软岩大变形巷道破坏机理与支护技术

黄庆享 郭强 曹健 钱万学 侯挺 赵轩

摘要：针对软岩大变形巷道围岩控制难题，以象山矿井南一石门为工程背景，采用现场取样、物理相似模拟和FLAC3D数值计算，分析了巷道围岩物理力学性质，掌握了巷道各阶段围岩基本变形规律，得出巷道变形表现为四周收敛，具有明显的软岩特征，变形速度达3 -4 mm/d.研究发现：巷道底板极限平衡区最大深度为3. 57 m，两帮极限平衡区最大深度为1.86 m，顶板极限平衡拱高度为4. 26 m.基于上述分析，结合“自稳平衡圈理论”，提出合理的巷道支护方案，采用直墙圆弧拱带反拱优化断面，确定了全断面采用锚杆锚索+钢筋梯子梁+金属网喷浆支护，对围岩极其破碎阶段进行注浆，顶锚杆长度2.4 m，锚索长度6m;帮锚杆长度2.4 m，锚索长度4m;底板采用长度1.5 m的注浆锚杆，全断面采用金属网喷浆封闭。该研究方案已被矿区采纳。

关键词：石门;软岩;变形规律;破坏机理;自稳平衡圈理论

中图分类号：TD 353

文献标志码：A

文章编号：1672 -9315（2019）06 -0934 -08

DOI：10. 13800/j. cnki. xakjdxxb.2019. 0603

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

收稿日期：2019 -05 - 20

责任编辑：刘 洁

基金项目：国家自然科学基金（ 51674190）

通信作者：黄庆享（1966 -），男，新疆沙湾人，教授，博士生导师，E-ma11-361923 187@ qq. com

O 引言

巷道圍岩是由顶板、两帮和底板共同组成的复合结构体，巷道支护设计中往往容易忽视三者之间的相互作用关系，这种关系在软岩巷道支护中表现得更加显著。何满潮院士深入分析了软岩变形的力学特征，得出以转化复合型变形力学机制为重心的软岩巷道支护方法[1-3]。董方庭等通过研究巷道围岩松动破坏特性，提出了围岩松动圈支护理论[4-6]。康红普等分析了巷道支护与围岩的相互作用关系，认为锚杆支护能最大限度保持围岩的完整性，能够避免有害变形的出现[7-8]。侯朝炯研究得出巷道围岩锚杆加固后，其承载强度峰值得到提高，且强度峰值随锚杆密度增大，形成了一整套围岩加固支护理论[9-12]。杨本生等提出了高应力软岩巷道双壳支护理论和软岩巷道底鼓控制对策[13 -14]。马念杰等提出巷道围岩蝶形破坏概念，给出了巷道周围“蝶叶塑性区”理论公式[15-16]。黄庆享基于巷道“顶板一两帮一底板”相互影响共同形成极限平衡圈的理念，提出了巷道围岩极限平衡圈支护理论，确定了整环支护的原则，为确定巷道围岩加固范围和计算锚杆、锚索长度提供理论依据[17-21]。

以象山煤矿南一轨道石门支护为研究背景，通过测定围岩物理力学参数，实测巷道变形规律，结合物理模拟和数值计算，揭示了石门变形破坏机理，确定了合理的支护方式和支护参数，研究结果得到矿区采纳，为石门支护提供了科学依据。1南一石门概况和围岩力学性质

象山矿井南一（轨道）石门为穿层巷道，岩层倾角为2度-7度，盖山厚度为497 -662 m.巷道揭露围岩主要为铝土泥岩、7#煤和泥质粉砂岩，地质剖面如图1所示。

巷道断面为直墙拱形，掘进断面宽度4.8 m，高度3.1 m（墙高1.2 m，拱高1.9 m）。巷道原有支护采用10.7 IT12U型金属支架（29#U型钢）配合喷浆进行支护，支架排距600 mm，喷浆厚度100mm.巷道变形破坏严重，需要多次采取扩帮拉底、替换U型支架的措施来维持巷道的稳定。石门多次拉底后，围岩破碎，支护困难。

分别在距离南一石门口80，100，180，220，260和300 m处取岩样6组，测定围岩的物理力学性质，结果见表1.围岩岩性主要为K2灰岩、泥质粉砂岩及泥岩，围岩干抗压强度平均为32 MPa，泥岩水软化系数0.4左右，遇水软化明显。

2 巷道围岩变形规律

2.1 南一石门返修段总体巷道变形规律

南一石门返修段全长约307 m，巷道返修l a后沿轴向全长的累计变形分布，如图2所示。

总体而言，石门底鼓、两帮移近、顶板下沉都比较严重，表现为四周变形特征，特别是顶板遇到煤层、底板为泥岩的地段变形尤为严重。巷道每年需返修2次，累计顶板下沉和底鼓量达50 - 100cm，两帮移近量达150 -220 cm以上。

2.2 南一石门变形速度

为了掌握石门变形速度，分别选择距离石门口145，153，233，306 m共4个典型变形断面布置测站，观测了80 t1的顶底和两帮移近量数据。

测站1巷道变形规律如图3所示，巷道两帮最大移近量20 mm，移近速度0.25 mm/d;顶底最大移近量120 mm，移近速度1.5 mm/d，主要为顶底移近。

测站2巷道变形规律如图4所示，两帮最大移近量为100 mm，变形速度1.2 mm/d;巷道顶底最大移近量92 mm，变形速度1.1 mm/d，巷道顶底和两帮变形相当。

测站3巷道变形规律如图5所示，两帮最大移近量为120 mm，变形速度4 mm/d;顶底最大移近量60 mm，变形速度2 mm/d，两帮移近大于顶底移近。

测站4巷道变形规律如图6所示，80 d两帮最大移近量为280 mm，其中北帮182 mm，南帮98mm，北帮较大。顶板最大下沉量265 mm，底鼓量与顶板下沉量相当。巷道两帮移近速度为3.5mm/d，顶底移近速度为6.6 mm/d，巷道变形速度较快。

总体上，巷道变形表现为四周收敛，具有明显的软岩特征，变形速度达3 -4 mm/d，如图7所示。

3 巷道变形破坏的物理模拟

3.1 物理相似模型设计

取具有代表性的石门巷道中部断面为对象，按照几何相似比1：25，容重相似比1：3，时间相似比1：5，应力相似比1：37.5，模拟范围为25 m×22.5 m.相似模型宽×高×厚=100 cm×90 cm×12 cm，巷道位于模型中央，模型巷道底板距离模型下边界为34 cm（原型8.5 m）。模型巷道宽度为19.2 cm（原型4.8 m），墙高4.8 cm（原型1.2 m），弧高7.6 cm.

实验选取河沙为骨料，石膏和大白粉为胶结材料，云母粉为分层及构造裂隙材料。模型未铺设到地表，采用2个5t油缸进行加载到相似原岩应力0. 38 MPa。设计加载由0.22倍至1.33倍原岩应力，模拟巷道受动压影响的变形破坏规律。

3.2 围岩变形破坏特征

加载到原岩应力后，巷道出现明显底鼓，底板破坏深度160 cm，底鼓量20 cm，巷道顶底移近量为72 cm，两帮移近量24 cm，如图8所示。

加载到1. 22倍原岩应力，模拟采动影响，巷道顶板裂隙高度473 cm，顶底移近量79 cm，两帮移近量32 cm，巷帮破坏深度123Cm，如图9所示。

4 南一石门支护方案

4.1 巷道围岩破坏范围计算

根据实测和物理模拟，巷道围岩表现为四周变形，围岩裂隙区大体呈卵形，围岩支护设计可按照极限平衡圈支护理论进行[17-19]。

南一石门巷道宽度W0 =5.0 m，巷道高度H=3m，围岩内摩擦角φ=35度，根据极限平衡圈理论。

巷道底板最大破坏深度y1为

经过计算，南一石门顶板极限平衡拱高度4.9m，考虑l m的锚固段长度，顶板锚索长度可取6m.两帮破坏深度1.8 m，两帮锚杆与顶板锚杆长度取2.4 m.

4.2 巷道合理支护方案设计

综上分析，提出象山矿南一石门支护方案如图10所示。巷道采用直墙圆弧拱带反拱优化断面，巷道宽度5.0 m，直墙高度1.6 m，顶拱高1.4m，底板反拱0.6 m.

全断面采用锚杆锚索+钢筋梯子梁+金属网喷浆支护，对围岩十分破碎阶段进行注浆，顶锚杆长度2.4 m，间排距0.6 m;帮锚杆长度2.4 m，排距0.6 m;采用锚索加强顶板和两帮支护，顶板锚索长度6m，间距Im，排距1.2 m，两帮锚索长度4m，排距1.2 m;底板采用长度1.5 m的注浆锚杆，间距0.8 m，排距0.6 m;全断面采用金属网喷浆封闭。

5 巷道锚网索支护效果对比

5.1 数值计算模型的建立

采用FLAC3D数值模拟软件，对南一石门无支护、原支护和优化方案进行对比模拟。巷道埋深为600 m，模型尺寸为XxYx2=25 mx25 m×22.5 m，巷道断面为半圆弧拱形，宽度4.8 m，墙高1.2 m，顶板弧高1.9 m.模型上部施加原岩应力为14.4 MPa，左右边界x方向固定，前后边界y方向固定，下边界z方向固定，如图Il所示。

5.2 巷道原支护与优化支护模拟

5.2.1 南一石门巷道变形对比

原支护条件下：顶板下沉量为28 cm，巷道最大底鼓量为65 cm，顶底最大移近量93 cm;巷道两帮脚发生破坏，两帮移近量40 cm.巷道顶板和两帮变形量较小，两帮脚内收与底鼓严重（图12）。

优化支护条件下：巷道顶板下沉量减小41%，底鼓量降低82.5%，顶底移近量降低79%，巷道两帮移近量降低88%，巷道底鼓得到有效控制。

5.2.2 巷道围岩应力场对比

原支护条件下：巷道底板拉应力区最大，水平应力主要集中在巷道两肩（图13），最大为13.6MPa;垂直应力主要集中在巷道两帮（图14），最大为15.6 MPa.巷道破坏主要在底板和帮脚。

优化支护条件下：巷道垂直应力与水平应力集中范围明显减小，围岩应力分布趋于均匀。

5.2.3巷道围岩塑性区对比

原支护条件下：巷道两帮和两帮脚主要为剪切破坏，巷道底板主要是拉破坏。巷道顶板剪切破坏深度为1m，两帮剪切破坏深度为2.5 m，巷道底板拉破坏深度1.8 m.

优化支护条件下：采用锚网索优化支护后，巷道两帮塑性区深度减少80%，最大为0.5 m;底板塑性区深度减少61%，最大为0.7 m;巷道周围塑性区明显减小，巷道变形得到有效控制。

采用优化方案进行物理模拟验证，加载到1. 33倍原岩应力时，达到充分采动影响，巷道极限平衡圈内围岩得到有效加固，如图16所示。

6 结论

1）巷道围岩以泥岩为主，强度低，水软化系数达0. 37 -0. 66.巷道围岩软弱，由于底板未得到有效支护，首先出现底鼓，是巷道变形破坏严重的主要原因。

2）南一石门底鼓、两帮移近、顶板下沉，表现为四周变形。巷道返修后持续变形，两帮移近速度平均2.3 mm/d，最大4 mm/d;顶底移近速度平均为2.1 mm/d，最大3.5 mm/d.

3）结合物理模拟实验和“极限自稳平衡圈理论”计算，得到巷道底板最大破坏深度为3. 57 m，巷帮破坏深度1.8 m，极限平衡拱高度4.9 m.

4）合理的巷道断面为直墙半圆拱带底板反拱，根据极限平衡圈理论确定的锚喷支护方案，具有良好效果。该方案已被矿区采纳。

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