袁超，尹紅球，范磊，譚文慧

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 ,湖南 湘潭 411201；2.湖南煤業(yè)集團 嘉禾礦業(yè)有限公司,湖南 郴州 424500)

隨著煤炭資源開采向深部推進,地質(zhì)和力學(xué)環(huán)境越發(fā)復(fù)雜.在高應(yīng)力的作用下,深部巷道圍巖呈現(xiàn)出非連續(xù)、非協(xié)調(diào)大變形、大范圍失穩(wěn)破壞等一系列工程響應(yīng),深部巷道圍巖控制已成為采礦界的世界性難題.目前,國內(nèi)外專家學(xué)者對復(fù)雜條件下的巷道圍巖支護技術(shù)開展了大量的研究,取得了重要成果.展亞太等[1]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等手段,從構(gòu)造應(yīng)力大小和圍巖松動范圍等方面研究了褶曲構(gòu)造對巷道圍巖的影響,發(fā)現(xiàn)在一定程度的動力擾動下,巷道向斜段煤壁前方應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,變形和破壞程度最大,更易發(fā)生動壓災(zāi)害.趙國棟[2]研究了動壓巷道的礦壓顯現(xiàn)特征,提出采用主動支護+被動支護+圍巖改性相結(jié)合的動壓巷道圍巖控制技術(shù),巷道支護體結(jié)構(gòu)和強度在整體上得到調(diào)整,通過現(xiàn)場試驗取得了較好的支護效果.趙志強等[3]基于彈性力學(xué)理論模型,研究了圓形巷道圍巖的破壞特征,認為巷道圍巖塑性區(qū)具有圓形、橢圓形和蝶形3種基本形態(tài),并給出了各形態(tài)的界定標(biāo)準(zhǔn),探討了與蝶形塑性區(qū)理論相關(guān)的實際工程領(lǐng)域問題.謝生榮等[4]研究了沿空掘巷圍巖的偏應(yīng)力和塑性區(qū)的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著采高的增加,煤柱內(nèi)偏應(yīng)力峰值逐漸減小,而圍巖塑性區(qū)逐漸增大,實體煤內(nèi)偏應(yīng)力峰值帶和巷道圍巖塑性區(qū)均向右上側(cè)逐步擴展.陳登紅等[5]通過現(xiàn)場試驗,對淮南礦區(qū)7個深部礦井的地應(yīng)力數(shù)據(jù)進行分析,研究了巷道最優(yōu)布置方位與最大水平主應(yīng)力方向的夾角β在不同側(cè)壓力系數(shù)影響下的取值變化,發(fā)現(xiàn)從0°增加到12°,巷道幫、頂應(yīng)力差值對巷道圍巖變形的影響程度大幅降低.張淑坤等[6]研究了局部結(jié)構(gòu)面影響下的巷道圍巖力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)隨著結(jié)構(gòu)面傾角趨于60°,巖石試件的力學(xué)性質(zhì)(強度、剛度以及試件的穩(wěn)定性)受結(jié)構(gòu)面弱化區(qū)的影響越大.高云峰等[7]研究了緩傾斜煤層軟巖巷道的非對稱變形和破壞規(guī)律,提出采用錨(索)網(wǎng)等多種支護結(jié)構(gòu)的巷道聯(lián)合支護技術(shù),利用錨桿(索)將淺部破碎圍巖與深部堅硬圍巖相連接,在巷道頂板形成拱結(jié)構(gòu),同時配合錨網(wǎng)支護,保持巷道的穩(wěn)定.王衛(wèi)軍等[8]采用Kastner等相關(guān)理論,研究了深部高應(yīng)力巷道的圍巖變形規(guī)律,認為在深部巷道的支護過程中,存在目前支護水平所無法控制的圍巖“給定變形”,提出了考慮預(yù)留變形的新型支護技術(shù).韋四江等[9]發(fā)現(xiàn)巷道在穿越斷裂區(qū)域時會頻繁出現(xiàn)難以控制的現(xiàn)象,通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬等手段,研究了穿越斷層破碎帶巷道的圍巖應(yīng)力場、位移場以及塑性區(qū)分布規(guī)律,提出了采用主動支護與被動支護相聯(lián)合的支護技術(shù).魯巖[10]研究了在構(gòu)造應(yīng)力影響下巷道布置位置的選擇,發(fā)現(xiàn)巷道軸向與最大構(gòu)造應(yīng)力方向夾角α越大,圍巖的破碎程度越大,當(dāng)夾角α=0°時,巷道受構(gòu)造應(yīng)力的影響最小,當(dāng)夾角α=90°時,巷道穩(wěn)定性最差.李光等[11]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗,對金川礦區(qū)深部巷道采用的“雙層網(wǎng)錨噴+U型鋼拱架”聯(lián)合支護方案進行了評價和參數(shù)優(yōu)化.趙通等[12]研究了松軟破碎巷道的變形和破壞規(guī)律,發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境與巷道圍巖自身力學(xué)性質(zhì)是該巷道圍巖控制的主要影響因素,并在巷道圍巖耦合支護理論的基礎(chǔ)上,對原支護方案進行了參數(shù)優(yōu)化,取得了較好的支護效果.伍中建等[13]以實際工程為背景,通過數(shù)值模擬的方式,監(jiān)測4種工況下巷道圍巖頂板下沉量、底臌量、兩幫移近量、兩幫變形范圍、頂板變形范圍和底板變形范圍等6個變量,通過數(shù)據(jù)分析,直接采用模糊詞語“好”和“不好”作為支護效果的最終評語.王偉[14]基于圍巖均勻、連續(xù)和各向同性的假設(shè),提出了圍巖支護強度系數(shù)概念,通過反映圍巖抵抗變形壓力的能力評價錨桿的支護效果.李強[15]基于模糊評價理論,從巷道埋深、煤層強度、直接頂厚度與采高的比值、巖體完整性系數(shù)、頂板強度、底板強度以及護巷煤柱寬度等7個因素,采用模糊綜合評價法對不同情況下的巷道支護效果進行評價.

上述研究成果側(cè)重于對地質(zhì)構(gòu)造、開采擾動影響下巷道圍巖變形和破壞特征的研究,并提出了針對性的巷道支護方案,對于復(fù)雜條件下巷道圍巖控制技術(shù)的發(fā)展具有重要意義,但是研究成果沒有涉及復(fù)雜條件下巷道圍巖支護效果的評價與分析,評價體系不夠完善,評價方法較為簡單,評價結(jié)果十分模糊.科學(xué)、系統(tǒng)的支護效果評價方法對于選擇和優(yōu)化復(fù)雜條件下巷道圍巖支護方式意義重大,本文以可拓學(xué)理論為基礎(chǔ),提出了復(fù)雜條件下巷道圍巖支護效果的評價方法,成功應(yīng)用于工程實踐,為科學(xué)比選支護方案提供理論參考.

1 可拓學(xué)評價理論

1.1 可拓學(xué)理論

可拓學(xué)理論最初應(yīng)用于管理、檢測和人工智能等領(lǐng)域,目前在礦山領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用[16].可拓學(xué)將事物N，特征C及特征量值V組成有序三元組,記作: (N,C,V).

1.2 評價模型的建立

1.2.1 模型建立

根據(jù)評價對象的隸屬關(guān)系建立評價體系,其中設(shè)有評價類別x個,評價類別1,評價類別2,…,評價類別x分別包含評價指標(biāo)s,q,…,l個,評價體系共含有評價指標(biāo)n個,如圖1.

圖1 層次分析法指標(biāo)體系

1.2.2 可拓學(xué)評價過程

1)指標(biāo)權(quán)重的獲取

評價指標(biāo)權(quán)重的確定方法有很多,本文選擇較為常用的層次分析法(AHP)確定評價體系的指標(biāo)權(quán)重,具體流程:建立評價指標(biāo)體系,通過計算判斷矩陣D,獲得各項指標(biāo)權(quán)重,得到指標(biāo)權(quán)重矩陣M=(M1,M2,…,Mn),進而計算判斷矩陣D的最大特征值λmax,最后,通過式(1)檢驗CR值的大小,進行矩陣D的一致性檢驗[17].

(1)

式中:CR為一致性檢驗系數(shù);CI為一致性指標(biāo);RI為平均隨機一致性指標(biāo).

2)經(jīng)典域與節(jié)域的確定

根據(jù)可拓學(xué)評價理論,評價指標(biāo)的經(jīng)典域與節(jié)域可表示為式(2)和式(3).

(2)

式中:R0t為經(jīng)典域物元;Cj(j=1,2,…,n)為決定事物N的評價指標(biāo);V0tj為經(jīng)典域物元的評價指標(biāo)Cj在第t(t=1,2,…,g)個評價等級的取值;〈a0tj,b0tj〉為V0tj所取的量值范圍;a0tj為取值范圍的最小值;b0tj為取值范圍的最大值.

(3)

式中:Rp為節(jié)域物元;Vpj為節(jié)域物元的評價指標(biāo)Cj(j=1,2,…,n)在全體等級下的取值;〈apj,bpj〉為Vpj所取的量值范圍;apj為取值范圍的最小值;bpj為取值范圍的最大值; .

3)確定待評價物元

待評價物元Rij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)由式(4)確定.對待評事物Ni的評價指標(biāo)Cj進行評分,所得量值(實際評分)記為Vij.

(4)

4)關(guān)聯(lián)度計算

待評事物Ni(i=1,2,…,m)的第j個指標(biāo)Cj(j=1,2,…,n)關(guān)于評價等級t(t=1,2,…,g)的關(guān)聯(lián)度函數(shù)表達式為

(5)

將所有計算所得的關(guān)聯(lián)度用矩陣形式進行記錄,因此關(guān)聯(lián)度矩陣K為

(6)

5)評價等級的確定

(7)

評價等級的確定采用最大值法,即:若max(B)=Bt, 則待評事物Ni的評價等級為t.

2 巷道支護效果的評價模型

2.1 評價指標(biāo)的選取

評價指標(biāo)的選取影響最終的評價結(jié)果,而在前人的研究成果中,多以巷道圍巖變形量作為支護效果評價的唯一依據(jù),評價體系缺乏,評價方法簡單,評價結(jié)果模糊,無法科學(xué)全面地反映巷道實際的支護效果.本文基于全面性、科學(xué)性等原則選取評價類別3個,分別為工程經(jīng)濟性,圍巖穩(wěn)定性,支護安全性,其中,圍巖穩(wěn)定性和支護安全性均包含3個評價指標(biāo),指標(biāo)體系具體見表1.

表1 評價指標(biāo)體系

2.1.1 工程經(jīng)濟性

工程經(jīng)濟性是巷道支護效果評價的一個重要方面,通過分析支護方案所需總成本來評價支護方案的合理性,即在不同支護方案中選取一種支護方案的成本作為參照,各支護方案的成本與參照方案的成本之比.相對支護成本率越大說明對應(yīng)支護方案的支護成本越大,支護方案的工程經(jīng)濟性越低,支護效果越差.

2.1.2 圍巖穩(wěn)定性

圍巖穩(wěn)定性是評價支護方案支護效果最重要的指標(biāo),直接影響被支護巷道能否正常使用.本文通過比較支護與未支護兩種條件下頂板、底板以及兩幫區(qū)域圍巖變形量比值的大小來反映各支護方案的支護效果,比值越大表明方案的支護效果越差,反之則越好.

2.1.3 支護安全性

支護安全性是通過分析支護方案的圍巖應(yīng)力集中程度、錨桿利用率和塑性區(qū)范圍變化率來評價支護巷道圍巖的安全狀態(tài).圍巖應(yīng)力集中程度為支護后巷道附近最大主應(yīng)力與原巖應(yīng)力之比;錨桿利用率為支護過程中錨桿軸力與錨桿抗拉強度之比;塑性區(qū)范圍變化率為支護與未支護兩種條件下圍巖塑性區(qū)面積之比.其中,圍巖應(yīng)力集中程度和塑性區(qū)范圍變化率的值越大,表明巷道的安全性越差,存在的安全風(fēng)險相對越大,而錨桿利用率的值越大則表明該方案中錨桿的利用較為充分,造成的支護浪費較少.

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

在學(xué)習(xí)和了解前人在巷道支護效果評價方面研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,運用層次分析法確定復(fù)雜條件下巷道圍巖支護效果的評價體系,即多個(> 6)專家或?qū)W者獨立且客觀地對每一個評價指標(biāo)權(quán)重進行評分,并代入層次分析法計算公式獲得最終的指標(biāo)權(quán)重值,計算過程在此從略,計算結(jié)果見表2.

表2 指標(biāo)權(quán)重

因此,綜合權(quán)重矩陣M=(0.179 0,0.220 7,0.141 7,0.160 6,0.104 9,0.078 4,0.114 7).

2.3 評價等級的確定

物元可拓評價等級的確定為評價結(jié)果的得出提供了重要參考.本文依據(jù)實際工程概況,將巷道圍巖卸壓效果評價結(jié)果共劃分成5個評價等級,按照巷道卸壓效果由差到好依次為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級和V級,各等級所對應(yīng)的等級含義和取值范圍見表3.

表3 評價等級指標(biāo)取值范圍表

根據(jù)式(8)對表3進行無量綱處理,處理結(jié)果見表4.

(8)

表4 無量綱化處理的評價等級指標(biāo)取值范圍表

3 工程應(yīng)用

以可拓學(xué)理論為基礎(chǔ),建立了復(fù)雜條件下巷道圍巖支護效果的評價模型.以實際工程為背景,通過數(shù)值模擬獲得不同支護方案下圍巖應(yīng)力、變形和塑性區(qū),錨桿軸力以及支護工程量等原始數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)代入評價模型,獲得不同支護方案下巷道圍巖支護效果的評價等級.這是可拓學(xué)理論在巷道支護實踐中的一次重要應(yīng)用,對指導(dǎo)復(fù)雜條件下巷道圍巖支護和方案比選提供了方法參考.

3.1 工程背景

湖南省煤業(yè)集團嘉禾礦業(yè)公司浦溪井2152底板巷沿Ⅴ煤底板掘進,巷道距Ⅴ煤垂直距離約27 m,巷道平面位置見圖2.Ⅴ煤層平均厚度為2.1 m,老頂為中粒砂巖,直接頂為粉砂巖,直接底為泥質(zhì)粉砂巖,老底為砂質(zhì)泥巖,2152工作面頂?shù)装鍘r層信息見圖3.

2152底板巷斷面為直墻半圓拱形,斷面凈尺寸為2 600 mm×2 700 mm,原支護采用錨網(wǎng)噴支護形式.由于巷道圍巖屬于低強度的泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖,加上工作面采動的影響,頂?shù)拙嬖谳^大的變形,兩幫破壞十分嚴(yán)重.

圖2 2152底板巷平面位置

圖3 2152工作面頂?shù)装迕簩又鶢顖D

2152底板巷道埋深并不大,但是巷道變形和破壞卻十分嚴(yán)重,尤其在巷道兩幫區(qū)域,變形劇烈,經(jīng)過多次的巷道返修,巷道變形仍無法得到有效控制.圖4和圖5為巷道返修后圍巖破壞情況.

圖4 返修后兩幫出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)擠和垮塌

圖5 返修后錨桿托盤與頂板嚴(yán)重分離

針對巷道所處的地質(zhì)和生產(chǎn)環(huán)境進行分析,具體如下:

(一)圍巖性質(zhì)

根據(jù)巷道巖樣的X射線衍射結(jié)果,2152底板巷圍巖的礦物成分主要為菱鐵礦、石英、云母、高嶺石等,其中菱鐵礦的含量最高,達到總礦物含量的51.34%,其次是石英和云母,分別為15.82%和15.38%.菱鐵礦與云母常呈片狀或?qū)訝钯x存,在風(fēng)化或外部壓力作用下極易破碎.還有9.52%比例的高嶺石,在濕潤條件下具有較強的黏著性和膨脹性.底板巷的圍巖總體上較為破碎,且含有部分吸水膨脹礦物,是導(dǎo)致巷道出現(xiàn)大變形、圍巖控制困難的重要原因.

(二)地質(zhì)構(gòu)造

浦溪井田位于袁家向斜北段偏南,為一波狀起伏的復(fù)式向斜,褶曲幅度約為30～50 m.褶曲是由巖層水平擠壓形成,褶皺所在位置巖體的水平應(yīng)力常常較同層位其他區(qū)域巖體大,導(dǎo)致褶皺及附近區(qū)域內(nèi)圍巖的側(cè)壓力系數(shù)發(fā)生突變.其中,在背斜頂部區(qū)域圍巖的水平應(yīng)力增加最為明顯.因此,處于構(gòu)造應(yīng)力影響范圍內(nèi)的2152底板巷出現(xiàn)了巷幫區(qū)域破壞格外嚴(yán)重,即使經(jīng)過多次的巷道返修,巷幫區(qū)域仍然變形不止.

(三)開采擾動

地質(zhì)構(gòu)造對巷道變形的影響屬于地質(zhì)因素,而開采擾動則屬于人為因素.受開采活動影響,工作面以及采空區(qū)附近巖體的應(yīng)力會重新分布,處于開采擾動區(qū)域內(nèi)的其他巷道也會受到不同程度的擾動,導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力場發(fā)生旋轉(zhuǎn),出現(xiàn)嚴(yán)重片幫、蝶葉型冒頂?shù)痊F(xiàn)象,嚴(yán)重時會導(dǎo)致整條巷道坍塌,無法使用.2152底板巷位于Ⅴ煤層下方,垂直距離約27 m,Ⅴ煤層的正常開采活動對2152底板巷產(chǎn)生了一定的影響,導(dǎo)致巷道出現(xiàn)較大的變形和破壞.

(四)支護措施

支護技術(shù)是巷道圍巖控制體系的重要組成部分,采用合適的支護措施對于有效控制圍巖變形和穩(wěn)定意義重大.2152底板巷采用錨網(wǎng)噴作為主要的支護方式,普通螺紋鋼錨桿直徑18 mm,長1.5 m.通過現(xiàn)場勘查,發(fā)現(xiàn)錨桿并未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,而是隨著圍巖整體移動,經(jīng)過返修擴幫后,可以清楚看見初次支護錨桿的托盤與巷道間產(chǎn)生明顯的間隙.因此,可以確定巷道原始支護方式不能有效適應(yīng)該巷道,錨桿的錨固基礎(chǔ)可能沒有安裝于穩(wěn)定巖層中,應(yīng)當(dāng)采用更加有效的支護方案控制圍巖.

3.2 評價與分析

3.2.1 數(shù)值模型的建立

圖6 數(shù)值模擬模型

模型采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行計算,模擬尺寸為70 m×70 m×30 m(寬×高×深),直墻半圓拱巷道位于模型的中部偏下區(qū)域,巷道尺寸為2 600 mm×2 700 mm(寬×高).模型自上而下共劃分為中粒砂巖、粉砂巖、煤、砂質(zhì)泥巖四層,其中粉砂巖與煤層在模型中部向上拱起形成背斜,數(shù)值模擬模型見圖6,數(shù)值模擬基本參數(shù)見表5.

表5 數(shù)值模擬基本參數(shù)

3.2.2 支護方案的確定

根據(jù)實際工程情況,本文選取4種不同的支護方案進行對比研究.方案一為巷道原始支護形式,采用全斷面錨桿支護形式;方案二和方案三中均采用錨桿-錨索聯(lián)合支護形式,其中方案二除安裝錨桿外,在頂板額外布置錨索3根,兩底腳分別布置傾斜錨索1根,方案三在巷道頂板和兩幫均布置了不同數(shù)量錨索;方案四采用全斷面錨索支護形式.具體方案如圖7.

圖7 支護方案

3.2.3 評價結(jié)果與分析

本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件以實際工程為背景建立巷道模型,對初步選擇的4種巷道支護方案進行數(shù)值計算,時刻監(jiān)測巷道圍巖位移、應(yīng)力、塑性區(qū)以及錨桿應(yīng)力,并記錄整理得表6.

表6 原始數(shù)據(jù)

對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理,結(jié)果見表7.

表7 無量綱化處理的原始數(shù)據(jù)

根據(jù)可拓學(xué)的計算公式,對4種支護方式下巷道的原始數(shù)據(jù)進行處理.以方案一為例,將方案一無量綱化處理后的原始數(shù)據(jù)代入式(5)和式(6),得到方案一各評價指標(biāo)對于支護效果的隸屬度,見表8.

表8 方案一各評價指標(biāo)對于支護效果的隸屬度

再根據(jù)式(7),得到方案一最終的評價等級和各評價等級的隸屬度,有

B=MK=(B1,B2,…,Bg)=(-0.380 9,-0.196 0,-0.248 2,-0.259 9,-0.451 5)

同理,重復(fù)上述過程,得到其他3種支護方案的評價結(jié)果,并匯總得表9.

表9 各支護方案的評價結(jié)果

根據(jù)支護效果評價模型對數(shù)值計算后的4種支護方案進行評價,得出4種方案的最終評價等級依次為II，II，III和IV,因此,支護方案四為本次工程運用中的最佳巷道支護方案,能夠在保證巷道穩(wěn)定的基礎(chǔ)上開展安全生產(chǎn).方案四在充分考慮到2152底板巷圍巖塑性區(qū)較大的情況下,采用全斷面錨索支護取代原本的全斷面錨桿支護,有效保證了錨索錨固基礎(chǔ)的穩(wěn)定,能夠在復(fù)雜條件影響下為生產(chǎn)巷道提高持續(xù)高阻,保證巷道穩(wěn)定.此外,根據(jù)圍巖變形的非對稱性在巷道兩幫實施非對稱支護,在滿足支護要求的同時節(jié)省了支護成本.

與方案四相比,方案一所采用的全斷面錨桿支護沒有滿足巷道的支護需要,由于錨桿長度較短,錨桿桿體全部位于塑性區(qū)圍巖中,圍巖與錨桿整體向巷道空間內(nèi)移,錨桿支護效果差;方案一與方案二在底鼓管理上均采用底腳傾斜錨桿(索)支護,該支護方式安裝簡單,但是仍無法有效改善巷道底鼓現(xiàn)象;此外,方案三在底板管理上未采用相應(yīng)的支護措施,因此底鼓現(xiàn)象也較為明顯.

4 結(jié)論

1)在對復(fù)雜條件下巷道圍巖支護效果開展評價工作時,僅通過分析圍巖變形數(shù)據(jù)是遠遠不夠的,應(yīng)從工程經(jīng)濟性、圍巖穩(wěn)定性以及支護安全性等多個層面對復(fù)雜條件下巷道圍巖支護效果進行科學(xué)、全面評價.

2)對比本實例的4種巷道支護方案,復(fù)雜條件下巷道圍巖變形以非對稱性居多,在設(shè)計該類巷道的支護形式時,綜合考慮圍巖變形的非對稱性,采用非對稱式支護,不僅能夠滿足安全生產(chǎn)需要,還能有效地節(jié)約支護成本.

3)對于受構(gòu)造應(yīng)力和開采擾動影響較大的巷道,應(yīng)當(dāng)著重考慮圍巖塑性區(qū)的發(fā)展情況,并將塑性區(qū)的范圍作為巷道支護方式、支護結(jié)構(gòu)選取的重要依據(jù)之一.