深层软岩巷道支护技术研究

骈丽军

（晋煤集团沁秀公司坪上煤业有限公司，山西晋城048200）

为满足我国对煤炭的需求，开采深层煤炭成为现在煤炭行业需要面对的问题。由于深层煤矿围岩的结构相对复杂，导致在巷道掘进时可能会挖掘到稳定性低的软弱类型岩层。目前最难解决的关键技术问题之一就是控制好深层采煤巷道的变形问题。针对以上问题，对深层软岩巷道支护进行了深入研究[1-3]。

1 深层软岩对巷道变形的影响

影响巷道的稳定性的因素，有很大方面是取决于围岩本身和巷道与围岩之间的关系。巷道是在原岩上挖掘的，挖掘巷道后，原岩的结构遭到破坏，围岩在张力的作用下，压力和剪切应力会随着围岩的深度逐渐增加。

随着巷道的不断深入，巷道顶部与基岩分离出的岩石通过重力作用对支撑结构施加一个微弱的压力，下落后产生微空隙。巷道墙体顶部的微空隙使得岩石很容易从周围环境中分离出来。这些松散形式的块状岩石可以在巷道中自由移动。巷道的中部层状岩体将发生滑动，巷道的侧壁受岩体滑动而产生变形。

另外，在高应力状态下的软岩巷道，由于软岩强度低，会在围岩内部产生围岩松动圆，松动面积非常大。而围岩与接触面支护结构之间间隙很小，在高压下容易引起应力集中。在这种情形下，支护结构和围岩极易被破坏[4-7]。

2 围岩巷道力学模型建立

通过上述对深层软岩对巷道变形影响的分析，应建立该类型围岩巷道的力学模型，判断巷道中围岩应力场的变化。

首先要按照常规巷道围岩考虑弹性变形变量计算。因为塑性区的弹性变形不是常量，而是随着半径的变化而变化[8-10]，需做如下假设：

（1）根据隧道的受力情况，将应力分解为水平和竖直两部分，其应变属于平面应变，即受力长度为∞，忽略隧道内围岩的重量。

（2）巷道围岩的结构为弹塑性，其性质假设为理想状态下的各向同性。

（3）巷道的侧压力为变值，其数值的大小会根据其压力系数的增大而增大，压力系数会参照具体的围岩特性。

（4）围岩巷道压力坐标轴采用极坐标系，其中拉压应力为负值，拉应力为正值。巷道围岩力学模型如图1所示。

图1 巷道围岩力学模型

软弱围岩的应力场可以分解为均匀支护抗力应力场和围岩施加的非均匀应力场两部分，其中：均匀支护抗力的应力场为作用于巷道内表面的均布支护抗力Q，通过梅拉公式求解得出：

式中：P——围岩的围压，MPa；

λ——侧压力系数，0.8；

Q——巷道内表面均布支护抗力，MPa；

R——弹塑性区边界半径，mm；

r——圆形巷道的半径，mm；

σr——支护应力场塑性区内的径向应变；

σθ——支护应力场塑性区内切向应变。

围岩施加的非均匀应力场，其弹塑性交界处边界条件为(σr)r=R=0。根据围岩力学模型边界条件，运用半逆解法和相容方程等积分求解，力学模型关系式可表示为：

式中：θ——压力点与底板中心的夹角；

σr——围岩应力场塑性区内的径向应变；

σθ——围岩应力场塑性区内切向应变。

通过文献[5]研究，将上述支护抗力应力场与围岩非均匀应力场叠加，就可以得到有关围岩弹塑性半径的等式。

3 软弱围岩支护弹性解

因为围岩力学性质恶化的主要因素是当围岩从弹性状态转至塑性状态时，围岩材料内部发生变化，岩体内产生微裂隙而导致巷道变形。通过计算巷道围岩的弹塑性半径，可以判定出围岩支护是否满足要求。

首先利用二向应力状态分析得到围岩的主应力分布。

式中：σ″θ——支护应力场径向应变与围岩应力场径向应变叠加；

σ″r——支护应力场径向应变与围岩应力场径向应变叠加。

利用Hoek-Brown破坏准则，能够准确地反映出围岩最大应力与最小应力之间的关系，具体方程为：

式中：σci——单轴抗压强度，经现场检测其强度为19.5MPa；

mb——岩石材料常数，反映岩石软硬度，取值10；

s——岩石材料常数，反映岩石破碎度，软岩属于易破碎岩体，取值0；

α——无量纲系数，取值0.5π。

根据某矿井围岩现场检测数据，围岩压力P=-25MPa，侧压力系数λ=0.8，巷道半径为2300mm；将围岩巷道力学模型代入Hoek-Brown破坏准则，选取Q=0MPa、Q=3MPa、Q=6MPa分别表示围岩巷道不支护、弱支护和强支护的情况，得到巷道围岩内的弹塑性半径随着角度的变化曲线，如图2所示。

图2 围岩巷道弹塑性半径的变化曲线

从图2中可以看出，深层软弱围岩的巷道弹塑性半径最小的角度在90°和270°时，即巷道侧壁处，弹塑性半径最大的角度在180°即拱顶位置。在没有支护的巷道，弹塑性半径最小值为2800mm，与巷道边缘只有500mm，必须及时给巷道做支护。

在巷道增加3MPa和6MPa均匀支护后发现，其中，围岩半径最低点转到了120°，最小值为3000mm，围岩弹塑性半径显著增加，大约为16.8%。

通过上述研究发现，为保证深层软岩巷道安全稳定，应提供相应的支护，支护位置优先选择巷道侧面与120°圆弧处。

4 现场实验

针对上述理论计算，对某矿井的软弱围岩巷道进行支护实验，支护结构采用U型钢拱架与锚喷共同支护的形式。拱架分为三片，分别支护在巷道两侧及拱顶处。具体布置如图3所示。

为保证试验数据的准确真实，检定员会每天下井对围岩巷道检测巷道位移收敛量，并计算出每天的收敛率，具体数据如图4、图5所示。

图3 巷道围岩试验模型（单位：mm）

图4 试验巷道收敛量

图5 试验巷道收敛率

从图4、图5中可以看出，巷道变形周期大约为7周，7周后趋于稳定，从巷道收敛量来看，巷道变形量最大值为20mm，同两帮和顶板的变形量比较接近，说明巷道变形在其支护下得到了稳定控制。

从围岩收敛变形率来看，巷道变形在前10d收敛率逐渐升高，到第16d时达到最大值，最大收敛率为1.5%，随后收敛速率显著下滑，并在第49d趋近于零。说明该类型支护能够有效降低深层软岩巷道的收敛速度。

5 结论

在分析了深层软岩对巷道的影响后，以局部支护条件下的圆形巷道截面建立了力学模型，对围岩的弹塑性半径进行了分析计算，将计算结果应用于某矿井的深层软岩巷道。得到如下结论：

（1）围岩的弹塑性半径是巷道可能被破坏的主要决定因素，巷道内围岩的剥落、底面鼓起等破坏形式均与此有关。

（2）通过理论计算，增加软岩巷道两侧面及120°拱顶的支护，可有效地增加巷道的弹塑性半径，提高巷道的稳定性。

（3）依据深层软岩变形的弹性解，将锚喷结构应用于某矿井巷道，试验结果显示，该类方式支护的巷道，收敛变形量较小，有效控制了巷道变形。