深井錨網(wǎng)巷道安全性判別模型及機理分析

張 軍，王建鵬

(1.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083；2.華北科技學院科技管理處，河北 三河 065201；3.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；4.山西焦煤集團有限責任公司杜兒坪礦，山西 太原 030026)

隨著煤炭資源開采向深部延伸，開采環(huán)境及條件逐步惡化，深部巖體的強度、密度、脆性特性更加顯著，在深部高應力(含構造應力)的作用下，變形能量的積聚程度較高，在巷道開挖及施工過程中，如支護設計不合理，不能實現(xiàn)支護體和圍巖承載一體化，無法有效約束巷道開挖卸荷中彈性變形能的釋放速度，巷道將會產生前兆不明顯的突然失穩(wěn)。因此深部錨網(wǎng)巷道的整體安全性成為深部煤炭開采中的主要難題。為了預測防止巷道圍巖片冒、支護失效和整體失穩(wěn)，多年來，巖土工程領域的專家進行了大量的工程實踐、理論探索和技術研究，深部構造應力對巷道的作用機理，深部巷道安全性的巖石力學問題，環(huán)境、圍巖、支護體協(xié)同作用機理，深部巖體的流變、擴容機理及巖體地質力學模型，“先柔后剛，剛柔共濟” 的不良巖層巷道支護措施及“ 新奧法” 的研究與推廣，為施工效率的提高、實現(xiàn)巷道、基坑等地下工程安全穩(wěn)定奠定了堅實的基礎[1-8]。

目前，從巷道設計初期對方案進行超前預測評價，提前發(fā)現(xiàn)巷道工程變形破壞特征及缺陷，為巷道支護設計及工程施工提供理論依據(jù)顯得尤為重要。本文對基于摩爾-庫倫破壞準則的巷道安全性判別力學模型進行等效變換，從巷道塑性區(qū)半徑、塑性區(qū)位移及其應力三個方面對巷道安全性進行判別，判別指標數(shù)據(jù)反映的巖體力學變形破壞機理與工程實際相符，表明等效變換后的巷道安全性判別模型科學合理，能為巷道工程優(yōu)化設計及安全預警提供科學的理論依據(jù)。

1 巷道安全性判別模型

巷道開挖并進行適當支護后，易于獲取并適用于判別其安全性或支護參數(shù)設計的主要指標為巷道的位移、塑性區(qū)半徑、塑性區(qū)應力。其中，位移臨界值與圍巖巖性有關，脆性較大的砂巖、灰?guī)r取小值，脆性較小的泥巖、頁巖取大值；塑性區(qū)半徑不僅影響巷道的安全性，而且決定了支護方式及其參數(shù)；塑性區(qū)應力是評價支護阻力是否合理的指標。

1.1 Mohr-coulomb屈服條件

(1

式中：σr、σθ分別為切向應力和徑向應力；φ為圍巖的內摩擦角；C為圍巖的粘結力(或內聚力)。

1.2 當λ=1時安全特性參數(shù)臨界值

1.2.1 塑性區(qū)半徑Rp

1)無支護

(2)

2)有支護(Pi為支護力)

(3)

1.2.2 塑性區(qū)應力

1)無支護

(4)

2)有支護(Pi為支護阻力)。

(5)

1.2.3 位移

(6)

1.3 當λ≠1時安全特性參數(shù)臨界值

1)當λ≠1時近似塑性區(qū)半徑Rp可以表達為

Rp=

(7)

2)近似塑性區(qū)應力場

(8)

其中

式中，σcs為巖石在塑性區(qū)的抗壓強度；其他字符意義同上。

3)位移計算通式為

(9)

1.4 安全性判別的等效處理

1)有錨桿加固時，圍巖參數(shù)等效處理。① 圍巖內聚力的增加；② 圍巖內摩擦角的增大；③ 圍巖等效單軸抗壓強度的提高；④ 圍巖等效變形模量的增加。

2)回采巷道所受的最大應力見式(10)。

pc=Kp0

(10)

式中：K為動壓作用引起的綜合應力集中系數(shù)；p0為原巖垂直應力。

2 安全性判別解算軟件

基于巷道安全性判別準則及其相應的等效變換，利用VB.net平臺開發(fā)了巷道安全性判別解算可視化軟件，操作界面如圖1所示。根據(jù)計算巷道基本參數(shù)及支護參數(shù)，完成巷道斷面基本參數(shù)、巷道圍巖力學參數(shù)、支護參數(shù)設置后，并選擇采動影響、側壓系數(shù)后，點擊“計算”按鈕，即可完成巷道安全性判別參數(shù)的準確解算，見圖1～4。

圖1 無采動影響巷道安全性判別計算結果(操作界面)

圖2 有采動影響巷道安全性判別計算結果

圖3 有支護無采動影響巷道安全性判別計算結果

圖4 有支護有采動影響巷道安全性判別計算結果

3 安全性判別解算結果及機理分析

3.1 安全性判別模型解算結果

本文以大屯煤電公司孔莊礦7432工作面軌道順槽為研究對象，巷道基本參數(shù)、支護參數(shù)如圖1～4所示。圖1所示巷道在無支護、無采動影響條件下，當塑性區(qū)半徑發(fā)展到2.49m，位移達到60mm時，巷道就會失穩(wěn)；圖2所示巷道在無支護、采動影響條件下，當塑性區(qū)半徑發(fā)展到3.30m，位移達到130mm時，巷道就會失穩(wěn)；圖3所示巷道在有支護、無采動影響條件下，當塑性區(qū)半徑發(fā)展到2.01m，位移達到50mm時，巷道就會失穩(wěn)；圖4所示巷道在有支護、有采動影響條件下，當塑性區(qū)半徑發(fā)展到2.59m，位移達到100mm時，巷道就會失穩(wěn)。

3.2 安全性判別模型解算結果的巖石力學機理分析

1)有采動與無采動相比，塑性區(qū)半徑和位移均有不同程度的增加，塑性區(qū)切向應力和徑向應力保持不變。表明采動不會影響圍巖應力狀態(tài)，只會影響圍巖塑性區(qū)范圍及位移；從巖體變形破壞及深部巖體儲存彈性能的釋放來講，采動應力導致圍巖存儲彈性變形能的緩慢釋放、巖體持續(xù)均勻變形、巷道失穩(wěn)表現(xiàn)出漸變性，裂隙經歷了發(fā)生→發(fā)展→發(fā)育→滑移錯動的全過程；機理表現(xiàn)在塑性區(qū)范圍內產生了較多的非臨界擴容裂隙，當臨界裂隙產生時誘導圍巖體發(fā)生離層斷裂破壞、巷道失穩(wěn)。

2)有支護與無支護相比，塑性區(qū)半徑和位移均有明顯減小，應力有所增大。表明錨桿支護作用在于增強圍巖的整體性、改變圍巖體的受力狀態(tài)(將巷道開挖卸荷巖體的單向受力變成雙向或三向受力)；機理表現(xiàn)在通過增加巖體的圍壓，提高其抵抗變形破壞的能力；徑向和切向應力的增大提高了巖體結構面之間的摩擦力及圍巖塊體之間的夾制力，提高了巷道圍巖體的自撐能力，約束了塑性區(qū)的發(fā)展和位移的增大。

3)巷道的失穩(wěn)破壞是由圍巖體的變形超臨界導致的，而不是應力超臨界導致的；應力是變形破壞的動力，巷道失穩(wěn)是圍巖變形累積效應的結果。

4 結論

1)巷道安全性判別模型的解算結果及機理分析揭示了深井圍巖的力學現(xiàn)象。①采動導致深井圍巖體彈性變形能的緩慢釋放和裂隙的均勻分布；②支護體約束了塑性區(qū)的發(fā)展，改善了應力狀態(tài)，提高了巷道破壞的臨界應力值，但巷道失穩(wěn)時會發(fā)生彈性變形能的突然釋放。

2)判別模型解算結果映證了巷道圍巖破壞是變形超臨界，而不是應力超臨界。

3)深部巷道安全性判別模型及其等效變換科學合理，能為巷道支護設計提供理論參考，為巷道的安全預警提供定量化指標。

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