深部高應力軟巖巷道置孔釋壓材料孔數合理性研究

任 杰，李彥斌,2

（1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2.中國礦業大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083）

隨著我國礦井開采深度的逐年加大，巷道所處地應力逐步增大[1]，巷道變形量急劇增大的現象，已經成為制約深部礦井安全生產的主要因素。目前國內外諸多學者專家在深部高應力軟巖巷道圍巖控制方面進行了大量的深入研究，運用理論分析、現場實測、模擬實驗、數值計算等多種方法對巷道圍巖進行了系統性的研究[2-4]。周宏偉、謝和平等提出了改變支護順序的方法[5-8]。何滿潮、陸家梁等在新奧法的基礎上，提出采用“聯合支護技術”[10-14]。而后發展的支護技術主要關注點為二次支護及卸壓支護等[15-18]，這些方法都不同程度對圍巖完整性產生影響，還未從維護圍巖完整性較強的釋壓支護理念出發進行研究?；诖?，對長溝裕礦巷道圍巖變形情況進行分析，提出新型高應力置孔釋壓支護方法，結合物理相似模擬實驗探求合理材料孔數，得出18孔為合理釋壓材料置孔數。

1 高應力巷道礦壓顯現特征及影響因素

1.1 巷道礦壓顯現特征分析

1）巷道布置于大埋深環境下，受到自重應力與構造應力影響嚴重。造成煤層表現出了高應力軟巖狀態，煤壁片幫較為嚴重，支護環境較差。

2）巷道開挖初期變形速率大。在高應力作用下，巷道在逐漸穩定后依然表現出較大流變速率。有必要采取及時支護以及超前支護措施。

3）巷道由于淺部圍巖破碎及高應力環境限制了鉆孔效果，且圍巖大變形的出現使得原始噴射混凝土出現嚴重脫落現象，幾乎失去支護作用。

4）巷道出現軟巖巷道所具有的特征，即時間效應和空間效應。軟巖特征的出現使得巷道極易受到采動和環境的影響。一旦巷道出現失穩，表現為：“U”形支架壓垮，冒頂底鼓嚴重，錨桿錨索拉斷，噴漿大面積脫落。

1.2 巷道支護影響因素

1）巷道結構的不對稱性、地應力分布的不確定性、巖層產狀等因素，使得巷道圍巖與支護體之間協同作用減弱。

2）巷道開掘之后，圍巖暴露時間過長，圍巖風化嚴重及地下水等因素造成巷道維護困難。

2 置孔釋壓支護機理及孔數選擇

2.1 置孔釋壓支護機理

通過利用釋壓材料自身變形產生的位移，釋放圍巖中的高應力[9]，從而改變圍巖高應力狀況，使巷道圍巖處于低應力狀態。設置支護體時要能使巷道圍巖、置孔釋壓材料及剛性支架緊密貼合，以達到三者變形時的協調一致。根據實測圍巖應力結果為巷道放置不同數量的釋壓塊。釋壓材料在受到圍巖壓力變形的過程中，釋放大部分圍巖應力，剩余的圍巖應力由剛性支護體和錨桿等支護材料承擔。就現有支護技術，置孔釋壓支護技術能有效釋放圍巖壓力。置孔釋壓支護模型如圖1。

2.2 置孔釋壓材料孔數選擇

對置孔釋壓合理的孔數有2方面的要求:①應具有高強度，不會在受到高應力時迅速產生變形破壞，做到與支護體強度相適應；②有一定的韌性，在高應力作用下能產生充足并且連續均勻的變形。為滿足以上2個要求，在選擇置孔釋壓材料孔數時，要結合理論研究及工程實際應用。理論分析來看，隨著孔數的增多，釋壓材料能提供的變形空間也越充足，對有效釋放圍巖應力非常有效。但不可使得孔數過多反而降低材料強度；且材料孔之間亦需要一定間隔為釋壓材料變形提供過渡空間。有實驗分析，已經得到置孔率為35%時，試件可以滿足釋放壓力要求。就此制作置孔釋壓材料試件，試件尺寸確定為 200 mm×200 mm×400 mm。在 200 mm×400 mm的矩形面上布置圓形孔。則存在以下等式：

圖1 置孔釋壓支護模型

式中：η為材料的置孔率；n為材料孔數；R為孔半徑。

在置孔釋壓材料中各孔壁應盡量保證均勻分布，這樣才可使得置孔釋壓材料在高應力環境下產生均勻變形。在矩形面上布置圓形孔，則需滿足如下等式：

式中：i為孔的排數；j為孔的列數。

則對應的孔數n=ij=2i2（i=1，2，…，n）。最終經過計算，選出孔數為 2、8、18、32作為實驗對象。2孔、8孔、18孔和32孔布置示意圖如圖2。不同孔數半徑對照表見表1。

圖2 2孔、8孔、18孔和32孔布置示意圖

表1 不同孔數半徑對照表

根據孔數布置圖在實驗室按照煤矸石∶粉煤灰∶不飽和聚酯樹脂=4.8∶0.35∶1的比例制作4種孔數試件若干。對所得試件在實驗室用JL-WAW60微機控制電液伺服萬能試驗機逐漸施加荷載并對試件破壞情況進行觀察，記錄試件承載能力減弱時所施加荷載，即為試件抗壓強度。

以8孔試件為例介紹實驗過程,8孔置孔釋壓材料加壓破壞過程如圖3。從圖3可以看出，在試件受壓初期壓力較小，釋壓材料處于彈性階段有較好的承載能力，沒有變形；隨著試驗機增大壓力，試件首先在底部邊緣處出現裂紋且為縱向裂紋；壓力繼續增大，材料逐漸達到抗壓強度，主要在試件中部產生縱向裂紋，在左右邊緣孔處暫無裂紋產生；當材料所受壓力超過強度極限時，材料開始出現大面積破壞，且破壞部分主要集中于中部，邊緣部分也開始出現裂紋，試件承載能力減弱。

圖3 8孔置孔釋壓材料加壓破壞過程

同理使用JL-WAW60微機控制電液伺服萬能試驗機對2孔、18孔、32孔各3件試塊進行抗壓強度監測。得到2孔、8孔、18孔和32孔置孔釋壓材料平均抗壓強度分別為 18.1、19.08、27.62、23.49 MPa，從抗壓強度角度看均能滿足巷道支護對強度的要求。

試件進行抗壓強度實驗，所得到的抗壓強度應力-應變曲線如圖4。由圖4可知，釋壓材料試件應力-應變曲線均呈現出階梯狀連續變化，在試件所受壓力達到材料抗壓強度之前，試件處于彈塑性變形階段，應力-應變關系基本呈現線型關系；當試驗機繼續加壓時，壓力達到了試件抗壓強度后，試件開始產生壓縮直到試件孔完全閉合。試件被完全壓實后，釋壓材料之間沒有變形空間，所以發生應力增加而應變并沒有發生較大的變化的現象。

綜上所述，在滿足對置孔釋壓材料的強度以及連續變形要求下，并且考慮到工業制備便捷性的要求，選擇孔數為18孔為置孔釋壓材料最合理孔數。

圖4 釋壓材料應力-應變曲線圖

3 置孔釋壓支護技術工程實踐應用

在北京長溝裕煤礦-500 m水平東15槽底板巷道中選擇40 m典型巷道區間作為實驗巷道，以10 m為1個單位劃分實驗巷道，劃分出4個巷道段。在每一段實驗巷道內分別安裝1種孔數置孔釋壓材料進行支護。支護安裝完成以后，在每個實驗巷道的頂底板中點處以及兩幫腰線處安裝位移收斂計，來監測不同時間段內的巷道圍巖變形量。不同孔數下巷道頂底板及兩幫收斂量變化曲線如圖5和圖6。

圖5 不同孔數下巷道頂底板收斂量變化曲線

巷道圍巖實測變形分析如下。

1）當巷道采用2孔置孔釋壓支護方案時，巷道圍巖維護得到較大改善，巷道頂底板收斂最大達到43 mm；巷道兩幫收斂量最大達到30 mm。

2）當巷道采用8孔置孔釋壓方案時，巷道圍巖變形量進一步減小，頂底板最大收斂量為35 mm；兩幫收斂量達到25 mm。

3）當巷道采用18孔置孔釋壓方案時，巷道圍巖變形量為所有實驗組最小值。巷道圍巖得到了充分的維護，圍巖具有較好的自承能力。頂底板在20 d時變形基本結束，最大收斂量僅為22 mm，兩幫最大收斂量為15 mm。

圖6 不同孔數下巷道兩幫收斂量變化曲線

4）當巷道采用32孔置孔釋壓支護方案時，巷道圍巖變形可以得到很好維護。頂底板變形最大位移量為32 mm；兩幫收斂量最大位移量為23 mm。

4 結論

1）置孔釋壓支護技術是一種專門針對深部高應力巷道提出的支護新技術，減少傳統卸壓技術破壞圍巖的弊端。具有經濟性強，可操作性好的特點，為巷道穩定提供了可靠的支護方法。

2）通過物理相似模擬實驗，得出最佳置孔釋壓材料孔數為18孔，18孔釋壓支護材料能夠有足夠的抗壓強度為圍巖提供支護反力以及連續變形能力，提高圍巖與支護體共同承載結構的整體性，明顯改善巷道圍巖變形量，起到了釋壓支護效果。

3）通過置孔釋壓材料在實驗巷道中的應用，進一步證明了置孔釋壓支護在高應力環境下的有效性以及18孔釋壓材料為多種孔數中最優孔數。