水巖耦合作用下軟巖巷道最佳二次支護時間研究

佟 欣

(遼寧水利職業學院，遼寧省沈陽市，110122)

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水巖耦合作用下軟巖巷道最佳二次支護時間研究

佟 欣

(遼寧水利職業學院，遼寧省沈陽市，110122)

基于水巖耦合作用規律和軟巖巷道工程支護原理，分析了軟巖巷道支護過程中圍巖應力與強度演化過程，利用數值模擬的方法，優化了圍巖支護參數，確定了最佳二次支護時間。數值模擬結果應用于古山煤礦，對古山煤礦水巖耦合作用下的軟巖巷道在最佳二次支護時間段內進行錨桿+錨索的噴錨支護。試驗巷道頂板最大下沉量為12.5cm，兩幫最大收斂量為20.4cm，巷道圍巖得到了很好的控制。

軟巖巷道 水巖耦合 二次支護 數值模擬

我國許多巷道都需要在軟弱圍巖中進行開挖，由于軟巖具有流變特征，巷道開挖后會導致圍巖內部產生新的裂紋，水會通過這些裂紋滲透進巖層中，進而影響巷道圍巖的支護與完整性。國內外學者對水作用下軟巖巷道的變形與應力的二次分布等問題展開了研究，利用FLAC3D數值模擬平臺，對變孔隙水壓力作用下軟巖巷道圍巖位移場和應力場演化規律進行了仿真研究，得出了在巷道圍巖均布孔隙水壓力的條件下，孔隙水壓力對兩幫的影響范圍大于頂底板。一些學者對軟巖巷道二次支護進行研究，得出了圍巖體的強度參數對二次支護時間的確定有著重要影響，巖體的瞬時強度參數越大發生破壞時，強度參數下降的越多，二次支護時間也就相應越大。綜上所述，水巖耦合作用下的軟巖巷道表現出非線性大變形、顯著流變等工程特點，采用一次支護達不到穩定性要求，通常采用二次支護的方法。然而，現場實踐表明，水作用下圍巖的形變對二次支護的時機與強度提出了更高的要求。因此，確定水作用下軟巖巷道的最佳二次支護時間對煤礦生產具有重要的理論及實踐意義。

1 水巖耦合作用對軟巖巷道的變形失穩影響

與普通軟巖巷道相比，水作用下軟巖巷道圍巖變形失穩機理更加復雜多變。水作用下軟巖巷道開挖后，在應力集中區域孔隙壓力增大，在巷道周邊圍巖松動圈內孔隙水壓力消失或產生孔隙負壓，軟巖巷道在水巖耦合作用下的自承能力被削弱。在孔隙水壓作用下，巷道圍巖的最大位移與水平位移也相應地有所增加，給初次支護與二次支護帶來了極大的困難。

水作用極大地削弱了圍巖強度和圍巖自承能力，并且弱化了軟巖體的蠕變強度，提高了蠕變變形量，在沒有二次支護或者二次支護時機與強度耦合效果不好的情況下，會導致巷道圍巖發生蠕變破壞，導致巷道發生失穩破壞現象。

2 最佳二次支護時間的確定

2.1 軟巖巷道支護原理

不同于硬巖巷道的支護原理，水作用下軟巖巷道支護原理是允許圍巖達到塑性狀態。另外，軟巖需通過一定方式釋放其自身具有的巨大的塑性能及膨脹變形能。因此，軟巖巷道支護原理按式(1)表達：

(1)

2.2 最佳二次支護時間(段)的確定

軟巖巷道開挖完成后，圍巖經過一定時間后才會達到穩定狀態。軟巖支護時，若過早對其進行二次支護，則不能充分釋放軟巖經過變形而存儲的膨脹變形能；若過晚對其進行二次支護，雖能充分釋放膨脹變形能，但是圍巖具有的自承力大部分已然喪失，只能作為施載體加載到支護體上，對支護體的強度就會提出更高的要求，支護體往往達不到如此大的支護強度，巷道仍然會發生變形失穩現象。

圖1 最佳支護時間TS示意圖

圖2 最佳支護時段示意圖

軟巖巷道掘進完成后，圍巖原巖應力經過人工擾動，一段時間后會重新分布，巷壁附近會產生高度集中的切向應力，從而導致本區域的巖層產生屈服現象。隨后巖層進入塑性狀態，最終形成塑性區。巖壁產生的應力集中進一步向巖層縱深發展，且新的塑性區范圍隨著應力集中的強度強于圍巖的屈服強度而繼續擴大。若不采取及時有效的支護措施，將出現松動破壞區，此時巷道塑性區將會隨著圍巖變形的增大而出現松動破壞現象。不同于塑性區具有一定自承力，松動破壞使得承載能力完全喪失。

支護處于高應力狀態的軟巖巷道時，當其穩定塑性區出現后再進行支護，但必須控制其非塑性區的發育，也就是要確定最佳二次支護時間，從而使圍巖能夠充分發揮其達到塑性區所具有的自承力，而不致使其失穩破壞。因此，最佳支護時間的力學含義是充分發揮塑性區的自承力而不失穩破壞。

3 巷道控制效果的數值模擬與工程應用

3.1 數值模擬

對古山煤礦水作用下軟巖巷道進行數值模擬，模擬試驗巷道共計掘進30m，支護形式為錨噴支護。錨桿采用螺紋鋼錨桿，型號為?20mm、長2.4m，間排距0.8m×0.8m；錨索采用鋼絞線錨索，型號為?15.24mm、長8m，間排距為2.4m×1.6m；噴漿厚度為350mm；在進行模擬時，掘進過程分6步進行，每步掘進5m。選取巷道掘進15m時圍巖塑性區、圍巖最大位移、x方向位移和剪應力分布變化的數值模擬結果如圖3、4、5和6所示。

圖3 巷道掘進15 m時塑性區分布

圖4 巷道掘進15 m時圍巖最大位移

圖 5 巷道掘進15 m時x方向位移

圖6 巷道掘進15 m時剪應力分布

由圖3可知，巷道掘進15m時，圍巖體僅在巷道0～2m范圍內出現塑性區，其余部分處于彈性狀態，圍巖狀態良好，說明巷道支護有效限制了圍巖體的變形；由圖4和圖5可知，巷道兩幫圍巖位移由圍巖內部向表面逐漸增大，最大為25cm，但僅存在巷道表面圍巖，圍巖大部分位移僅為5cm，巷道圍巖整體狀態良好，說明支護措施有限地控制了軟巖變形向深部延伸；由圖6可知，巷道圍巖僅在小范圍內出現應力集中，最大值為11.5MPa，大部分則處于正常應力區，巷道表面圍巖沒有卸壓區域，說明支護措施明顯地加強了巷道表面的圍巖，巷道狀態良好。

3.2 工程應用

由上述研究成果及支護模擬方案，對古山煤礦水作用下的軟巖巷道在最佳二次支護時間段內進行錨桿+錨索的噴錨支護，同時對試驗巷道段的位移進行監測與分析。由監測與分析可知，巷道的絕對收斂量不大。經過一個月的監測，頂板最大下沉量為12.5cm，兩幫最大移近量為20.4cm。由圍巖移近量來看，巷道周圍呈均勻內擠的趨勢，巷道圍巖活動在掘進后20d左右趨于平穩，取得了較好的控制效果。

4 結論

(1)導致水作用軟巖巷道形變以至失穩破壞的機理是，水巖互相作用削弱了圍巖強度，降低了圍巖的自承能力，弱化了軟巖體的蠕變強度，加劇了軟巖體蠕變變形，在二次支護時機不當的情況下，將會加劇巷道圍巖蠕變變形，最終會導致巷道失穩破壞。

(3)構造應力機制和水作用機制共同作用是導致古山煤礦水作用軟巖巷道圍巖產生變形失穩的主要原因，基于論文的研究成果，對其進行了現場工業試驗，從監測數據分析可知，錨桿+錨索的噴錨聯合支護適合于水作用軟巖巷道。

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(責任編輯 陶 賽)

Research on the best time of secondary support of soft rock roadway under water-rock coupling interaction

Tong Xin

(Liaoning Water Conservancy Vocational College, Shenyang, Liaoning 110122, China)

Based on water-rock coupling interaction rules and soft rock tunnel support principles, this paper analyzed the stress and strength evolution process during the support of soft rock roadway by numerical simulation, parameters of surrounding rock were optimized, the best time of secondary support was determined. The research achievements were applied in Hong Miao Mine, using shotcrete rockbolt support of bolt and cable on soft rock roadway under water-rock coupling interaction during the best time of secondary support. The maximum subsidence of experimental roadway roof was 12.5 cm, the maximum convergence of roadway sides was 20.4 cm, and the surrounding rock was favorably controlled.

soft rock roadway, water-rock coupling, secondary support, numerical simulation

遼寧省教育科學“十一五”規劃立項課題(項目編號：27-17)

佟欣.水巖耦合作用下軟巖巷道最佳二次支護時間研究[J]. 中國煤炭，2017，43(6)：81-84.TongXin.Researchonthebesttimeofsecondarysupportofsoftrockroadwayunderwater-rockcouplinginteraction[J].ChinaCoal，2017,43(6)：81-84.

TD

A

佟欣(1967-)，女，遼寧沈陽人，碩士，副教授，主要研究方向為水利水電建筑工程。