动静组合应力作用下巷道围岩变形与控制技术研究方法

摘 要：深部巷道处于高静载地应力场环境中，同时易受外部开采扰动等动力冲击载荷的影响（如顶板断裂型冲击、爆破冲击、矿震冲击等），在动静组合应力作用下深部巷道的大变形甚至失稳破坏等动力灾害是深部矿井安全开采面临的关键问题之一。在对深部岩体受动静加载作用下的动力响应特征进行前期研究的基础上，采用力学理论分析、计算机仿真模拟结合支护体结构力学实验等综合研究方法。首先分析外部动载影响下深部巷道围岩应力场演变规律及围岩内部扰动影响区的动态运移特征，阐明深部巷道在高静载冲击扰动条件下的长期大变形破坏机制；进而提出动静组合应力作用下深部巷道保持长期稳定的条件，建立巷道支护准则。其次在理论研究的基础上，将以钢管混凝土支架为主体的新型复合支护技术用于控制深部巷道稳定性，对钢管混凝土支架的力学特征及其与深部巷道围岩的相互作用关系进行理论与实验研究，建立动静组合应力作用下深部巷道新型支护控制体系。

关键词：巷道围岩变形；钢管混凝土；力学分析

研究方法探讨

本方法采用力学理论分析、计算机数值模拟结合实验室结构力学实验等综合研究方法，对动静组合应力作用下深部巷道长期大变形失稳机制及稳定性控制问题进行深入研究。

1、动静组合应力作用下围岩长期大变形失稳机制研究

主要通过力学建模与理论分析结合计算机数值模拟方法来研究动静组合应力作用下围岩的长期大变形机理。首先建立合理的深部巷道围岩力学作用模型，运用矿山岩体力学与矿压理论分析巷道开挖后的应力状态分布，对巷道周边围岩的变形破坏状态进行分析，划分破裂区和扰动影响区的分布范围，如图1所示。破裂区内围岩强度降低至残余强度，围岩失去原承载能力；扰动影响区内围岩切向集中应力σθ处于围岩抗扰动强度σr（围岩抵抗外界扰动影响的最小强度与极限强度σc之间，围岩短时破裂现象停止，扰动变形持续发育，随着变形持续增大，扰动影响区最终会发育为破裂区，使得扰动影响区向围岩内部转移。

动静组合应力作用下的深部巷道长期大变形，本质上是由于围岩扰动影响区域不断向内部转移的结果，在这个过程中，围岩切向集中应力逐渐衰减，而内部围岩随着围压的增大其抗扰动强度及极限强度逐渐增强。因此下一步，通过力学分析，研究内部围岩集中应力的不断衰减与岩体抗扰动强度不断增长的关系，分析围岩流变扰动应力场的动态演变规律，探讨扰动影响区向围岩内部不断发展的规律，揭示出流变扰动条件下深部巷道长期大变形及失稳破坏机理。在上述分析的基础上，运用弹塑性力学与流变力学原理，通过合理的基本假设，推导出各个区域的宽度计算公式，对其变形特征参量进行定量分析。同时在研究过程中采用FLAC3D数值模擬软件对巷道开挖后的应力场演变规律进行计算机模拟研究，对理论研究结论进行验证和调整。

2、深部巷道长期稳定性控制技术研究

首先提出动静组合应力作用下深部巷道的支护准则，确定采用复合支护手段对围岩进行控制；其次运用岩层控制及矿山岩体力学理论分析不同的支护体对巷道围岩的控制作用机理，如金属网、混凝土喷层、锚杆、锚索及刚性支架分别能够对巷道围岩稳定性控制起到何种作用，各种支护体的支护能力及其之间的衔接配合等；最后通过建立力学模型、设定合理的基本假设，根据巷道围岩保持长期稳定的条件，理论推导出支护体为保持围岩长期稳定所需要提供的初次支护与二次支护强度计算公式。

3、钢管混凝土支架结构及性能研究

钢管混凝土支架是依据巷道断面形状将空钢管弯曲制作成相应的形状，然后在空钢管支架内充填混凝土，用于巷道围岩稳定性控制的结构构件。其结构特点包括：①它通过钢管管壳的约束作用使内部混凝土处于三向受压状态，从而使夹心混凝土具有更高的抗压强度；同时内填混凝土与钢管管壳共同承受轴向压力，增强了钢管的几何稳定性，能够避免钢管壁过早的发生局部屈曲破坏。②钢管混凝土构件具有圆柱状外形，抗弯刚度大，无异向性，不易扭曲变形，用于井下深部巷道支护，不会出现U型钢支架的扭曲破坏等结构失稳现象。钢管混凝土构件及圆形钢管混凝土支架结构图如图2所示。依据现在煤矿井下比较常用的巷道断面形状，钢管混凝土支架较常用的设计形状有：圆形、直墙半圆拱+反底拱形、弧墙圆拱形、弧墙三心拱形，其中以前三种较为常用。

4、支架结构研究

利用结构力学理论，研究不同断面形状支架的受力特征及稳定性，判断不同断面形状的支架对原岩应力场的适应性以及对巷道围岩的支护效果；对单个支架的结构构成以及各支架间的连接进行研究，保证支护体系的整体稳定性。支架承载力研究：钢管混凝土支架的极限承载能力主要受钢管混凝土短柱的极限承载力影响，利用理论计算及力学实验的手段对钢混支架短柱承载力进行研究，进而研究分析钢混支架的支护强度。

参考文献

[1]Cai M，Kaiser PK，Suorineni F，Su K.A study on the dynamic behavior of the Meuse/Haute-Marne argillite.Phys Chem Earth 2007，32：907-916.

[2]郑雨天.论我国软岩巷道支护的基本框架和几个误区.中国煤矿软岩巷道支护理论与实践[M].中国矿业大学，1996.

[3]范庆忠.岩石蠕变及其扰动效应试验研究[D].山东科技大学，2006.

作者简介：

1.刘瑞（1998-）男，汉族，山东省济宁人，本科，山东科技大学矿业与安全工程学院采矿工程专业2016级，研究方向为采矿工程

2.吕镇（1998-）男，汉族，山东省青岛人，本科，山东科技大学矿业与安全工程学院采矿专业2016级，研究方向为采矿工程

（作者单位：山东科技大学）