左建平,文金浩,劉德軍,吳麗麗,孫運(yùn)江
1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083
據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)煤炭資源總量在2 000 m以淺約為5.9萬(wàn)億t,其中埋深在1 000~2 000 m的資源量超過(guò)50%,且主要分布在中東部地區(qū)。依照目前的開(kāi)采速度,預(yù)計(jì)未來(lái)20年內(nèi)我國(guó)煤礦開(kāi)采將進(jìn)入1 000~1 500 m深度[1-5]。開(kāi)采深度的加大伴隨著地應(yīng)力升高,導(dǎo)致深部巷道圍巖在力學(xué)性質(zhì)與淺部巷道圍巖的不同。淺部地應(yīng)力小,圍巖大多處于彈性狀態(tài),而在深部,高地應(yīng)力導(dǎo)致巷道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力極易超過(guò)巖體屈服極限,使圍巖出現(xiàn)大變形,進(jìn)而導(dǎo)致巷道失穩(wěn)[6-7]。有統(tǒng)計(jì)表明,由于受深部地應(yīng)力環(huán)境、圍巖體力學(xué)行為轉(zhuǎn)變及工程條件的影響,超過(guò)90%的深部巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)大變形、松動(dòng)坍塌及支護(hù)失效等問(wèn)題[8]。而每年我國(guó)煤礦新掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度可達(dá)12 000 km,巷道工程量巨大,因此對(duì)巷道支護(hù)理論與技術(shù)的探究與發(fā)展一直都是煤礦安全開(kāi)采的核心內(nèi)容之一[9]。
為保持巷道穩(wěn)定,消除巷道片幫、冒頂、沖擊地壓、底鼓等安全隱患,從20世紀(jì)初開(kāi)始,學(xué)者們相繼提出了眾多理論方法,為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的合理化作出了貢獻(xiàn)。以普氏和太沙基為代表的塌落拱理論認(rèn)為[10]:松散介質(zhì)中硐室頂部會(huì)形成一個(gè)自然平衡拱,即“塌落拱”,普氏認(rèn)為“塌落拱”的形狀為拋物線(xiàn)狀,而太沙基理解為矩形。該理論首次提出了巷道圍巖具有自承載能力。20世紀(jì)60年代,Rabcewicz等在前人研究基礎(chǔ)上提出了新奧地利隧道施工方法,簡(jiǎn)稱(chēng)新奧法(NATM)[11]。該理論選擇性繼承了傳統(tǒng)理論中被動(dòng)支護(hù)的理念,并提出主動(dòng)支護(hù)的觀點(diǎn)。20世紀(jì)70年代Salamon等人提出了能量支護(hù)理論[12],認(rèn)為巷道的掘進(jìn)和支護(hù)存在能量轉(zhuǎn)換,圍巖與支護(hù)體在相互作用中釋放能量,支護(hù)體吸收能量同時(shí)發(fā)生形變,圍巖和支護(hù)體的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)二者的動(dòng)態(tài)平衡。前蘇聯(lián)學(xué)者提出了應(yīng)力控制理論,也稱(chēng)應(yīng)力轉(zhuǎn)移法、圍巖弱化法[9]。該理論認(rèn)為圍巖破壞的主要原因是巷道開(kāi)挖后,圍巖受力狀態(tài)發(fā)生了改變,可通過(guò)一定的技術(shù)手段(如鉆孔卸壓、開(kāi)卸壓槽、鉆孔爆破、留設(shè)卸壓煤柱等)改變圍巖的應(yīng)力分布,降低應(yīng)力集中程度,使支承壓力轉(zhuǎn)向巷道圍巖深處,從而提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。鄭雨天提出了聯(lián)合支護(hù)理論[13],認(rèn)為巷道開(kāi)挖后應(yīng)進(jìn)行柔性支護(hù),允許巷道存在一定變形來(lái)釋放部分變形壓力,當(dāng)圍巖變形到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后再施加剛性支護(hù),強(qiáng)調(diào)對(duì)圍巖采用“先柔后剛、先讓后抗、柔讓適度、穩(wěn)定支護(hù)”的支護(hù)原則。于學(xué)馥等提出了軸變論理論[14],認(rèn)為在兩向不等壓條件下圓形巷道圍巖破壞的最終形態(tài)為橢圓形,并推導(dǎo)出巷道最佳軸變比的計(jì)算公式,對(duì)巷道的斷面設(shè)計(jì)及支護(hù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。侯朝炯提出了圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論[15],要點(diǎn)是錨桿支護(hù)能夠改善錨固區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)及性能,進(jìn)而改善圍巖的承載能力,同時(shí)錨桿與錨固區(qū)巖體形成承載結(jié)構(gòu),共同維護(hù)巷道的穩(wěn)定。董方庭等提出了圍巖松動(dòng)圈理論[16],認(rèn)為巷道開(kāi)挖后,圍巖松動(dòng)圈客觀存在于圍巖中,支護(hù)的主要載荷是松動(dòng)圈形成過(guò)程中產(chǎn)生的變形與支護(hù)體的相互作用力,根據(jù)松動(dòng)圈厚度,確定支護(hù)機(jī)理及相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。何滿(mǎn)潮等提出了關(guān)鍵部位耦合支護(hù)理論[17-18],認(rèn)為巷道總是從某一部位或幾個(gè)部位最先開(kāi)始破壞,并不斷向其他部位發(fā)展最終導(dǎo)致巷道整體失穩(wěn)的,強(qiáng)調(diào)只有當(dāng)圍巖與支護(hù)體在強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)上相互耦合時(shí),巷道圍巖控制才能取得較好的效果。方祖烈提出了主次承載區(qū)支護(hù)理論[19],認(rèn)為巷道開(kāi)挖后圍巖依次呈現(xiàn)張拉區(qū)與壓縮區(qū)。壓縮區(qū)對(duì)維護(hù)巷道穩(wěn)定起關(guān)鍵性作用,具有較強(qiáng)的自承能力,即主承載區(qū);張拉區(qū)形成于巷道淺部,只是起到了輔助作用,是支護(hù)控制的主要區(qū)域,即次承載區(qū)??导t普提出了關(guān)鍵承載圈理論[20],指出任何巷道圍巖內(nèi)都有關(guān)鍵承載圈的存在,支護(hù)的目的是控制關(guān)鍵承載圈半徑以?xún)?nèi)巖石的變形和穩(wěn)定性,承載圈與巷道之間的距離決定了巷道維護(hù)的難易程度。左建平等針對(duì)矩形截面巷道提出了巷道等強(qiáng)梁支護(hù)理論[21],強(qiáng)調(diào)根據(jù)頂板彎曲正應(yīng)力的分布特征采用不同長(zhǎng)度、直徑的高強(qiáng)錨桿實(shí)現(xiàn)巷道各橫截面上最大正應(yīng)力相等,達(dá)到受力均勻的目的。王衛(wèi)軍等提出了內(nèi)外承載結(jié)構(gòu)理論[22],外結(jié)構(gòu)主要是注漿體、錨固體及支架等支護(hù)結(jié)構(gòu),內(nèi)結(jié)構(gòu)主要是以部分塑性硬化區(qū)和軟化區(qū)煤巖體為主體組成的承載結(jié)構(gòu)。外承載結(jié)構(gòu)是主要承載結(jié)構(gòu),內(nèi)承載結(jié)構(gòu)是次要承載結(jié)構(gòu),對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定起關(guān)鍵作用。
在很多前輩支護(hù)思想的基礎(chǔ)上,筆者團(tuán)隊(duì)基于深部巷道大變形或流變特性,提出采用巷道全空間協(xié)同支護(hù)來(lái)控制深部大變形巷道[23-24]。本文深入調(diào)查了巷道典型破壞模式,并對(duì)圓形與矩形巷道進(jìn)行了力學(xué)分析,建立了巷道等強(qiáng)支護(hù)概念模型,進(jìn)一步完善了巷道等強(qiáng)支護(hù)理論,為深部巷道圍巖控制提供理論指導(dǎo)。
巷道開(kāi)挖前圍巖處于三向應(yīng)力的初始平衡狀態(tài),巷道開(kāi)挖后打破了原有的圍巖應(yīng)力平衡,造成圍巖應(yīng)力重新分布,如圖1所示。遠(yuǎn)離巷道的圍巖受影響較小,處于三向受力的穩(wěn)定狀態(tài),越靠近巷道受影響越大,圍巖處于雙向應(yīng)力狀態(tài)。因此在巷道徑向會(huì)形成一定的應(yīng)力梯度場(chǎng),導(dǎo)致沿巷道徑向的巖石破碎程度也不同,造成圍巖發(fā)生梯度破壞[25]。
圖1 圍巖應(yīng)力分布簡(jiǎn)化示意圖[25]
圍巖應(yīng)力重分布導(dǎo)致應(yīng)力梯度顯現(xiàn),當(dāng)超過(guò)巖石強(qiáng)度后就會(huì)發(fā)生破壞。按照圍巖破壞形態(tài)可劃分為局部落石破壞、拉斷破壞、剪切破壞、巖爆、潮解膨脹破壞、分區(qū)破裂化等[8,26-27]:
(1) 局部巖石破壞主要由施工與地質(zhì)因素造成,破壞部位主要是頂板,其次是兩幫,表現(xiàn)為巖塊沿弱面拉斷或滑移,如圖2所示。
圖2 局部巖石破壞模式
(2) 拉斷破壞是由于圍巖所受拉應(yīng)力大于巖體抗拉強(qiáng)度后發(fā)生的破壞。按破壞區(qū)域分頂板拉斷、兩幫拉斷、底板拉斷三種形式。頂板拉斷破壞易發(fā)生在頂板平緩且?guī)r體抗拉強(qiáng)度較低的情況,表現(xiàn)為頂板彎曲下沉甚至垮落,如圖3(a)(b)所示。兩幫拉斷破壞易發(fā)生在水平應(yīng)力較大的情況,通常會(huì)出現(xiàn)兩幫擠進(jìn)甚至傾向巷道內(nèi)的拉斷破壞,如圖3(c)(d)所示。在施工過(guò)程中,只注重巷道頂板與兩幫圍巖的加固,忽略了對(duì)底板變形的控制,使其成為圍巖支護(hù)最薄弱的部位,當(dāng)巷道變形時(shí)反向受力導(dǎo)致底板拉斷破壞,巷道產(chǎn)生底鼓,如圖3(e)(f)所示。
圖3 拉斷破壞模型
(3) 剪切破壞分頂板剪切、兩幫剪切、底板剪切三種破壞形式。巷道頂板為節(jié)理較為發(fā)育的軟弱巖體時(shí),較高的切向應(yīng)力通常會(huì)超過(guò)巖體的抗剪強(qiáng)度,從而沿著弱面產(chǎn)生剪切滑動(dòng),待節(jié)理貫通后形成塑性破壞區(qū),如圖4(a)所示;頂板為相對(duì)完整的巖體時(shí),在高應(yīng)力作用下頂板及角部巖體易發(fā)生剪切破壞,如圖4(b)所示。兩幫巖體無(wú)節(jié)理或節(jié)理較少時(shí),在垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力的共同作用下,促使兩幫圍巖出現(xiàn)某一角度的剪切破壞,破壞繼續(xù)發(fā)展即會(huì)演變成兩幫巖體向巷道內(nèi)塌落,造成片幫,如圖4(c)所示;幫部巖體強(qiáng)度較低時(shí),在應(yīng)力作用下兩幫巖體會(huì)產(chǎn)生沿弱面的剪切破壞,導(dǎo)致兩幫圍巖擠進(jìn),斷面變小影響巷道正常使用,如圖4(d)所示。底板在受到較高水平應(yīng)力下易發(fā)生剪切破壞,若底板為裂隙較多的軟弱巖體,在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生剪切滑動(dòng),從而形成剪切破壞區(qū),如圖4(e)所示;若底板為相對(duì)完整的堅(jiān)硬巖體,在水平應(yīng)力的擠壓下巖體會(huì)沿著弱面發(fā)生錯(cuò)動(dòng),導(dǎo)致底板向巷道內(nèi)鼓出,如圖4(f)所示。
圖4 剪切破壞模式
(4) 巖爆是在一定條件下煤巖體中累積的彈性應(yīng)變能突然猛烈釋放時(shí)的脆性斷裂,通常也稱(chēng)為沖擊地壓。巖爆易導(dǎo)致巖石崩落,并伴隨巨大聲響及氣浪沖擊,不僅影響礦山的正常運(yùn)行及工人的人身安全,而且沖擊波也會(huì)危及地面建筑物。
(5) 潮解膨脹破壞主要由巷道圍巖遇水軟化崩解或膨脹造成,通常發(fā)生在含有大量頁(yè)巖、黏土巖、泥巖、硬石膏等巖石類(lèi)型的巷道中。發(fā)生該破壞的圍巖一般具有流變性、易風(fēng)化潮解導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低。
(6) 分區(qū)破裂化現(xiàn)象是指在深部巖體中開(kāi)挖硐室或者巷道時(shí),在其兩側(cè)和工作面前的圍巖中,會(huì)產(chǎn)生交替的破裂區(qū)與非破裂區(qū),造成深部巖體呈現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性力學(xué)行為,如圖5所示。
圖5 分區(qū)破裂化模式
為深入了解典型巷道破壞模式產(chǎn)生的機(jī)理,我們以圓形和矩形巷道為例,分析圍巖受力狀態(tài)并作如下假設(shè):巷道水平布置,簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題;圍巖為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈塑性體;忽略圍巖影響范圍內(nèi)的巖石自重。
圖6為圓形巷道力學(xué)模型簡(jiǎn)化圖,由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、荷載不對(duì)稱(chēng),因此該模型(模式Ⅰ)可視作兩個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算模式的疊加。模式Ⅱ?yàn)榫鶆驂簯?yīng)力場(chǎng),模式Ⅲ為水平受拉垂直受壓應(yīng)力場(chǎng)。
由彈性力學(xué)知,圓形巷道在雙向不等壓應(yīng)力場(chǎng)下圍巖應(yīng)力解[28-29]:
(1)
(2)
(3)
式中,σr、σθ、τrθ分別為徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力、切應(yīng)力,MPa;λ為側(cè)壓系數(shù);p0為垂直應(yīng)力,MPa;R0為巷道半徑,m;r為任一點(diǎn)到巷道中心的距離,m;θ為任一點(diǎn)到巷道中心的連線(xiàn)與水平x軸正向的夾角,(°)。
考慮不同的側(cè)壓系數(shù),假設(shè)λ分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0時(shí),圓形巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)取R0=1 m,p0=6 MPa,獲得圍巖中任一點(diǎn)與巷道中心距離為r的圍巖應(yīng)力分布,如圖7所示。
圖7 不同側(cè)壓系數(shù)下圓形巷道圍巖應(yīng)力分布
由圖7知,側(cè)壓系數(shù)λ對(duì)圓形巷道圍巖應(yīng)力分布影響明顯。總體上,σθ從巷道壁向外圍巖體逐漸減小,在巷道壁處σθ達(dá)到最大值。但λ不同時(shí),圍巖受力明顯不同:當(dāng)λ=1時(shí),σr與σθ沿著巷道周邊均勻分布,距巷道中心相同距離的各處受力相同;當(dāng)λ<1時(shí),σr在頂?shù)装迳畈拷咏瓗r應(yīng)力,而σθ在兩幫淺部出現(xiàn)應(yīng)力集中,對(duì)幫部的破壞較嚴(yán)重;當(dāng)λ>1時(shí),σr在巷道兩幫深部接近原巖應(yīng)力,而σθ在巷道頂?shù)装鍦\部出現(xiàn)應(yīng)力集中,不利于頂?shù)装宓姆€(wěn)定。
圖8 Z平面矩形巷道到ζ平面單位圓的映射關(guān)系
復(fù)變理論中映射函數(shù)z=ω(ζ)將Z平面矩形巷道變換為ζ平面上的單位圓,進(jìn)而求解圍巖應(yīng)力。圍巖應(yīng)力可通過(guò)解析函數(shù)φ(ζ)和ω(ζ)表示[30-31]:
(4)
對(duì)于矩形巷道,映射函數(shù)z=ω(ζ)由Schwarz-Christoffel積分獲得,在保證一定精度的前提下簡(jiǎn)化為[31]
(5)
c1=cos 2kπ
因巷道無(wú)支護(hù),矩形巷道淺處圍巖只存在σθ,
σr與τrθ均為0,因此圍巖應(yīng)力由下式得出:
(6)
e=c1+(3c3-1)cos 2θ
g=c3(1+3c3)
h=(1+3c3)sin 2θ
矩形巷道c分別選取0.6、1.0、1.4、1.8,力學(xué)參數(shù)與圓形巷道相同,由式(6)計(jì)算λ分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0時(shí),圍巖應(yīng)力分布如圖9所示。映射函數(shù)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 不同寬高比的保角變換參數(shù)
圖9 不同寬高比及側(cè)壓系數(shù)條件下矩形巷道圍巖應(yīng)力分布
由圖6可知:λ與c對(duì)矩形巷道圍巖應(yīng)力分布影響顯著。σθ沿巷道邊界分布不均勻,由兩幫中部及頂?shù)装逯胁肯蛴缃翘幹饾u增大且呈對(duì)稱(chēng)分布,無(wú)論λ與c取何值,巷道隅角處均存在最大切向應(yīng)力且為壓應(yīng)力。同時(shí),當(dāng)c<1時(shí),隨著λ的增大,巷道周邊會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力;而當(dāng)c>1時(shí),λ的減小同樣也會(huì)造成巷道周邊出現(xiàn)拉應(yīng)力。以上分析表明,巷道圍巖不同位置可能會(huì)出現(xiàn)不同的破壞模式,巷道圍巖處于受壓或者受拉狀態(tài),取決于λ與c。
由巷道典型破壞模式及受力分析知,開(kāi)挖后巷道斷面不同位置應(yīng)力梯度有明顯差異,導(dǎo)致巷道發(fā)生不同破壞模式。當(dāng)前煤礦巷道大多經(jīng)驗(yàn)地使用一種或幾種支護(hù)形式控制巷道圍巖穩(wěn)定,不僅造成支護(hù)的浪費(fèi)也會(huì)導(dǎo)致受力較大處支護(hù)失效。
基于材料力學(xué)等強(qiáng)度梁概念[32],我們提出了深部巷道等強(qiáng)支護(hù)控制理論概念模型。埋藏在一定深度的巖體,巷道開(kāi)挖前處于同一層位的巖體可視作具有相同的初始受力平衡狀態(tài)且不破壞,我們認(rèn)為這是初始的等強(qiáng)狀態(tài)。巷道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力場(chǎng)被打破,在應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū),因此需要通過(guò)支護(hù)、開(kāi)槽卸壓和注漿加固等手段來(lái)維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。若破碎區(qū)圍巖和塑性區(qū)圍巖的強(qiáng)度得到提升,理想情況下圍巖各個(gè)位置支護(hù)后達(dá)到等強(qiáng)狀態(tài),并盡可能接近初始等強(qiáng)狀態(tài),讓支護(hù)圍巖呈現(xiàn)整體受力,以期實(shí)現(xiàn)不同位置圍巖達(dá)到與地應(yīng)力比相匹配的等效應(yīng)力強(qiáng)度狀態(tài),這個(gè)時(shí)候圍巖也能達(dá)到安全狀態(tài)。由此,等強(qiáng)支護(hù)控制理論概念模型可以概述為:根據(jù)巷道圍巖受力特征,通過(guò)開(kāi)槽卸壓、注漿加固、錨桿(索)主動(dòng)支護(hù)、鋼管混凝土被動(dòng)支護(hù)等綜合手段,有效調(diào)整巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài),使得周邊各個(gè)位置圍巖達(dá)到等強(qiáng)狀態(tài)的支護(hù)方式。
針對(duì)此,在巷道支護(hù)中依據(jù)圍巖破壞情況可通過(guò)圍巖注漿加固使破裂巖體重新膠結(jié)成整體,提高圍巖強(qiáng)度,改善圍巖承載能力,如圖10(a)所示;也可優(yōu)先使用錨桿(索)進(jìn)行巷道支護(hù),將其與噴射混凝土、注漿加固技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行局部加固,如圖10(b)所示;對(duì)于高應(yīng)力巷道或者應(yīng)力集中較大的巷道部位,采取應(yīng)力控制措施(鉆孔卸壓、松動(dòng)爆破、切縫卸壓、開(kāi)槽泄壓等),將巷道附近的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深處以確保巷道穩(wěn)定,如圖10(c)所示;對(duì)某些特殊地質(zhì)條件(圍巖松軟、地壓大、變形劇烈等),鋼管混凝土支架有其特有的優(yōu)點(diǎn);對(duì)于受拉應(yīng)力的圍巖,除上述支護(hù)手段外,可采用強(qiáng)梁支護(hù)方式、全空間協(xié)同控制技術(shù)、預(yù)應(yīng)力錨桿(索)+桁架支護(hù)技術(shù)等措施加固[23-27]。
圖10 巷道加固方式示意圖
依據(jù)巷道破壞模式,當(dāng)出現(xiàn)圍巖應(yīng)力集中、圍巖破碎、拉應(yīng)力區(qū)等情況時(shí),合理采用應(yīng)力控制、注漿加固、噴射混凝土、錨桿(索)、鋼管混凝土支架及全空間協(xié)同支護(hù)等措施調(diào)整并控制圍巖受力。在理想情況下,通過(guò)選取合理的控制措施讓巷道周邊圍巖趨于均勻受壓,以期實(shí)現(xiàn)不同位置圍巖能達(dá)到安全且與地應(yīng)力比相匹配的等強(qiáng)狀態(tài)(圖11),此時(shí)圍巖能夠均勻協(xié)調(diào)變形,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的有效控制,保證巷道的正常安全使用。
圖11 巷道等強(qiáng)支護(hù)控制理論概念模型示意圖
為進(jìn)一步描述等強(qiáng)支護(hù)控制理論模型,巷道開(kāi)挖前及等強(qiáng)支護(hù)后圍巖受力狀態(tài)分析如圖12所示。
平面應(yīng)變條件下,極坐標(biāo)表示的應(yīng)力分量與主應(yīng)力的關(guān)系[29]如下:
(7)
(8)
式中,σ1、σ3分別為最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力,MPa。
巷道開(kāi)挖前,圍巖的σ1、σ3數(shù)值差距不大,即巷道開(kāi)挖前,莫爾圓1的主應(yīng)力差(σ1-σ3)較小,遠(yuǎn)離支護(hù)前強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)L1,此時(shí)巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖12 等強(qiáng)支護(hù)控制理論示意圖
同時(shí)還應(yīng)注意的是,當(dāng)圍巖抗拉強(qiáng)度小于圍巖拉應(yīng)力后,圍巖發(fā)生拉破壞,此時(shí)支護(hù)的目的便是消除或減小拉應(yīng)力,使之小于抗拉強(qiáng)度。巷道開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力重分布導(dǎo)致應(yīng)力集中,應(yīng)力超過(guò)圍巖屈服強(qiáng)度會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài),塑性區(qū)的范圍影響巷道破壞的程度,因此合理有效的支護(hù)強(qiáng)度是維持巷道穩(wěn)定的必要手段。
當(dāng)采用M-C準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí),得到圍巖起塑條件:
(9)
式中,C與φ為圍巖的黏聚力與內(nèi)摩擦角。
由巷道周邊應(yīng)力條件:σr=0,τrθ=0可以看出,在巷道周邊巖體中主要存在σθ,當(dāng)對(duì)巷道施加支護(hù)后可提高圍巖的σr,改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),從而提高圍巖的承載能力。基于前人研究,將支護(hù)強(qiáng)度簡(jiǎn)化為pi,則巷道周邊圍巖徑向應(yīng)力變?yōu)棣襯+pi,切向應(yīng)力為σθ-pi,將其代入式(9)得
(10)
由此得出巷道不同位置所需的支護(hù)強(qiáng)度pi:
(11)
式中,φ1為支護(hù)后圍巖內(nèi)摩擦角,(°);C1為支護(hù)后圍巖黏聚力,MPa。
φ1、C1可由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定,若未做現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),φ1仍可取φ,C1由下式得出[10]:
(12)
式中,σt為錨桿鋼材的抗拉強(qiáng)度,MPa;S為錨桿桿體的橫截面積,m2;e、t分別為錨桿間、排距,m。
式(11)中σθ由式(2)、式(6)求得,作用在巷道上的均布荷載p0可由下式計(jì)算[34-35]:
(13)
式中,En為巷道上方第n層巖層的彈性模量,MPa;hn為巷道上方第n層巖層的厚度,m;γn為巷道上方第n層巖層的容重,kN/m3。
當(dāng)pn>pn+1時(shí),則p0=pn,即應(yīng)考慮該巖層上方n層對(duì)第1層的影響,第n+1層本身強(qiáng)度大、巖層厚,對(duì)第1層載荷不起作用。
由于巷道不同位置σθ不同,因此所施加的支護(hù)強(qiáng)度也會(huì)隨著位置的變化而不同,使圍巖在等強(qiáng)支護(hù)下能夠處于整體受力均衡的穩(wěn)定狀態(tài)而不發(fā)生惡性破壞,保證支護(hù)體對(duì)圍巖的有效支護(hù)。
鑒于近年來(lái)高強(qiáng)度鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)框架已經(jīng)初步形成,并已成功應(yīng)用于多個(gè)深部礦井巷道及硐室的維護(hù)且取得了良好的支護(hù)效果,改變了深部巷道難以支護(hù)的窘境,如圖13所示[36-39]。本文以鋼管混凝土支架及錨桿(索)為支護(hù)主體進(jìn)行圍巖應(yīng)力改善模擬。
圖13 鋼管混凝土支架現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例
以某礦頂板巷道為背景,建立30 m×30 m×5 m的FLAC3D數(shù)值模型,模擬半徑2 m的圓形巷道、3 m×3 m的矩形巷道圍巖應(yīng)力分布。模型采用M-C準(zhǔn)則,力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2,邊界條件為:四周與底部采用固定邊界,上部為自由邊界并施加垂直荷載10 MPa[39],支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表3和表4。
表2 煤巖力學(xué)參數(shù)表
由于側(cè)壓系數(shù)及巷道尺寸的影響,圍巖應(yīng)力在巷道周邊分布極為不均,其數(shù)值模擬應(yīng)力云圖如圖14所示。當(dāng)前,煤礦巷道的支護(hù)大多采用主動(dòng)或被動(dòng)支護(hù)措施均勻地沿巷道斷面施加相同規(guī)格的支護(hù)強(qiáng)度。由圖7、圖9及圖14可知,不同側(cè)壓系數(shù)及巷道尺寸下,巷道斷面不同位置處的圍巖應(yīng)力具有明顯差異,而支護(hù)參數(shù)與支護(hù)強(qiáng)度選取的均衡化,不能滿(mǎn)足受力較大區(qū)域的支護(hù)需要。在高地應(yīng)力作用下,巷道周?chē)芰^大處的圍巖很容易出現(xiàn)巖層間滑移與錯(cuò)動(dòng),使之最先出現(xiàn)變形與破壞,并逐步擴(kuò)展到整個(gè)巷道斷面,造成巷道整體失穩(wěn)。因此,對(duì)于巷道圍巖中極易發(fā)生失穩(wěn)破壞的部位應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。
表3 錨桿、錨索參數(shù)
巷道開(kāi)挖后,由于受力不同導(dǎo)致在巷道周?chē)纬刹煌潭鹊膽?yīng)力集中,如圖14所示。圓形巷道在兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中,頂板出現(xiàn)應(yīng)力釋放,矩形巷道4個(gè)隅角有應(yīng)力集中的產(chǎn)生,頂?shù)装寮皟蓭痛嬖趹?yīng)力釋放,應(yīng)力分布不均勻是造成巷道支護(hù)效果不佳的重要原因。針對(duì)本模型,圓形巷道在兩幫采用卸壓方式,將集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深處,同時(shí)巷道安設(shè)鋼管混凝土支架,并在圍巖中安裝錨桿、錨索加強(qiáng)支護(hù),通過(guò)合理采用圍巖控制措施使得圍巖應(yīng)力分布趨向均勻,理想狀態(tài)下的應(yīng)力分布如圖14(a)所示。對(duì)于矩形巷道,對(duì)圍巖淺部進(jìn)行注漿加固,隅角區(qū)域的力學(xué)參數(shù)折減一半用以模擬應(yīng)力轉(zhuǎn)移[27],并在圍巖深部安設(shè)錨桿、錨索提高支護(hù)強(qiáng)度,在圍巖表面安裝鋼管混凝土支架控制淺部變形,以此實(shí)現(xiàn)圍巖應(yīng)力的改善,使之達(dá)到圍巖呈近似均勻分布的理想狀態(tài),如圖14(b)所示。
模擬發(fā)現(xiàn),在合理運(yùn)用了圍巖控制措施后,圍巖應(yīng)力狀態(tài)得以改善并且形成均勻分布或近似均勻分布的應(yīng)力環(huán),模擬驗(yàn)證了等強(qiáng)支護(hù)的可行性,為后續(xù)的深入研究提供了基礎(chǔ)。
(1) 調(diào)研分析了煤礦巷道典型破壞模式,發(fā)現(xiàn)煤礦巷道主要存在拉伸破壞及剪切破壞,具體包括局部落石破壞、巷道頂?shù)装寮皟蓭偷睦瓟嗥茐摹⑾锏理數(shù)装寮皟蓭偷募羟衅茐?、巖爆、潮解膨脹破壞、分區(qū)破裂化等6類(lèi)15種破壞模式。
(2) 理論分析了圓形巷道與矩形巷道的受力特征,側(cè)壓系數(shù)及巷道形狀顯著改變巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)及破壞模式。在巷道支護(hù)中需要依據(jù)圍巖破壞情況有針對(duì)性地施加支護(hù)手段,控制并調(diào)整圍巖受力使其能夠趨于均勻受壓的理想狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的有效控制。
(3) 基于鋼管混凝土支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)及力學(xué)中等強(qiáng)度梁概念,提出了巷道等強(qiáng)支護(hù)控制理論力學(xué)概念模型。根據(jù)巷道圍巖受力特征,通過(guò)開(kāi)槽卸壓、注漿加固、錨桿(索)主動(dòng)支護(hù)、鋼管混凝土被動(dòng)支護(hù)等綜合手段,有效調(diào)整巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài),以期實(shí)現(xiàn)不同位置圍巖能夠達(dá)到安全且與地應(yīng)力比相匹配的等強(qiáng)狀態(tài)。
(4) 推導(dǎo)出計(jì)算不同埋深、不同斷面形狀巷道所需的等強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度公式。數(shù)值模擬分析了圓形與矩形巷道在采用等強(qiáng)支護(hù)前、后圍巖應(yīng)力變化,驗(yàn)證了等強(qiáng)支護(hù)后圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)變的可行性,為巷道支護(hù)研究提供了理論依據(jù)。