深井锚网巷道安全性判别模型及机理分析

张 军，王建鹏

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；2.华北科技学院科技管理处，河北 三河 065201；3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；4.山西焦煤集团有限责任公司杜儿坪矿，山西 太原 030026)

随着煤炭资源开采向深部延伸，开采环境及条件逐步恶化，深部岩体的强度、密度、脆性特性更加显著，在深部高应力(含构造应力)的作用下，变形能量的积聚程度较高，在巷道开挖及施工过程中，如支护设计不合理，不能实现支护体和围岩承载一体化，无法有效约束巷道开挖卸荷中弹性变形能的释放速度，巷道将会产生前兆不明显的突然失稳。因此深部锚网巷道的整体安全性成为深部煤炭开采中的主要难题。为了预测防止巷道围岩片冒、支护失效和整体失稳，多年来，岩土工程领域的专家进行了大量的工程实践、理论探索和技术研究，深部构造应力对巷道的作用机理，深部巷道安全性的岩石力学问题，环境、围岩、支护体协同作用机理，深部岩体的流变、扩容机理及岩体地质力学模型，“先柔后刚，刚柔共济” 的不良岩层巷道支护措施及“ 新奥法” 的研究与推广，为施工效率的提高、实现巷道、基坑等地下工程安全稳定奠定了坚实的基础[1-8]。

目前，从巷道设计初期对方案进行超前预测评价，提前发现巷道工程变形破坏特征及缺陷，为巷道支护设计及工程施工提供理论依据显得尤为重要。本文对基于摩尔-库伦破坏准则的巷道安全性判别力学模型进行等效变换，从巷道塑性区半径、塑性区位移及其应力三个方面对巷道安全性进行判别，判别指标数据反映的岩体力学变形破坏机理与工程实际相符，表明等效变换后的巷道安全性判别模型科学合理，能为巷道工程优化设计及安全预警提供科学的理论依据。

1 巷道安全性判别模型

巷道开挖并进行适当支护后，易于获取并适用于判别其安全性或支护参数设计的主要指标为巷道的位移、塑性区半径、塑性区应力。其中，位移临界值与围岩岩性有关，脆性较大的砂岩、灰岩取小值，脆性较小的泥岩、页岩取大值；塑性区半径不仅影响巷道的安全性，而且决定了支护方式及其参数；塑性区应力是评价支护阻力是否合理的指标。

1.1 Mohr-coulomb屈服条件

(1

式中：σr、σθ分别为切向应力和径向应力；φ为围岩的内摩擦角；C为围岩的粘结力(或内聚力)。

1.2 当λ=1时安全特性参数临界值

1.2.1 塑性区半径Rp

1)无支护

(2)

2)有支护(Pi为支护力)

(3)

1.2.2 塑性区应力

1)无支护

(4)

2)有支护(Pi为支护阻力)。

(5)

1.2.3 位移

(6)

1.3 当λ≠1时安全特性参数临界值

1)当λ≠1时近似塑性区半径Rp可以表达为

Rp=

(7)

2)近似塑性区应力场

(8)

其中

式中，σcs为岩石在塑性区的抗压强度；其他字符意义同上。

3)位移计算通式为

(9)

1.4 安全性判别的等效处理

1)有锚杆加固时，围岩参数等效处理。① 围岩内聚力的增加；② 围岩内摩擦角的增大；③ 围岩等效单轴抗压强度的提高；④ 围岩等效变形模量的增加。

2)回采巷道所受的最大应力见式(10)。

pc=Kp0

(10)

式中：K为动压作用引起的综合应力集中系数；p0为原岩垂直应力。

2 安全性判别解算软件

基于巷道安全性判别准则及其相应的等效变换，利用VB.net平台开发了巷道安全性判别解算可视化软件，操作界面如图1所示。根据计算巷道基本参数及支护参数，完成巷道断面基本参数、巷道围岩力学参数、支护参数设置后，并选择采动影响、侧压系数后，点击“计算”按钮，即可完成巷道安全性判别参数的准确解算，见图1～4。

图1 无采动影响巷道安全性判别计算结果(操作界面)

图2 有采动影响巷道安全性判别计算结果

图3 有支护无采动影响巷道安全性判别计算结果

图4 有支护有采动影响巷道安全性判别计算结果

3 安全性判别解算结果及机理分析

3.1 安全性判别模型解算结果

本文以大屯煤电公司孔庄矿7432工作面轨道顺槽为研究对象，巷道基本参数、支护参数如图1～4所示。图1所示巷道在无支护、无采动影响条件下，当塑性区半径发展到2.49m，位移达到60mm时，巷道就会失稳；图2所示巷道在无支护、采动影响条件下，当塑性区半径发展到3.30m，位移达到130mm时，巷道就会失稳；图3所示巷道在有支护、无采动影响条件下，当塑性区半径发展到2.01m，位移达到50mm时，巷道就会失稳；图4所示巷道在有支护、有采动影响条件下，当塑性区半径发展到2.59m，位移达到100mm时，巷道就会失稳。

3.2 安全性判别模型解算结果的岩石力学机理分析

1)有采动与无采动相比，塑性区半径和位移均有不同程度的增加，塑性区切向应力和径向应力保持不变。表明采动不会影响围岩应力状态，只会影响围岩塑性区范围及位移；从岩体变形破坏及深部岩体储存弹性能的释放来讲，采动应力导致围岩存储弹性变形能的缓慢释放、岩体持续均匀变形、巷道失稳表现出渐变性，裂隙经历了发生→发展→发育→滑移错动的全过程；机理表现在塑性区范围内产生了较多的非临界扩容裂隙，当临界裂隙产生时诱导围岩体发生离层断裂破坏、巷道失稳。

2)有支护与无支护相比，塑性区半径和位移均有明显减小，应力有所增大。表明锚杆支护作用在于增强围岩的整体性、改变围岩体的受力状态(将巷道开挖卸荷岩体的单向受力变成双向或三向受力)；机理表现在通过增加岩体的围压，提高其抵抗变形破坏的能力；径向和切向应力的增大提高了岩体结构面之间的摩擦力及围岩块体之间的夹制力，提高了巷道围岩体的自撑能力，约束了塑性区的发展和位移的增大。

3)巷道的失稳破坏是由围岩体的变形超临界导致的，而不是应力超临界导致的；应力是变形破坏的动力，巷道失稳是围岩变形累积效应的结果。

4 结论

1)巷道安全性判别模型的解算结果及机理分析揭示了深井围岩的力学现象。①采动导致深井围岩体弹性变形能的缓慢释放和裂隙的均匀分布；②支护体约束了塑性区的发展，改善了应力状态，提高了巷道破坏的临界应力值，但巷道失稳时会发生弹性变形能的突然释放。

2)判别模型解算结果映证了巷道围岩破坏是变形超临界，而不是应力超临界。

3)深部巷道安全性判别模型及其等效变换科学合理，能为巷道支护设计提供理论参考，为巷道的安全预警提供定量化指标。

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