深部巷道支護(hù)控制技術(shù)研究

馬錦輝，董葉茂

（北京礦冶研究總院，北京100160）

深部巷道支護(hù)控制技術(shù)研究

馬錦輝，董葉茂

（北京礦冶研究總院，北京100160）

針對(duì)深部巷道圍巖的變形破壞特點(diǎn)，分析了巷道圍巖變形破壞機(jī)理和巷道穩(wěn)定性特點(diǎn)，提出了巷道圍巖的控制技術(shù)。利用ANSYS10.0軟件對(duì)巷道開(kāi)挖支護(hù)前后的圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。模擬結(jié)果表明，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)下，x方向兩幫圍巖應(yīng)力集中得到有效控制，拉應(yīng)力消失；y方向拱頂和底板的拉應(yīng)力也明顯減弱，拉裂破壞得到有效控制。錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)可有效控制巷道變形，支護(hù)效果良好。也為減少深部巷道支護(hù)成本、提高深部巷道支護(hù)效率提供了參考。

巷道；錨桿；數(shù)值模擬；協(xié)同支護(hù)；圍巖控制

隨著礦產(chǎn)資源開(kāi)采深度的不斷加深，高地應(yīng)力成為影響井巷工程的主導(dǎo)因素。深部高地應(yīng)力環(huán)境下，巷道變形破壞嚴(yán)重，易發(fā)生底鼓、塌方等嚴(yán)重問(wèn)題，嚴(yán)重影響巷道穩(wěn)定性和施工安全［1－2］。傳統(tǒng)淺層巷道支護(hù)理論和控制技術(shù)很難解決深部巷道圍巖支護(hù)問(wèn)題。

本文分析提出錨桿、錨索強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)來(lái)控制巷道變形破壞，并對(duì)此進(jìn)行了研究。

1 圍巖應(yīng)力狀態(tài)

為了研究巷道圍巖的穩(wěn)定性，首先對(duì)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。在巷道開(kāi)挖前，圍巖三向受力，處于平衡狀態(tài)的高地應(yīng)力環(huán)境中。巷道圍巖開(kāi)挖之后，原始的平衡狀態(tài)被打破。巷道開(kāi)挖使近巷圍巖的徑向應(yīng)力σr（＝σ3）趨于零，圍巖受力變?yōu)榻频亩蚴芰?，圍巖力學(xué)效應(yīng)主要為：

1）隨著巷道的開(kāi)挖，近巷圍巖發(fā)生破裂，碎脹變形使地應(yīng)力得到一定程度的釋放。

2）另外，另一部分沒(méi)有得到釋放的地應(yīng)力則向深部圍巖轉(zhuǎn)移，在轉(zhuǎn)移過(guò)程中應(yīng)力得到重新調(diào)整，局部地區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力重新調(diào)整是為了達(dá)到與開(kāi)挖后的環(huán)境相適應(yīng)的新平衡。

巷道開(kāi)挖引起近巷圍巖近似處于二向受力狀態(tài)，圍巖的切向應(yīng)力σθ（＝σ1）增大。圍巖壓力由于破裂圍巖的碎脹變形而得到一定程度的釋放，這使近巷圍巖處于低圍壓的狀態(tài)。但是圍巖開(kāi)挖后，切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力的差值變大，即應(yīng)力差（σ1－σ3）變大［1，3］。可見(jiàn)，比較圍巖開(kāi)挖前后的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖后圍巖仍處于高地應(yīng)力的環(huán)境中，但圍巖壓力的釋放使開(kāi)挖巷道圍巖處于低圍壓和高應(yīng)力差的狀態(tài)。

2 圍巖變形破壞機(jī)理

對(duì)圍巖狀態(tài)的分析可知，巷道圍巖的變形與開(kāi)挖前的地應(yīng)力環(huán)境、開(kāi)挖后的低圍壓應(yīng)力狀態(tài)和較高的應(yīng)力差密切相關(guān)。深部圍巖處于高地應(yīng)力環(huán)境，所以巷道開(kāi)挖，近巷圍巖將產(chǎn)生地應(yīng)力釋放現(xiàn)象，引起巷道圍巖的變形和應(yīng)力重新分布。巷道開(kāi)挖使近巷圍巖的徑向應(yīng)力減小，這相當(dāng)于在開(kāi)挖前的原始狀態(tài)下疊加反向的拉應(yīng)力，這將使圍巖強(qiáng)度降低，巖體沿破裂面發(fā)生滑移，引起圍巖變形擴(kuò)容［4－6］。

地應(yīng)力的釋放引起圍巖變形和應(yīng)力重新分布，巖體因變形發(fā)生破裂，裂隙擴(kuò)展延伸引起圍巖擴(kuò)容。圍巖強(qiáng)度明顯降低，裂隙在滲流水的作用下進(jìn)一步削弱了圍巖強(qiáng)度，加劇了圍巖變形破壞，使圍巖產(chǎn)生較大的收斂位移，如拱頂下沉、巷道底板隆起等。圍巖位移的不斷增大最終導(dǎo)致巷道失穩(wěn)，造成兩幫張裂、拱頂圍巖剪裂、底板大幅隆起。尤以頂板和底角位置的破壞最嚴(yán)重。

3 巷道圍巖控制原則

巷道支護(hù)過(guò)程中要充分利用支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作用的原理，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力［1，7］。這就要求在巷道支護(hù)過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)參數(shù)要考慮巷道圍巖的變形特點(diǎn)，施工工藝合理規(guī)范，最大限度地發(fā)揮圍巖的自身承載能力，維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性。針對(duì)高地應(yīng)力現(xiàn)象，在實(shí)際施工中要注意讓壓卸載，釋放部分應(yīng)力，通過(guò)錨桿支護(hù)的變形讓壓，維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。

1）維護(hù)和保持圍巖的殘余強(qiáng)度。開(kāi)巷后應(yīng)及時(shí)噴射混凝土以封閉巖面。噴射混凝土可及時(shí)封閉圍巖，防止圍巖風(fēng)化和水的危害，避免圍巖強(qiáng)度的損失；同時(shí)可以充填空洞、裂隙，改善圍巖的松散破碎狀態(tài)，提高圍巖殘余強(qiáng)度。

2）提高圍巖殘余強(qiáng)度。利用錨桿支護(hù)來(lái)提高圍巖的殘余強(qiáng)度，通過(guò)錨桿將破碎圍巖擠密壓實(shí)，錨固到深部穩(wěn)定層；另外，通過(guò)注漿錨桿對(duì)破碎圍巖范圍進(jìn)行注漿充填，提高破碎圍巖的整體性，提高巖體強(qiáng)度，提高圍巖的自穩(wěn)能力。

3）充分發(fā)揮圍巖承載能力。應(yīng)采用可縮性支護(hù)，如錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿的延伸可允許巷道發(fā)生一定的變形，充分利用圍巖的自身承載能力。

4 巷道圍巖控制技術(shù)

4.1 錨桿強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)

錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)通過(guò)錨桿的作用把破碎的巖體組合起來(lái)形成組合拱或組合梁，提高圍巖的支撐能力，達(dá)到增加穩(wěn)定性的作用。

巷道開(kāi)挖后，圍巖發(fā)生結(jié)構(gòu)變形和巖層松動(dòng)擴(kuò)容變形。結(jié)構(gòu)變形約占30%，可通過(guò)錨桿等支護(hù)措施有效控制。而擴(kuò)容變形支護(hù)較困難，易造成圍巖破裂。

圖1 擴(kuò)容變形與初始支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.1 The relation between expansion deformation and initial support strength

如圖1，錨桿的初始支護(hù)強(qiáng)度對(duì)巷道圍巖的擴(kuò)容變形有影響。初始支護(hù)強(qiáng)度越大，擴(kuò)容變形越小，當(dāng)預(yù)應(yīng)力初值超過(guò)0.3MPa時(shí)，擴(kuò)容變形基本無(wú)變化。理想的0.3MPa實(shí)現(xiàn)成本較大，施工復(fù)雜，一般在0.1～0.3MPa的支護(hù)強(qiáng)度下就可有效控制圍巖的擴(kuò)容變形。

圖2 支護(hù)阻力與圍巖變形關(guān)系Fig.2 The relation between supporting resistance and rock deformation

另外，由圖2中曲線(xiàn)3可知，錨桿安裝時(shí)間較晚時(shí)，大部分圍巖破裂松動(dòng)，變形壓力已釋放，錨桿工作荷載不會(huì)太大，支護(hù)作用不能有效發(fā)揮。曲線(xiàn)2，U型鋼支護(hù)在圍巖未充分變形前根本不起作用；曲線(xiàn)1錨桿支護(hù)，支護(hù)及時(shí)，有效控制了圍巖變形。

4.2 錨索強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)

通過(guò)錨索支護(hù)可實(shí)現(xiàn)懸吊和減跨的作用。

巷道的頂板來(lái)壓是圍巖的彈塑性變形產(chǎn)生的壓力和破碎圍巖范圍內(nèi)的巖層重量之和。如圖3，曲線(xiàn)1表示頂板圍巖的彈塑性變形產(chǎn)生的壓力與頂板變形位移量之間的關(guān)系曲線(xiàn)。曲線(xiàn)2表示頂板破碎范圍內(nèi)圍巖重量與頂板變形位移量之間的關(guān)系曲線(xiàn)。曲線(xiàn)3表示頂板圍巖彈塑性變形產(chǎn)生的壓力與頂板破碎范圍內(nèi)圍巖重量之和與頂板變形位移量之間的關(guān)系曲線(xiàn)。不同剛度錨索a、b、c，其中a支護(hù)剛度最大，雖然頂板來(lái)壓會(huì)減小，但在發(fā)生較小變形時(shí)，錨索易發(fā)生讓壓現(xiàn)象；c支護(hù)剛度最小，但隨著頂板來(lái)壓的增大，變形不斷變大，錨索受力增大，支護(hù)阻力增加緩慢，易發(fā)生支護(hù)力不足而破壞；b支護(hù)剛度剛好，頂板變形增大時(shí)，錨索所受的壓力減小，承載力仍較大，未發(fā)生讓壓現(xiàn)象，能有效維護(hù)頂板的穩(wěn)定。

圖3 錨索支護(hù)阻力與頂板巖層變形量關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 The relation curve between anchor cable supporting resistance and roof rock deformation

可見(jiàn)，錨索的施工時(shí)機(jī)應(yīng)在頂板巖層發(fā)生離層破裂之前，盡量減少錨索承受頂板圍巖彈塑性變形產(chǎn)生的壓力。

4.3 巷道圍巖支護(hù)協(xié)同作用

1）錨桿（索）系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)同作用，各種構(gòu)配件的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高預(yù)緊力。

2）錨桿、錨索系統(tǒng)之間的協(xié)同作用

錨桿主要對(duì)近巷圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)靠近巷道形成一個(gè)環(huán)狀的承載結(jié)構(gòu)；開(kāi)挖初期圍巖變形快，采用錨桿及時(shí)支護(hù)可有效控制；錨桿錨固體將達(dá)到極限值時(shí)，圍巖剩余變形較小，此時(shí)施工錨索來(lái)加固錨固體；錨索將錨桿作用的承載結(jié)構(gòu)錨固到深部穩(wěn)定巖層中，使淺部破裂松散部分與深部穩(wěn)定圍巖聯(lián)系到一起，形成有效的支護(hù)整體［8－9］。

另外，錨桿與錨索預(yù)應(yīng)力協(xié)調(diào)極為重要。錨桿錨索預(yù)緊力有一個(gè)合理的匹配范圍，在錨桿預(yù)緊力40kN時(shí)，錨索施加120～160kN預(yù)緊力時(shí)巷道支護(hù)效果差別不大。而錨桿預(yù)緊力/錨索預(yù)緊力在60/140kN的協(xié)同下明顯優(yōu)于40/140kN和20/140kN?？梢?jiàn)，在錨索預(yù)緊力一定時(shí)，應(yīng)盡量提高錨桿的預(yù)緊力，減小錨索所受的圍巖變形壓力。

5 巷道圍巖控制技術(shù)數(shù)值模擬

本文采用ANSYS10.0進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，本構(gòu)模型采用D－P屈服準(zhǔn)則［10－12］，模型考慮材料屈服引起的體積膨脹，但不考慮溫度變化的影響。

模擬某礦軌道大巷，巷道截面為直墻半圓拱形，凈寬4.8m，墻高1.8m，拱半徑2.4m。模型計(jì)算寬×高為28.8m×25.2m。巷道支護(hù)采用2.5m錨桿，預(yù)應(yīng)力10MPa；7m錨索，預(yù)應(yīng)力30MPa。地應(yīng)力測(cè)試最大主應(yīng)力σ1＝28.7MPa，與巷道軸向夾角α為71.8°，這是礦井的主要水平應(yīng)力。本次計(jì)算采用平面應(yīng)變模型，不考慮中間主應(yīng)力σ2的影響，南翼軌道大巷埋深約500m，可得σ3＝γH＝13.5MPa。由此計(jì)算可知邊界條件為，σx＝σ1sinα＝27MPa，σy＝σ3＝13.5MPa，底部為位移邊界條件。

圖4 開(kāi)挖后未支護(hù)巷道y方向應(yīng)力Fig.4 The ydirection stress distribution of roadway after mined without supporting

模擬開(kāi)挖后未支護(hù)近巷圍巖的位移和應(yīng)力（如圖4），開(kāi)挖支護(hù)后近巷圍巖的位移和應(yīng)力（如圖5），開(kāi)挖支護(hù)前后巷道塑性分布區(qū)的變化。

圖5 開(kāi)挖支護(hù)后巷道y方向應(yīng)力Fig.5 The ydirection stress distribution of roadway after mined with supporting

通過(guò)模擬可知，巷道開(kāi)挖未支護(hù)情況下，水平巷道收斂值170mm左右，拱頂下沉值80mm左右；x方向應(yīng)力顯示巷道兩幫近巷圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，有x方向拉應(yīng)力；y方向應(yīng)力顯示巷道拱頂和底板近巷圍巖同樣發(fā)生應(yīng)力集中，有y方向拉應(yīng)力，圍巖發(fā)生拉裂破壞。而巷道開(kāi)挖后在錨桿錨索的聯(lián)合支護(hù)下，水平巷道收斂值為90mm左右，拱頂下沉值45mm左右；x方向應(yīng)力顯示兩幫近巷圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，x方向拉應(yīng)力現(xiàn)象消失；同樣，y方向應(yīng)力顯示拱頂和底板近巷圍巖的拉應(yīng)力現(xiàn)象也明顯減弱，拉裂破壞現(xiàn)象得到有效控制。

6 結(jié)論

1）開(kāi)挖后的工程巖體則處于高地應(yīng)力狀態(tài)下的低圍壓和高應(yīng)力差環(huán)境下。圍巖的變形和破壞特征是圍巖應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度共同決定的。

2）錨桿強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)和錨索強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)可以有效控制圍巖變形，防止巷道變形破壞。

3）支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)充分發(fā)揮協(xié)同作用，支護(hù)初期以錨桿柔性支護(hù)為主，后期以錨索懸吊作用為主，相互協(xié)調(diào)，提高支護(hù)效果。

4）通過(guò)數(shù)值模擬，驗(yàn)證了錨桿錨索強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)的有效性。

［1］何滿(mǎn)潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［2］周昌達(dá).井巷工程［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1994.

［3］靖洪文，郭志宏.軟巖巷道圍巖松動(dòng)圈變形機(jī)理及控制技術(shù)研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，28（6）：560－564.

［4］王其勝，李夕兵，李地元.深井軟巖巷道圍巖變形特征及支護(hù)參數(shù)的確定［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（4）：364－367.

［5］錢(qián)七虎.深部大型地下工程圍巖破壞特點(diǎn)及其施工設(shè)計(jì)對(duì)策［R］.武漢：中科院武漢巖體力學(xué)研究所，2006.

［6］李國(guó)富.高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞機(jī)理與控制技術(shù)研究［J］.礦山壓力與頂板管理，2003（2）：50－52.

［7］趙衛(wèi)東，張?jiān)倥d.噴錨網(wǎng)支護(hù)原理及應(yīng)用實(shí)踐［J］.有色金屬（礦山部分），2010，62（2）：17－19.

［8］劉紅崗，賀永年，韓立軍，等.大松動(dòng)圈圍巖錨注與預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的機(jī)理與實(shí)踐［J］.中國(guó)礦業(yè)，2007，16（1）：62－65.

［9］劉傳孝，王龍，劉志浩，等.軟巖硐室穩(wěn)定性的復(fù)合結(jié)構(gòu)柔性反底拱控制時(shí)效分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（8）：1464－1468.

［10］李樹(shù)清，王衛(wèi)軍，潘長(zhǎng)良.巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（3）：376－381.

［11］李鳳，張成良，張鵬強(qiáng).軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)方法研究［J］.有色金屬（礦山部分），2011，63（5）：36－39.

［12］謝文兵，陳曉祥，鄭百生.采礦工程問(wèn)題數(shù)值模擬研究與分析［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

Study on support technology of deep roadway

MA Jinhui，DONG Yemao
（Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China）

This paper，concerning the characteristic of cracking in deep rocks，analysis the cracked mechanism of roadway，get the main roadway character，and provide supporting method of the roadway.The wall rock stress，displacement and plastic zone of rock roadway before and after supporting are studied by using the software of ANSYS10.0.The simulation result shows that combined support by anchor can control the rock stress concentration effectively in the x direction and the tensile stress disappear.In the y direction，tensile stress of vault and floor decreased，drawing breakage has been controlled effectively.Roadway is effectively controlled，and satisfactory support effect is obtained.It also can provide some references for reducing the deep roadway support cost and improving the deep roadway support efficiency.

roadway；anchor；numerical simulation；synergetic supporting；rock control

TD353

Α

1671－4172（2015）02－0079－04

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.018

馬錦輝（1988－），男，助理工程師，碩士，巖土工程專(zhuān)業(yè)，主要從事井建設(shè)計(jì)與咨詢(xún)工作。