深部高应力软岩巷道支护技术研究

2022-06-08蔡猛，甄菲

华北科技学院学报 2022年2期

蔡猛，甄菲

(北京奥信化工科技发展有限责任公司，北京 100040)

0 引言

煤炭是中国现阶段的主要能源，在我国一次能源结构中占据约60%，我国东部地区主力生产矿井已进入中后期，主体开采深度已超800 m[1]，个别煤矿达最大开采深度1501 m[2]。在煤矿安全生产事故中，顶板事故是造成人员伤亡的最主要的事故类型之一[3]。随着开采深度不断加深，越来越多巷道支护问题突显出来。这些巷道往往呈现出裂隙高度发育、松软破裂、剧烈变形、围岩破坏深度大、冒顶、片帮和底鼓等严重问题，不仅限制矿井高效生产的效益，甚至引发许多矿井灾害的发生[4-5]。侯朝炯教授在深入钻研井巷锚杆锚固技术和理论后，提出了围岩强度强化理论[6-7]。杨双锁提出了波动性平衡理论，该理论覆盖了围岩-支护结构互相作用整个过程[8-9]。康红普经过对锚杆支护机理研究，创立了高预应力、高强支护理论[10-14]。何满潮教授认为复合型变形力学机理是软岩变形和损坏的根本原因，提出了以转化复合型变形力学机理为单一变形力学机理的支护理论[15-17]，马念杰教授团队认为深部软岩巷道变形剧烈情况下，应采用高延伸量的支护工具以持续提供高支护阻力，防止围岩冒顶[18-20]。基于上述问题及相应灾害防治理论，本文以河南Z煤矿为工程背景，重点研究深井高应力巷道围岩变形规律，探索适应深井高应力巷道开挖初期大变形的支护方案，以期为类似矿井支护提供参考。

1 巷道围岩变形规律研究

河南新乡Z煤矿在西盘区煤层下方开拓两条平行永久大巷，一条西胶带运输巷，一条底板瓦斯措施巷，11080工作面底板瓦斯措施巷与底板措施巷相连，巷道围岩条件如图1所示。三条巷道平均埋深约800 m，受原岩应力及采动应力作用，成巷初期变形速率快，变形量大，顶板迅速沉降、底板突鼓严重、巷帮收缩，巷道变形情况如图2所示。

图1 11080工作面底抽巷围岩垂直示意图

图2 巷道破坏图

为了研究巷道围岩变形规律，采用十字交叉法定期对11080工作面底板措施巷T165 m-T195 m 段的四个测站围岩变形量进行测量，测站间距10 m，并绘制了变形曲线图，如图3所示；采用双基点深部位移监测设备同步监测四个测站的帮部、肩部、顶部的2 m和6 m测点的位移量，位移观测统计数据见表1。

图3 不同测站变形曲线图

表1 不同部位不同深度位移观测统计表

由观测段1#、2#、3#、4#测站变形监测结果可以得出以下两项结论：

(1) 巷道在开挖2～4天内变形最剧烈，顶板沉降速度达到37 mm/d；4～8天变形较强，顶板沉降速度达到24 mm/d；8天后变形速率趋缓，开挖10～20天期间内均匀变形，顶板沉降速度约为15 mm/d，现场观测到顶部锚杆出现破断，巷道出现冒顶隐患，巷道变形整体呈现出“先快后慢，持续变形”的特征。

(2) 巷道开挖后20天内，不同部位0-2 m的浅部区域的变形占0-6 m围岩变形总量的76%～83%，巷道开挖12天后，2-6 m的围岩趋于稳定，因此可以认为巷道开挖后收敛变形绝大部分来自于浅部围岩变形。

2 巷道变形破坏机理研究

2.1 力学基础研究

为了研究巷道变形机理，采用西原体力学模型，视软岩巷道问题为平面圆孔应变问题[18]，考虑到围岩受载破坏失去基本结构后受载因素的复杂性，仅计算巷道围岩初期变形(巷道开挖20天内)围岩变形进行分析。假设原岩应力各向等压，即水平应力等于垂直应力，力学分析模型如图4所示，其中σ为岩石临界应力值，η为黏性系数，k为弹性系数。

图4 西原体弹-黏弹-黏塑性模型

当σ<σs时，摩擦片模型是刚性体，其流变特征呈现出蠕变和松弛性质；当σ≥σs时，其特性与伯格思模型相仿，区别在于模型中的应力除去克服摩擦阻力的应力σs，可在伯格思体流变方程中采用σ-σs代替σ得到西原体的流变方程。

2.2 力学分析及结果

(1) 围岩本构方程：

(1)

(2)

式中，ε为围岩变形量。

(2) 围岩蠕变方程：

(3)

(4)

(3) 围岩变形速率方程

蠕变方程对时间t求导，可得出变形速率：

(5)

(6)

式(5)和式(6)的区别在于为了常数(σ0-σs)/η2，该常数物理含义为当岩石所处位置的地应力小于岩石的临界强度时，岩石变形没有初速度；当该位置处的地应力大于岩石临界的临界强度时，围岩变形存在一个初速度，此时无法判断地应力σ和岩石的该临界值σs的大小关系。

将现场实测的两组关于v和t的观测数据代入式(5)即可计算得出η1和k2。在式(5)中，σ0=σv为垂直应力20 MPa；取两组现场实测数据带入，联立求解确定得出Z煤矿11080工作面底板瓦斯措施巷变形速率v和时间t函数关系为：

v=61e-0.238t+5

(7)

采用插值法进行相似度拟合检验计算，并将式(7)与现场表面实际观测数据进行对比分析，得出变形速率对比图，如图5所示。计算结果表明，现场实测结果与该函数具有较高的相似度。

图5 变形速率对比图

图6 变形量对比图

图7 巷道不同支护强度布置

由式(7)对时间积分得出巷道变形量与时间的关系函数式，即

ε=256-256e-0.238t+5t

(8)

采用西原体模型，变形量理论推导结果和实测结果曲线基本吻合，很好地反映出了深部软岩巷道的弹性、蠕变(包括弹性后失效部分和流变部分)和松弛的物理特性，符合岩石变形特征，可以得出以下结论：

(1) 巷道的变形破坏机理为：在深部软岩巷道开挖后的前期呈现快速变化的粘弹性流动变形，后期呈现较为平缓的粘塑性变形。

(2) 巷道变形量与成巷时间关系基本符合式(8)，且巷道变形主要集中在开挖初期的7～8天内，开挖一周后趋于稳定变形。

3 支护方案效果模拟分析

3.1 不同锚索支护强度效果模拟

基于Z煤矿11080工作面底抽巷围岩条件，对几种传统锚索+锚杆的支护方式进行数值模拟，以研究深部软岩巷道不同支护强度下围岩内部破坏范围变化，对垂直、水平应力分布及垂直位移分布进行对比分析。不同锚索数量和支护强度见表2，选取传统锚索尺寸为直径21.6 mm，长度5 m，抗拔力大于165 KN。

表2 采用锚索数量不同时支护强度

对4种不同支护强度的巷道进行数值模拟，分析巷道围岩变形破坏的控制程度，暂不考虑锚索破断，数值模拟结果见表3。

表3 数值模拟分析结果

数值模拟表明，4种支护条件下的顶板下沉量均远超工程应用中锚索的150 mm左右的延伸量，锚索已经发生破断失效。对比分析可知，当支护强度从0 MPa提高到0.55 MPa时，围岩塑性区范围减小1 m，降低25%，竖直方向应力集中系数和水平应力集中系数变化很小，垂直位移减小110 mm，降低20%，支护强度则从0 MPa提高到0.31 MPa，在围岩支护过程中，效果明显，但当再加强支护时，巷道塑性区范围与变形位移都没有明显的优化效果。围岩的变形能无法充分释放，开挖后释放的巨大的地应力释放到锚索上，锚索因自身延伸量有限，无法承受断面收缩进而破断，该模拟结果与该矿11080工作面底抽巷锚索支护的工程实际情况一致。综上可知，传统的锚索+锚杆支护方式难以有效支护顶板。

3.2 塑性破坏区对比分析

Z煤矿试验段巷道为普通拱巷，掘宽4920 mm，掘高3780 mm，断面面积25.5 m2。针对该工程条件，提出了2种可接长锚杆支护方案与传统支护方案进行对比，4种支护形式如图8所示。

图8 4种支护形式示意图

第一种方式为传统支护方式，顶板不打锚索，采用φ20 mm×2200 mm普通锚杆；第二种方式为顶板补打3根φ20 mm×5000 mm长锚杆；第三种方式为补打5根φ21.6 mm×6500 mm锚索；第四种方式顶板补打3根φ20 mm×5000 mm长锚杆，巷肩补打2根φ20 mm×5000 mm长锚杆。采用FLAC3D对4种巷道支护方式进行数值建模，如图9和10所示。

图9 数值模拟模型

图10 数值模拟4种支护形式示意图

如图11所示为4种支护形式的模拟结果。对比分析可知，4种支护形式下围岩内部塑性区呈现“蝶形”分布，即巷道肩部和底角方向的塑性区明显大于巷道顶部和巷帮，塑性区的最大深度出现在“蝶形”前翼，最大深度接近12 m；巷道顶板处和巷帮位置出现了小范围的拉破坏区域，说明存在水平应力集中现象。模拟结果显示，支护体对于巷道塑性区的影响效果很小，且普通锚杆支护过程中，巷道围岩内部塑性区相对较大，说明围岩内部破坏范围大，尤其是顶板内部塑性区大。

图11 4种支护形式下围岩塑性区对比

模拟结果进一步显示，支护方式(1)中普通锚杆锚固长度较短，锚固部位为破碎围岩塑性区，这也解释了普通锚杆支护效果差的原因；对于支护方式(3)来说，锚索延伸率很小，在大变形条件下早已发生破断。支护方式(2)和(4)采用可接长锚杆，长锚杆可将顶板锚固到围岩上方稳固区域内，塑性破坏区得到有效控制。综上，采用长锚杆支护方式的理论逻辑正确。

3.3 水平应力对比分析

对比分析4种支护形式下巷道围岩水平应力分布的特征，如图12所示，可以看出巷道底板内部的水平应力比顶板部位大；普通锚杆支护下，巷道顶板水平应力比(2)～(4)支护方案的应力略小，但巷道底板水平应力更集中，说明在普通锚杆支护效果下的巷道顶板更破碎，而(2)～(4)支护方案尤其是(4)支护方案的顶板水平应力更大，水平应力集中区域大，说明长锚杆支护下顶板较普通锚杆支护来说更为完整。

图12 4种支护形式下水平应力分布特征

3.4 垂直应力对比分析

对比分析4种支护形式下巷道围岩垂直应力分布，如图13所示，可以发现在巷道顶板内部出现了小范围的垂直应力降低区，该部位为破碎区域，顶板内部的垂直应力降低区越大，破碎范围越大；巷道帮部出现了垂直应力升高区，是由于巷道开挖后，原本巷道部位的围岩承担的垂直应力被巷帮的围岩承担，因而垂直应力出现了升高，由于顶板内部破碎区范围的不同，导致巷帮垂直应力出现不同程度的升高，从模拟结果来看，(2)～(4)的支护效果基本一致，巷帮承受的垂直应力小于普通锚杆支护。