn)變形最大，故筆者選取2號(hào)測(cè)站進(jìn)行分析，結(jié)果如圖23所示，表明圍巖深部位移在緩慢增長(zhǎng)后逐漸趨于穩(wěn)定。2號(hào)測(cè)站處頂板、左幫及右?guī)偷纳畈肯鄬?duì)位移分別為18，10，7 mm。由于巖層深部位移是導(dǎo)致離層的直接因素，因此排矸硐室發(fā)生頂板離層的危險(xiǎn)性較高。但通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，硐室群圍巖深部相對(duì)位移量較小，圍巖整體處于長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖23 圍巖深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果(以2號(hào)測(cè)站為例)Fig.23 Monitoring results of deep displacement (No.2 station)

..圍巖破壞發(fā)育情況

根據(jù)鉆孔成像軌跡檢測(cè)裝置探測(cè)的圍巖裂隙特征，基于YOLO v4圖像識(shí)別算法，提出了一種鉆孔裂隙自動(dòng)識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了圍巖裂隙、離層等的在線監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)提取。

如圖24所示，YOLO v4算法采用CNN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)end-to-end目標(biāo)檢測(cè)。首先將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息以圖片的形式傳送至CNN網(wǎng)絡(luò)，之后通過(guò)IOU(交并比)的方法實(shí)現(xiàn)邊界框的確定和置信度計(jì)算，提取卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征，最后處理預(yù)測(cè)結(jié)果得到檢測(cè)目標(biāo)。該方法能實(shí)現(xiàn)裂隙坐標(biāo)位置與裂隙率自動(dòng)生成，并計(jì)算裂隙數(shù)量和裂隙分布面積，可用于反演硐室圍巖松動(dòng)圈發(fā)育特征及范圍。

圖24 YOLO v4檢測(cè)過(guò)程Fig.24 YOLO v4 detection process

采用上述方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視結(jié)果進(jìn)行整理(圖25)，發(fā)現(xiàn)煤矸分選系統(tǒng)硐室群圍巖松動(dòng)圈范圍在1.0～1.5 m，其中1號(hào)測(cè)站處圍巖松動(dòng)圈范圍0.8～1.5 m，幫部松動(dòng)區(qū)域范圍明顯大于頂板；2號(hào)測(cè)站處圍巖松動(dòng)圈范圍1.2～1.5 m，左幫松動(dòng)區(qū)域范圍相對(duì)較大；3號(hào)測(cè)站處圍巖松動(dòng)圈約為1.0 m，整體較穩(wěn)定。因此可確定，在硐室群中篩分破碎硐室圍巖較完整，而排矸硐室圍巖完整性較差，圍巖裂隙較多。

..錨桿/錨索受力狀況

錨桿/錨索測(cè)力計(jì)部分監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖26所示。硐室群頂板及幫部的錨桿/錨索受力均隨著時(shí)間的增加緩慢增長(zhǎng)，并最終保持不變。通過(guò)對(duì)比可知，2號(hào)測(cè)站錨桿/錨索受力增量整體較大。說(shuō)明相對(duì)于排矸硐室，篩分破碎硐室和產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)硐室整體變形量更小，圍巖更加完整穩(wěn)定。另外，硐室群圍巖錨桿/錨索受力增量整體較小，反映出圍巖變形破壞得到了有效控制，取得了較好的支護(hù)效果。

圖25 部分鉆孔探測(cè)結(jié)果Fig.25 Partial borehole detection results

圖26 硐室頂板錨桿/錨索監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.26 Monitoring results of roof bolt/cable

..控制效果

通過(guò)對(duì)圍巖變形破壞和錨桿/錨索受力情況的監(jiān)測(cè)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)新巨龍煤礦煤矸分選硐室群在使用期間整體保持完整穩(wěn)定，如圖27所示，預(yù)警平臺(tái)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)顯示安全，無(wú)異常情況發(fā)生。綜上，現(xiàn)有支護(hù)措施在現(xiàn)場(chǎng)取得了成功應(yīng)用且圍巖控制效果良好，有效保證了硐室群的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖27 現(xiàn)場(chǎng)硐室宏觀效果[49]Fig.27 Field application of chambers[49]

5 結(jié) 論

(1)綜合硐室失穩(wěn)臨界埋深、斷面面積、圍巖綜合抗壓強(qiáng)度和圍巖綜合完整性系數(shù)等主要影響因素，建立了基于模糊綜合聚類分析的煤礦硐室地質(zhì)力學(xué)等效分類方法，將煤礦硐室分為超小、小、中等、大和超大共5類，通過(guò)判識(shí)發(fā)現(xiàn)新巨龍煤矸分選硐室群屬于超大斷面硐室群。

(2)揭示了深部巖石蠕變變形特征、脆-延轉(zhuǎn)化破裂機(jī)制及其強(qiáng)度演化規(guī)律，獲得了深部巖石在沖擊和循環(huán)動(dòng)載下的動(dòng)態(tài)破壞力學(xué)行為特征，構(gòu)建了考慮密實(shí)系數(shù)的深部巖石損傷本構(gòu)關(guān)系，較好地表征了深部動(dòng)靜組合加載下巖石蠕變損傷力學(xué)行為。

(3)基于深部硐室圍巖典型載荷特征，構(gòu)建了深部超大斷面硐室群失穩(wěn)力學(xué)模型，獲得了硐室群圍巖連鎖失穩(wěn)力學(xué)及能量判據(jù)，揭示了復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下雙硐及硐室群圍巖變形破壞演化規(guī)律。對(duì)硐室群中最易發(fā)生失穩(wěn)的區(qū)域進(jìn)行判識(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外界動(dòng)載超過(guò)2.0 MPa時(shí)，硐室群存在連鎖破壞失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，需通過(guò)合理支護(hù)手段，提高圍巖的抗震吸能特性。

(4)獲得了錨固承載結(jié)構(gòu)協(xié)同支護(hù)機(jī)理，并提出錨固巖石抗沖時(shí)效概念。研發(fā)了具有超塑性能特性的新型高強(qiáng)支護(hù)材料以及高強(qiáng)拉壓耦合錨索?；陂L(zhǎng)期安全穩(wěn)定性，構(gòu)建了深部硐室群圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定性遞進(jìn)式加固技術(shù)體系及分步設(shè)計(jì)方法，確定了新巨龍煤礦煤矸分選硐室群錨固圍巖支護(hù)參數(shù)。

(5)采用多參量權(quán)重分析法，綜合考慮錨桿/錨索受力、圍巖深部位移及表面位移，提出了圍巖綜合監(jiān)測(cè)方法及預(yù)警閾值，搭建了超大斷面硐室群圍巖長(zhǎng)時(shí)變形失穩(wěn)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)。通過(guò)對(duì)新巨龍煤礦煤矸分選硐室群圍巖的長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)硐室斷面最大收縮率約6.2%，松動(dòng)圈發(fā)育范圍1.0～1.5 m，硐室群在使用期間保持整體穩(wěn)定。

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