深部巷道薄厚组合壳支护适用性模拟分析

孙利辉，宋家乐，贺庆丰，丁 斌，彭世龙，熊怀鑫，杨贤达，3，杨本生，3

（1.河北工程大学 矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038；2.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710054；3.河北省煤炭资源综合开发与利用协同创新中心，河北 邯郸 056038）

我国中东部大部分煤矿已处于深部开采阶段[1-3]，随开采深度的不断增加，巷道所处的地质条件也愈发复杂，尤其是地应力对巷道稳定的影响更加突出[4-6]。地应力是导致巷道围岩破坏失稳的重要因素[7-8]，使巷道出现冒顶、底鼓和两帮内敛等现象[9-12]，实践表明传统的支护结构及技术难以控制巷道围岩[13-16]，严重影响了煤矿的安全生产。故亟需针对实际地应力分布规律研发新的支护结构及技术以控制巷道变形。

主应力量值、方向与巷道的夹角是造成围岩发生失稳破坏的主要原因。在不同水平应力作用下，巷道围岩的失稳情况呈现出不同变化，很多学者对此进行了卓有成效的研究：孙玉福[17]认为，巷道围岩的塑性区随巷道轴线与所处地层最大水平主应力夹角的增大而不断增大，当夹角在20°～70°时变化较为明显；孙利辉等[18]认为，λ<1 时，巷道断面呈横向椭圆状，λ=1 时，巷道断面呈圆形，λ>1 时，巷道断面呈竖向椭圆状，说明侧压系数对巷道断面形状具有重大影响；董海龙等[19]认为随着巷道围岩中侧压系数由0.3 增加到1.0，其塑性区形状越来越趋近于圆形，其塑性区范围越来越小。但前人的研究大多具有地域性，我国煤炭资源分布广泛，不同的地区的地质条件不尽相同，也致使不同地域的地应力分布规律与围岩稳定性的关系也不尽相同，明确具体区域中的关系才能为进一步控制围岩奠定理论基础。

峰峰集团羊东矿-850 m 水平回风大巷埋深达到了1 000 m，是典型的深部巷道，成巷后半年内即出现了灾害性大变形现象，顶板条带式破坏，底板严重底鼓等问题，巷道前掘后修情况严重，为有效控制羊东矿深部巷道围岩变形，对羊东矿地应力分布规律与巷道围岩稳定性的关系进行了研究，并研发出了波纹钢薄壳+锚注体厚壳协同控制围岩的薄厚组合壳控制技术，为深部巷道围岩控制提供了基础理论依据。

1 工程背景

峰峰集团羊东矿-850 m 水平回风大巷位于中砂岩层位，层厚26 m，巷道距离中砂岩顶界12 m、距离中砂岩底界10 m；中砂岩上部为粉砂岩，层厚20.1 m，中砂岩下部为粉砂岩，层厚5.0 m；5.0 m 厚粉砂岩下部为2#煤，2#煤距巷道垂直距离为15 m，层厚为6.0 m。

回风大巷设计为直墙半圆拱形，高×宽为4 150 mm×4 700 mm，采用锚网喷+锚索+高凸T 型钢支护，支护参数如下：锚杆规格为φ20 mm×2 400 mm，间排距700 mm×700 mm，锚杆托盘为200 mm×200 mm×16 mm 的钢板；锚索规格为φ21.6 mm×7 350 mm，间排距1 400 mm×1 400 mm，锚索托盘为200 mm×140 mm×30 mm 的钢板，每个断面5 根锚索采用2 条弧形高凸T 型钢带进行联锁；全断面挂φ6钢筋编织焊接成的钢筋网，规格为1 500 mm×800 mm；初喷厚度50 mm、复喷厚度100 mm，C20 混凝土。巷道原支护断面图如图1。成巷支护后，巷道围岩仍出现大变形，在成巷支护后40 d，两帮变形达到87 cm，在成巷支护后50 d，底板变形量达到95 cm，巷道需要反复维修方能维持正常使用。

图1 回风大巷原支护断面图Fig.1 The original support section of the main roadway of the return wind

2 羊东矿地应力分布规律

地应力是引起地下工程变形和破坏的根本作用力[20]，地应力分布规律对矿井开拓布置，巷道设计支护参数等具有重要意义，是矿井重要的基础研究资料。根据矿井实际地应力的大小和方向对巷道的支护设计参数进行优化更加科学。在回风大巷起点以里40 m 和60 m 处设置了2 个测点，利用应力解除法进行了原岩应力测试。结果表明：-850 m 水平区域最大主应力为水平主应力，最大水平主应力的量值平均为27.97 MPa，方位角平均为112.12°，东偏南向；侧压系数在1.23～1.42 之间；最大水平主应力与回风大巷轴向夹角为68°，属于大角度斜交，巷道局部区域极易发生变形破坏。地应力测试结果见表1。

表1 羊东矿地应力测试结果Table 1 Yangdong Mine stress test results

3 深部巷道波纹钢薄壳+锚注厚壳组合壳支护

针对深部巷道围岩形变特征，提出了深部巷道双壳加固技术。波纹钢材料在土木工程桥梁、涵洞支护应用中具有良好的力学性能和便捷的施工工艺。基于双壳加固技术和波纹钢材料的优点，采用B 型波纹钢拼接板实施巷道表层支护形成表层薄壳、锚注加固使巷道围岩形成内层厚壳，2 个壳体通过锚索实现力学相互作用，由此形成深部波纹钢（薄壳）-锚注体（厚壳）的新型双壳支护结构[21]，控制巷道围岩稳定，薄厚组合壳结构示意图如图2。波纹钢板与巷道内壁的缝隙用充填体进行填充，使波纹钢板和巷道围岩内壁充分接触，波纹钢板和缝隙内充填体构成了波纹钢薄壳。穿过波纹钢板在巷道围岩中布置注浆锚杆索，对破碎围岩进行注浆，围岩及锚注体形成了厚壳。厚壳抵御高地应力，薄壳具有较好的弹性和护表性，可以对巷道轮廓起到良好的保持作用；薄壳和厚壳连接紧密，协同作用，共同抵抗地应力，对巷道围岩起到良好的控制作用。将巷道扩修为圆形巷道，巷道毛断面直径为4 932 mm。圆形波纹钢薄壳断面由12 块Q235 材质的B 型波纹钢板拼接而成，波纹钢板的单板长度1 245 mm，宽度为450 mm，波深d 为45 mm，波距l 为178 mm，波形内弧半径R 为16 mm，两侧翻边高度L 为45 mm，板厚T 为4.75 mm。波纹参数如图3。

图2 薄厚组合壳结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the thin-thick combined shell structure

图3 波纹参数Fig.3 Corrugated parameters

针对羊东矿-850 m 水平回风大巷具体情况，设计巷道薄厚组合壳支护。全断面安装8 根规格为φ22 mm×2 400 mm 的中空注浆锚杆，上半部中间布置1 根、左右各布置1 根，间排距为1 870 mm×900 mm，下半部中间布置1 根、左右各布置2 根，中间锚杆到两侧锚杆的间排距为1 870 mm×900 mm，左右两侧锚杆的间排距为1 245 mm×900 mm，托盘均为100 mm×100 mm×10 mm 的方形铁板；全断面安装6根规格为φ21.6 mm×6 000 mm 的中空注浆锚索，间排距为2 490 mm×1 800 mm，托盘为160 mm×160 mm×16 mm 的方形铁板；全断面共安装12 块厚度为4.75 mm 的Q235 波纹钢；全断面通过注浆锚杆和注浆锚索实施高压注浆。

4 羊东矿-850 水平回风大巷数值模拟

4.1 波纹钢板薄厚组合壳数值模型

应用数值模拟技术，深入研究巷道薄厚壳结构在不同地应力场环境下围岩支护结构的抗变形能力，最终得到巷道在不同侧压系数下的变形规律。网格体中所有区域均采用摩尔库伦本构模型，模型尺寸为x×y×z=50 m×20 m×50 m，模型分为5 层，自上而下分别为粉砂岩、中砂岩、粉砂岩、2#煤、粉砂岩，巷道周围为等效注浆层。锚杆、锚索采用cable 单元布置，波纹钢采用shell 单元布置。模型剖面如图4，煤岩物理力学参数见表2。

表2 煤岩物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock

图4 模型剖面图Fig.4 Model section

模型分11 种方案模拟，垂直于巷道轴线的侧压系 数λ 分别为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.25、1.5、2.0、2.5、3.0，模型算至平衡。

4.2 侧压系数变化对巷道截面轮廓的影响

不同侧压系数下巷道最终截面轮廓形状如图5。由图5 可知：当0.5≤λ<1 时，巷道断面轮廓呈横向椭圆形，这主要是巷道围岩中垂直应力大于水平应力，此时岩石的三向受力状态中，起决定性作用的是垂向应力，巷道在断面轮廓上主要受垂向应力控制，巷道采用全封闭的波纹钢做薄壳支护，周围岩体尽管已经失稳破坏，但由于没有达到波纹钢薄壳的极限承载能力，波纹钢还处于弹性状态，所以巷道断面轮廓呈现出较为平滑的横向椭圆状；当λ=1 时，巷道断面轮廓呈圆形，在静水应力状态下，外载荷强度并未达到波纹钢薄壳的极限承载能力，所以巷道断面轮廓平滑，呈现为圆形；当1<λ≤2 时，巷道的断面呈现为竖向的椭圆形，这是由于巷道围岩中水平应力大于垂直应力，巷道在水平应力作用下，巷道两帮向内收敛，而巷道垂直应力导致的巷道顶底板变形小于巷道两帮变形，但在波纹钢薄壳约束下，巷道断面轮廓依然较为平滑，呈现竖向椭圆形状；当2<λ≤3，巷道断面的顶底板区域不再平滑，这是由于在较大的水平应力主导作用下，波纹钢薄壳失稳破坏，巷道两帮收敛量增大，巷道顶底板的位移量相对较小，造成波纹钢在顶底板产生破坏，所以巷道断面呈现出上下两头较尖、中间较粗的不规则形状。

图5 不同λ 下巷道截面轮廓Fig.5 Cross-section profile of roadway under different λ

不同侧压系数对应的巷道截面面积如图6。巷道截面面积具有一定的规律性，可采用线性拟合方法得到拟合曲线及方程，进而得到随侧压系数与巷道截面积的变化规律。

图6 不同λ 下巷道截面面积Fig.6 Cross-sectional area of roadway under different λ

得到拟合的曲线方程为：

式中：S 为巷道截面积；λ 为侧压系数。

根据数值模拟结果，在λ=0.8 时，巷道断面有最大面积，为17.06 m2，为设计毛断面的89.30%；在λ=2.0 时，巷道断面面积为12.71 m2，为设计毛断面的79.88%。由拟合方程知，在λ=0.785 时，巷道断面有最大面积为17.02 m2，为设计毛断面的89.09%；在λ=2.0 时，巷道断面面积为15.31 m2，为设计毛断面的80.14%，与数值模拟数据基本吻合。随λ 增大，巷道轮廓从横向椭圆变为圆形，再变为纵向椭圆，最后变为上下两头尖、中间粗的不规则形状，巷道的面积从λ=0.785 时开始变小，当λ>2 时，波纹钢薄壳出现破坏，破坏主要在巷道的拱肩、拱脚位置，巷道断面面积急剧减小。

4.3 侧压系数对巷道变形的影响

不同侧压系数下巷道围岩位移规律如图7。当λ=0.5 时，两帮收敛量为0.157 m；当λ=1.0 时，两帮收敛量为0.265 m，与λ=0.5 相比增加了0.108 m；当λ=2.0 时，两帮收敛量为0.654 m，与λ=1.0 相比增加了0.389 m；当λ=3.0 时，两帮收敛量激增到1.516 m，与λ=2.0 相比增加了0.862 m。两帮收敛量随λ 增大呈现不断增大趋势，当0.5≤λ≤2.0 时，波纹钢板还处于弹性状态，没有出现大范围的塑性破坏，λ 与两帮收敛量呈现出线性关系；当λ>2.0 时，波纹钢板顶底多处位置发生塑性破坏，波纹钢薄壳的强度不足以支撑破碎围岩，导致两帮收敛量急剧增大。随λ 增加，底鼓量逐渐减小，λ 从0.5 增大到3.0，底鼓量从0.161 m 减小到0.056 m，减少量为0.105 m；λ 从0.5 增大到2.5，顶板下沉量从0.201 m 减小到0.008 m，减少量为0.193 m，顶板下沉量呈现减小趋势，当λ>2.5 时，顶板不再沉降，反而上升，当λ=3.0 时，顶板上升0.265 m；巷道顶底板在λ≤2.0 时，巷道顶底板变形量主要受到垂直应力的作用，呈现顶板下沉、底板鼓起的现象，当λ>2.0 时，巷道的最大水平主应力起主导作用，巷道围岩中波纹钢的水平约束增大，使得巷道顶底板向上下凸出，出现顶板上升量大于下沉量、底板鼓起变缓的现象。

图7 不同λ 下巷道位移Fig.7 Displacement of roadway under different λ

4.4 侧压系数对巷道塑性区范围的影响

不同侧压系数下巷道塑性区分布规律如图8。在0.5≤λ<1.0 时，随λ 增大，巷道两帮围岩的横向约束逐渐增强，但水平应力小于垂直应力，且垂直应力不变，所以巷道两帮塑性区由深部向浅部转移，范围逐渐减小，顶底板塑性区变化不大；当λ=1.0 时，水平应力与垂直应力数值相等，巷道围岩受力均匀，所以塑性区均匀分布在巷道周围的浅部位置；当1.0<λ≤2.0 时，随λ 增大，水平应力开始大于垂向应力，且垂向应力不变，导致在巷道围岩中，垂向应力对顶底板围岩的约束相对减小，导致巷道顶底板塑性区向深部转移，塑性区范围逐渐增大，巷道两帮塑性区变化不大；当λ>2.0 时，随λ 增大，在较大的水平应力作用下，超出了巷道组合壳支护结构的控制范围，巷道围岩塑性区呈灾害性扩展。

图8 不同λ 下巷道塑性区分布规律Fig.8 Distribution law of plastic zone in roadway under different λ

当0.5≤λ<2.0 时，组合壳结构可以有效控制巷道围岩变形，所以此阶段塑性区范围相对较小，巷道围岩相对稳定，当λ≥2.0 时，巷道围岩中锚杆锚索锚固端围岩遭到破坏，锚杆锚索失效，单一的薄厚组合壳难以有效控制围岩变形，导致塑性区迅速扩大。

5 结 语

1）应用应力解除法获得了羊东矿-850 m 水平区域地应力场特征，现场最大主应力为水平主应力，平均为27.97 MPa，侧压系数在1.23～1.42 之间，最大水平主应力与回风大巷夹角为68°，属于大角度斜交，巷道局部易出现破坏，巷道受地应力影响较大。

2）研发出了深部巷道波纹钢板薄壳+锚注体厚壳的组合壳支护技术，波纹钢板与围岩表面充填体形成整体护表薄壳结构，锚注体形成内部厚壳结构，薄壳与厚壳通过锚索形成力学联系，挤压围岩，提高围岩承载能力，控制巷道围岩出现局部大变形，全断面围岩变形更加均匀、可控。

3）模拟结果表明：当侧压系数在0.5～2.0 之间时，薄厚组合壳支护结构能够有效控制巷道稳定；当侧压系数大于2.0 时，一般巷道薄厚组合壳结构围岩出现局部破坏现象，不能控制围岩稳定，可以通过增加局部破坏区域波纹钢板厚度提高薄壳刚度或增大锚注体强度的方法进一步实现巷道稳定。