動靜組合應力作用下巷道圍巖變形與控制技術研究方法

摘 要：深部巷道處于高靜載地應力場環境中，同時易受外部開采擾動等動力沖擊載荷的影響（如頂板斷裂型沖擊、爆破沖擊、礦震沖擊等），在動靜組合應力作用下深部巷道的大變形甚至失穩破壞等動力災害是深部礦井安全開采面臨的關鍵問題之一。在對深部巖體受動靜加載作用下的動力響應特征進行前期研究的基礎上，采用力學理論分析、計算機仿真模擬結合支護體結構力學實驗等綜合研究方法。首先分析外部動載影響下深部巷道圍巖應力場演變規律及圍巖內部擾動影響區的動態運移特征，闡明深部巷道在高靜載沖擊擾動條件下的長期大變形破壞機制；進而提出動靜組合應力作用下深部巷道保持長期穩定的條件，建立巷道支護準則。其次在理論研究的基礎上，將以鋼管混凝土支架為主體的新型復合支護技術用于控制深部巷道穩定性，對鋼管混凝土支架的力學特征及其與深部巷道圍巖的相互作用關系進行理論與實驗研究，建立動靜組合應力作用下深部巷道新型支護控制體系。

關鍵詞：巷道圍巖變形；鋼管混凝土；力學分析

研究方法探討

本方法采用力學理論分析、計算機數值模擬結合實驗室結構力學實驗等綜合研究方法，對動靜組合應力作用下深部巷道長期大變形失穩機制及穩定性控制問題進行深入研究。

1、動靜組合應力作用下圍巖長期大變形失穩機制研究

主要通過力學建模與理論分析結合計算機數值模擬方法來研究動靜組合應力作用下圍巖的長期大變形機理。首先建立合理的深部巷道圍巖力學作用模型，運用礦山巖體力學與礦壓理論分析巷道開挖后的應力狀態分布，對巷道周邊圍巖的變形破壞狀態進行分析，劃分破裂區和擾動影響區的分布范圍，如圖1所示。破裂區內圍巖強度降低至殘余強度，圍巖失去原承載能力；擾動影響區內圍巖切向集中應力σθ處于圍巖抗擾動強度σr（圍巖抵抗外界擾動影響的最小強度與極限強度σc之間，圍巖短時破裂現象停止，擾動變形持續發育，隨著變形持續增大，擾動影響區最終會發育為破裂區，使得擾動影響區向圍巖內部轉移。

動靜組合應力作用下的深部巷道長期大變形，本質上是由于圍巖擾動影響區域不斷向內部轉移的結果，在這個過程中，圍巖切向集中應力逐漸衰減，而內部圍巖隨著圍壓的增大其抗擾動強度及極限強度逐漸增強。因此下一步，通過力學分析，研究內部圍巖集中應力的不斷衰減與巖體抗擾動強度不斷增長的關系，分析圍巖流變擾動應力場的動態演變規律，探討擾動影響區向圍巖內部不斷發展的規律，揭示出流變擾動條件下深部巷道長期大變形及失穩破壞機理。在上述分析的基礎上，運用彈塑性力學與流變力學原理，通過合理的基本假設，推導出各個區域的寬度計算公式，對其變形特征參量進行定量分析。同時在研究過程中采用FLAC3D數值模擬軟件對巷道開挖后的應力場演變規律進行計算機模擬研究，對理論研究結論進行驗證和調整。

2、深部巷道長期穩定性控制技術研究

首先提出動靜組合應力作用下深部巷道的支護準則，確定采用復合支護手段對圍巖進行控制；其次運用巖層控制及礦山巖體力學理論分析不同的支護體對巷道圍巖的控制作用機理，如金屬網、混凝土噴層、錨桿、錨索及剛性支架分別能夠對巷道圍巖穩定性控制起到何種作用，各種支護體的支護能力及其之間的銜接配合等；最后通過建立力學模型、設定合理的基本假設，根據巷道圍巖保持長期穩定的條件，理論推導出支護體為保持圍巖長期穩定所需要提供的初次支護與二次支護強度計算公式。

3、鋼管混凝土支架結構及性能研究

鋼管混凝土支架是依據巷道斷面形狀將空鋼管彎曲制作成相應的形狀，然后在空鋼管支架內充填混凝土，用于巷道圍巖穩定性控制的結構構件。其結構特點包括：①它通過鋼管管殼的約束作用使內部混凝土處于三向受壓狀態，從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強度；同時內填混凝土與鋼管管殼共同承受軸向壓力，增強了鋼管的幾何穩定性，能夠避免鋼管壁過早的發生局部屈曲破壞。②鋼管混凝土構件具有圓柱狀外形，抗彎剛度大，無異向性，不易扭曲變形，用于井下深部巷道支護，不會出現U型鋼支架的扭曲破壞等結構失穩現象。鋼管混凝土構件及圓形鋼管混凝土支架結構圖如圖2所示。依據現在煤礦井下比較常用的巷道斷面形狀，鋼管混凝土支架較常用的設計形狀有：圓形、直墻半圓拱+反底拱形、弧墻圓拱形、弧墻三心拱形，其中以前三種較為常用。

4、支架結構研究

利用結構力學理論，研究不同斷面形狀支架的受力特征及穩定性，判斷不同斷面形狀的支架對原巖應力場的適應性以及對巷道圍巖的支護效果；對單個支架的結構構成以及各支架間的連接進行研究，保證支護體系的整體穩定性。支架承載力研究：鋼管混凝土支架的極限承載能力主要受鋼管混凝土短柱的極限承載力影響，利用理論計算及力學實驗的手段對鋼混支架短柱承載力進行研究，進而研究分析鋼混支架的支護強度。

參考文獻

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[3]范慶忠.巖石蠕變及其擾動效應試驗研究[D].山東科技大學，2006.

作者簡介：

1.劉瑞（1998-）男，漢族，山東省濟寧人，本科，山東科技大學礦業與安全工程學院采礦工程專業2016級，研究方向為采礦工程

2.呂鎮（1998-）男，漢族，山東省青島人，本科，山東科技大學礦業與安全工程學院采礦專業2016級，研究方向為采礦工程

（作者單位：山東科技大學）