置孔釋壓支護材料孔型排列方式研究

張 博，李彥斌,2，韋慶量，谷 攀

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2.中國礦業大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

隨著煤礦開采深度逐年增加，深部越來越多的巷道在高地應力、松散軟弱的巖層中掘進[1-4]，傳統剛性支護變形協調性差，支護強度低，難以適應深部高應力軟巖巷道變形特點，極易出現錨桿(錨索)滑脫折斷、錨網破網、U型鋼支架扭曲變形等現象，迫使企業投入大量人力物力對巷道進行多次翻新維護[5-9]。為有效控制圍巖變形，降低深部高應力軟巖巷道返修率，李彥斌教授提出了置孔釋壓一次成巷支護技術[10-12]，孫雁新、吳智勇等又分別從孔形選擇與材料布置形式等方面對置孔釋壓材料做了改進研究[13-14]。但目前置孔釋壓支護技術仍有不足之處，需要完善提升。

從巷道能量轉化角度闡述了置孔釋壓支護原理，并基于孔距、孔徑等置孔參數對置孔釋壓材料塑性區邊界的影響，對不同孔型排列方式下的置孔釋壓材料進行力學實驗，確定了置孔釋壓材料最佳孔型排列方式，進一步優化了置孔釋壓支護技術。

1 深部高應力軟巖巷道能量轉換

在高地應力、松散軟弱的巖層中，巖體積聚了大量原始勢能，巷道開挖擾動打破了能量初始平衡狀態[15]，隨著圍巖內部能量釋放，巖體在強度低、應力集中、能量聚積的地方發生形狀和體積的改變，產生彈性或塑性變形甚至破裂崩解。M.D.G.Salamon將巖體視作均質連續介質，列出了地下巖體能量守恒表達式：

Wc+Um=Wr+Uc

(1)

式中：Wc為地下原巖應力因開挖擾動而做的功；Um為挖出巖體釋放的應變能；Wr為開挖過程中損耗的彈性能；Uc為巖體重新積聚的應變能。

在對式(1)進一步分析后，陶振宇[16]認為在許多情況下，只要巖體性質和硐體形式確定，Wc、Um與Wr可被近似認為不變。同時，巷道等硐體在開挖過程中除損耗一部分彈性能外，還會損耗另一部分非彈性能Wn，構筑支護措施后，支護結構也要吸收一部分能量Wf。能量守恒公式改寫如下：

(2)

(3)

(4)

Wf+Wx=const

(5)

式中Wx為誘發巷道圍巖變形破壞的能量。

根據式(5)，增大Wf會降低能量Wx的積聚程度，從而保持圍巖穩定。但傳統剛性支護需要在增加支護成本前提下，通過提高支護強度才能使Wf增大[17]。因此，針對深部高應力軟巖巷道，合理的支護方式應當能夠有效提高支護結構能量吸收能力，而又不必付出巨額支護成本。置孔釋壓支護正是通過設置柔性置孔釋壓材料來達到這一目的的。

2 新型置孔釋壓支護技術

2.1 置孔釋壓支護方法

置孔釋壓支護體系構建方法如圖1所示。

圖1 置孔釋壓支護體系剖視圖

1)巷道開挖后，立即進行錨噴支護，對圍巖進行封堵。

2)根據圍巖應力狀況，留足釋壓空間層，在釋壓層中放置對應大小置孔釋壓材料。其中，置孔釋壓材料是一種新型可壓縮支護材料，由粉煤灰、 煤矸石與不飽和聚酯樹脂混合而成，在材料成型過程中通過預置一定樣式的圓孔和添加劑，使材料具有抗壓強度高﹑讓壓空間大﹑能量吸收性強等特點。

3)在釋壓層表面架設由U型鋼支架與鋼筋網相互連接構成的金屬支架層，起到強力支撐作用。

該方法通過上述構架，將置孔釋壓材料緊密填充在圍巖與金屬支架之間，利用其特殊力學性能和結構特征實現與圍巖的變形協調，體現了圍巖—釋壓材料—支護體的協同作用原理。

2.2 置孔釋壓支護原理

在深部高應力軟巖巷道中，當切向應力高于圍巖應力時會在巷道周圍形成一部分應力增高區，圍巖受擠壓影響而逐漸被壓密甚至壓碎，能量Wx正是在圍巖擠壓變形和破壞過程中得到積聚。置孔釋壓支護原理如圖2所示。

圖2 置孔釋壓支護原理

相較于傳統剛性支護，置孔釋壓支護通過合理架構使置孔釋壓材料與巷道圍巖緊密接觸，利用釋壓材料在高應力條件下主動受壓變形代替部分圍巖變形，從而減小能量Wx的積聚程度。同時隨著圍巖變形對釋壓材料做功，支護結構吸收的能量Wf得到增加，Wx進一步降低，置孔釋壓材料經被開始壓縮至完全壓密，可以釋放掉大部分圍巖應力，大幅改善切向應力、徑向應力及整體圍巖應力環境，使巷道圍巖高應力狀態轉變為低應力狀態，確保圍巖與其他支護體的承載力得以有效發揮，進而實現巷道的長期穩定。

3 置孔釋壓材料孔型排列方式選擇

3.1 置孔釋壓材料力學分析

在置孔釋壓支護系統中，置孔釋壓材料承擔了系統吸收的大部分圍巖能量，當高應力作用在置孔釋壓材料上時，材料發生塑性變形，吸收的能量又分為兩部分[18]：

Wf=Wmf+Wsf+Wzf

(6)

Wsf=Wc+Wn

(7)

式中：Wmf、Wsf、Wzf分別為錨桿、置孔釋壓材料和金屬支架層吸收的圍巖能量；Wc、Wn分別為置孔釋壓材料塑性變形過程中儲存和消耗的圍巖能量。

根據式(7)，若置孔釋壓材料自身塑性區越大，則其變形吸收消耗的圍巖能量就會越小。因此，置孔釋壓材料自身塑性區大小成為影響其支護效果的直接原因。為便于分析材料塑性邊界特點，建立置孔釋壓材料力學模型，如圖3所示。設其所受壓力為p，測壓系數為λ，所置圓孔半徑均為r，相鄰圓孔間距分別為d1、d2、d3。

圖3 置孔釋壓材料力學模型圖

根據彈塑性力學理論，若相鄰圓孔孔距d1、d2、d3均超過2倍影響半徑R，則預置圓孔之間不會產生應力疊加效應。置孔影響半徑計算公式如下：

(8)

則極坐標下置孔釋壓材料預置圓孔附近任意一點(a、θ)處的切向應力σt、徑向應力σr、剪應力τtr為：

(9)

將式(9)代入Mohr-Coulomb屈服準則中，經過推導可得出無應力疊加狀態下置孔釋壓材料自身塑性區邊界隱性方程[19]：

(10)

式中C、φ分別為置孔釋壓材料的黏聚力和內摩擦角。

根據式(10)，當置孔釋壓材料所受壓力及自身屬性(黏聚力和內摩擦角)一定時，改變其孔型排列方式，材料塑性區邊界會跟隨所置圓孔的孔距、孔徑等變化而發生改變，但塑性區邊界計算過程過于繁瑣，從力學角度無法直接推算究竟何種孔型排列方式的置孔釋壓材料塑性區分布范圍最小，支護效果最佳。

3.2 不同孔型排列方式實驗對比

結合實際應用，根據釋壓材料圓孔預置參數公式(11)的要求，按圖4制作6種不同孔型排列方式的置孔釋壓材料，分組測定抗壓強度及可連續變形量。

l1l2l3ω=nπr2li

(11)

式中：l1、l2與l3分別為置孔釋壓材料的3個邊長，為降低尺寸效應干擾，本次實驗材料邊長均取100 mm；ω為置孔率，取0.35；n為孔數；li為置孔深度，取l1、l2或l3。

(a)單孔排列(b)三角形排列 (c)正方形排列

(d)菱形排列(e)梅花形排列 (f)長方形排列

每種孔型排列方式的試件3塊為一組，依次用JL-WAW60伺服萬能試驗機進行壓縮實驗。其中正方形排列方式的置孔釋壓材料實驗過程如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，實驗初期，圓孔飽滿未發生明顯改變，材料僅依靠自身強度就可抵抗壓力作用；當壓力加載至27 MPa時，圓孔出現變形，材料開始釋壓，此狀態標志著材料已達自身強度極限，見圖5(b)；隨著加載范圍不斷擴大，材料承受壓力越來越高，圓孔出現了明顯變形,見圖5(c)；當壓力加載至 36 MPa 時，圓孔閉合程度接近一半，材料逐漸被壓實，釋壓能力變弱,見圖5(d)。

(a)22 MPa (b)27 MPa

(c)31 MPa (d)36 MPa

同理，對其他孔型排列方式的置孔釋壓材料進行壓縮實驗觀察，6組材料的應力—應變曲線如圖6所示。

圖6 不同排列方式的置孔釋壓材料應力—應變曲線

由圖6可知：無論采用何種孔型排列方式，置孔釋壓材料應力—應變曲線皆呈現出3個階段的“階梯狀”特征。第一階段：彈性階段，壓力作用前期，置孔釋壓材料近似呈線彈性變形；第二階段：釋壓階段，置孔釋壓材料自身強度小于圍巖應力，材料壓縮變形釋放壓力；第三階段：釋壓材料被徹底壓實、破壞后，剩余壓力可通過支架承擔。研究表明：當材料強度超過30 MPa時會使金屬支架等支護體產生較大變形，達不到支護目的；當強度低于20 MPa時材料則不易產生連續釋壓，易出現沖擊破壞現象[20]。因此，當可連續壓縮量無明顯區別時，在合理區間內按照抗壓強度就高不就低的原則進行判斷，正方形排列方式的置孔釋壓材料更滿足支護要求。

4 置孔釋壓支護工程實踐應用

山西介休青云煤礦埋深680 m，020202軌道平巷屬于深部高應力軟巖巷道，設計掘進斷面寬4 000 mm，高3 850 mm，原支護方案如圖7(a)所示。

(a)原支護方案

(b)置孔釋壓支護方案

頂板：錨桿采用?20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨索采用?18.8 mm×8 500 mm鋼絞線；兩幫：錨桿采用?20 mm×1 800 mm圓鋼錨桿，錨索采用?17.8 mm×4 300 mm鋼絞線；金屬支架所用U型鋼為29 U。目前巷道出現明顯變形，錨桿、錨索及 U型鋼支架等支護結構開始不同程度被損壞。

現采用正方形排列方式的置孔釋壓支護方案對巷道圍巖重新進行控制，其中：頂部和兩幫全部選擇?20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，金屬支架選擇U29型鋼制作，圍巖與金屬支架間緊密充填單塊規格為200 mm×200 mm×400 mm的置孔釋壓材料，具體布置如圖7(b)所示。

兩種支護方案的巷道圍巖塑性區FLAC3D數值模擬結果如圖8所示，從圖8中可以看出，原支護方案下巷道塑性區在兩幫與底板處厚度尤深，圍巖承載力嚴重下降；采用正方形排列方式的置孔釋壓支護方案后塑性區范圍縮小至圍巖淺部位置，有利于巷道的長期穩定。

(a)原支護方案

(b)置孔釋壓支護方案

在020202軌道平巷中，對置孔釋壓支護方案下的巷道頂底板及兩幫位移量進行監測，并與原支護方案進行比較，兩種支護方案的位移收斂計的監測結果如圖9所示。

(a)原支護方案

(b)置孔釋壓支護方案

由圖9可知：原支護方案下，巷道支護35 d后盡管圍巖變形速率減小，但變形仍在持續增加，最終的巷道頂底板變形量達89 mm，兩幫變形量達到 138 mm，變形嚴重需要及時返修；而采用正方形排列方式的置孔釋壓支護方案35 d后，圍巖變形得到有效控制，巷道頂底板變形量為23 mm，兩幫變形量也僅為 41 mm，兩處變形量降幅均達到70%以上。因此，置孔釋壓支護能有效控制深部高應力圍巖變形。

5 結論

1)針對深部高應力軟巖巷道圍巖控制問題，相較于傳統剛性支護，置孔釋壓支護依靠置孔釋壓材料壓縮變形吸收和消耗圍巖能量，改善圍巖應力狀態，有效發揮出圍巖和支護體承載力，體現了圍巖—釋壓材料—支護體的協同作用原理，達到巷道長期穩定目的。

2)根據材料塑性區邊界隱性方程的推導過程，孔距、孔徑等置孔參數都會對置孔釋壓材料的支護性能造成影響，并基于對6種不同孔型排列方式的置孔釋壓材料抗壓實驗，分析得出正方形排列方式的釋壓材料抗壓強度最符合高應力軟巖巷道支護要求，正方形排列方式是置孔釋壓材料的最佳孔型排列方式。

3)通過實際應用得出，采用正方形排列方式的置孔釋壓支護方案比原剛性支護方案巷道頂底板及兩幫收斂變形量減小70%，進一步驗證了置孔釋壓支護的合理性。