深部大变形巷道围岩稳定性控制方法研究.pdf

第 4 1 卷第 1 2期 2 0 1 6年 1 2月 煤 炭 学 报 J 0U RNAL OF C HI N A C OAL S OC I E T Y Vo 1 ． 41 De c ． No． 1 2 2 0 1 6 编者按 巷道围岩大变形和 冒顶灾害控制是煤矿深部开采中的难题， 研究深部巷道 围 岩破坏与致灾机理及其有效控制方法， 对保障煤矿深部安全和高效开采具有 重要意义。 本期前5篇论文是国家 自然科学基金重点项 目“ 深部大变形巷道围岩破坏与稳定性控制 研究 5 1 4 3 4 0 0 6 ” 的专题学术论文， 这些论文以高应力作用下巷道围岩塑性区的形成与扩 展规律为主线展开研究， 内容涉及深部巷道围岩塑性区的扩展规律、 巷道 冒顶及 围岩稳定 性控制方法、 岩石蠕变损伤过程与围岩塑性区扩展之 间的内在联 系、 高应力对岩石力学特 性的影响等。希望专题学术论文能够起到抛砖引玉的作用， 为从事该领域研究的学者提 供参考和帮助 。 王卫军 ， 袁超， 余伟健 ， 等． 深部大变形巷道围岩稳定性控制方法研究[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 6 ， 4 1 1 2 2 9 2 1 2 9 3 1 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． e n k i ． j C C S ． 2 0 1 6 ． 1 1 1 5 Wa n g We ij u n ， Y u a n C h a o ， Y u We i j i a n ， e t a 1 ． S t a b i l i t y c o n t r o l m e t h o d o f s u r r o u n d i n g r o c k i n d e e p r o a d w a y w i t h l a r g e d e f o r m a t i o n [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 6 ， 4 1 1 2 2 9 2 1 2 9 3 1 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 6 ． 1 1 1 5 深部大变形巷道 围岩 稳定性控 制方法研究 王 卫军 。 ， 袁 超 ， 余伟健 ， 吴 海 ， 彭文 庆 ， 彭 冈 4 ， 柳小 胜 ， 董 恩远 1 ．湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室 ， 湖南 湘潭4 1 1 2 0 1 ； 2 ．湖南 科技大学 资源环境 与安全工程学 院， 湖南 湘潭4 1 1 2 0 1 ； 3 ．南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生 产重点 实验室 ， 湖南 湘潭4 1 1 2 0 1 摘要 针对深部高应力巷道 围岩 大变形难 以控制的问题 ， 采用 K a s t n e r 等相关理论， 研究了支护阻 力对深部 高应力巷道围岩变形的影响 ， 揭示了其变形难以控制的力学本质 ， 提 出了巷道围岩稳定性 控制新的支护理念。深部高应力巷道 围岩大变形主要 来 自于两部分 ① 巷道周边浅部破碎 围岩的 扩容与剪胀等非连续性变形 ； ② 高应力致使巷道围岩产生的以塑性变形为主的连续性 变形。研 究 表 明 目前的支护水平对巷道 围岩的连续性 变形影响十分有限， 总是存在一部分 变形量无法控制 ， 即深部巷道围岩存在“ 给定变形” 。为实现巷道 围岩稳定控制， 降低 支护成本， 巷道 围岩 支护理念 应由变形控制向稳定控制转 变， 确保巷道围岩均匀、 协调变形 ， 消除冒顶与片帮等不安全隐患， 增强 巷道 围岩整体性与稳定性。因此 ， 对于深部 高应力巷道围岩稳定性控制 ， 可在巷道掘进时预留一定 的变形空间以容纳围岩部分“ 给定变形” ， 支护结构应具有一定的连 续性变形能力， 又能持 续提供 较高的支护阻力， 以维持巷道 围岩 的完整性与稳定性， 保障巷道 围岩的均 匀、 协调变形。工程实践 结果表 明 考虑预 留变形并采用“ 可接长锚杆 刚性长螺纹钢锚杆 锚 网 w 钢带 喷射混凝土” 综 合控制技术为主， 并辅以可接长锚杆强化项板支护方案可较好控制巷道 围岩的稳定性， 保障 了巷道 服 务期 间的安全使 用。 关键词 高应力； 稳定性控制 ； 给定变形； 支护阻力 中图分类号 T D 3 5 3 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 6 1 2 - 2 9 2 1 - 1 1 St a b i l i t y c o nt r o l me t ho d o f s u r r o u nd i ng r o c k i n de e p r o a dwa y wi t h l a r g e de f o r m a t i o n 收稿 日期 2 0 1 6 0 8 0 4 修回 日期 2 0 1 6 0 9 2 6 责任编辑 常琛 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 4 3 4 0 0 6 ， 5 1 3 7 4 1 0 5 ； 湖南科技大学研究 生创新基 金资助项 目 C X 2 0 1 5 B 4 3 1 作者简介 王卫军 1 9 6 5 一 ， 男， 湖南涟 源人 ， 教授 ， 博士生导师 。E - m a i l w j w a n g h n u s t ． c n 2 9 2 2 煤 炭 学 报 2 0 1 6 年第4 l 卷 WA N G We i - j u n ’ ， Y U A N C h a o ， Y U We i - j i a n ， WU Ha l ， P E N G We n ． q i n g 。 ， PENG Ga n g ， LI U Xi a o s h e ng ， DONG En y u a n 1 ． H u n a n P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y ofS a f e Mi n i n g T e c h n i q u e s of C o a l Mi n e s ， H u n a n U n i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l ofR e s o u r c e ， E n v i r o n m e n t a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g， H u n a n U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 ， C h i n a ； 3 ． W o r k S a f e t y K e y L a b o n P r e v e n t i o n a n d C o n t r o l ofG a s a n d R o of D i s a s t e r s f o r S o u t h e r n C o a l Mi n e s ， X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 ， C h i n a Ab s t r ac t T o i n v e s t i g a t e t h e s ur r o u n d i n g r o c k c o n t r o l o f d e e p r o a d wa y wi t h l a r g e d e f o r ma t i o n s ， t he t he o r i e s ， s uc h a s K a n s t n e r t h e o r y ， w e r e a p p l i e d t o s t u d y t h e i n fl u e n c e o f s u p p o r t i n g r e s i s t a n c e s o n t h e s u r r o u n d i n g r o c k d e f o r ma t i o n i n r o a d w a y s s u b j e c t e d t o h i【 g h i n s i t u s t r e s s ． T h e me c h a n i c a l e s s e n c e s o f t h e d i f f i c u l t c o n t r o l o f t h e s e d e f o r m a t i o n s w e r e d i s c o v e r e d， a n d t he n e w s u p p o r t i n g c o n c e p t s o f r o a d wa y s t a b i l i t y we r e t h e n p r o p o s e d． Th e l a r g e r o a d wa y de f o r ma t i o n ma i n l y c o n s i s t s o f d i s c o n t i nu o u s d e f o r ma t i o n s t h a t r e s u l t f r o m t h e s h e a r di l a t i o n a n d d i l a t i o n o f s h a l l o w f r a c t u r e d s u r ， r o un d i n g r o c k s a n d t h e c o n t i n u o u s d e f o r ma t i o ns t h a t ma i n l y r e s ul t fro m t h e s t r e s s i n d u c e d p l a s t i c d e f o r ma t i o n s ． Re s u l t s i n d i c a t e t h a t t he p r e s e n t s u p p o rti n g s y s t e m e x e rts l i mi t e d i n flu e n c e s o n t h e c o n t i n u o u s d e f o r ma t i o n， a p a r t o f t he d e f o r ma t i o n c a n n o t b e s u c c e s s f u l l y c o n t r o l l e d， t h a t me a n s ‘ g i v e n d e f o r ma t i o n s’a r e e n c o u n t e r e d ． To s uc c e s s f u l l y c o n t r o l t h e r o a d wa y d e f o r ma t i o n a nd s i g n i f i c a n t l y r e d uc e s u p p o r t c o s t ， t he s u pp o rt c o n c e p t s ho u l d be t r a ns f e r r e d f r o m d e f o r ma t i o n c o n t r o l t o s t a bi l i t y c o n t r o 1 ． Th i s t r a ns f e r wi l l e n s u r e t h e e v e n d i s t r i b u t i o ns o f i n s i t u s t r e s s， c o o r di n a t e d d e f o r ma t i o ns a n d t he e l i mi na t i o n s o f r o o f f a l l i n g a n d wa l l c a v i ng ． Th u s， t h e i n t e g r i t y a n d s t a b i l i t y o f s u r r o u n di ng r o c k s wi l l be f u rt h e r e n h a n c e d ． I n t h e e x c a v a t i o n p r o c e s s o f r o a d wa y s ， t h e e n l a r g e d r o a d w a y s e c t i o n s t h a t c a n t o l e r a t e t h e‘ g i v e n d e f o r ma t i o n s’a n d t h e s u p p o r t s y s t e m t h a t c a n c o n t i nu o u s l y d e f o r m wi l l p r o v i d e h i g h e r s up p o r e s i s t a n c e s ． Th e r e f o r e， t he i n t e g r i t y a n d s t a bi l i t y o f r o a d wa y a r e e n s u r e d ． Ev e n a n d c o o r di na t e d d e f o rm a t i o n s o f r o a d wa y wi l l b e s u c c e s s f u l l y f u l f i l l e d． T h e p r a c t i c e r e s u l t s s h o w t ha t t h e s u p p o rt ma i n l y b y t h e i n t e g r a t e d c o n t r o l t e c h n o l o g y o f r e s e r v e d de r ma t i o n a n d “ a d d a b l e l e n h e n b o l t s s t i f f n e s s t h r e a d s t e e l l e n g t h e n i n g b o l t s bo l t i n g n e t W s t e e l b e l t s p r a y e d c o n c r e t e”a n d s u p p l e me n t e d b y t h e s c h e me o f a d d a b l e l e n g t he n b o l t s s t r e n g t h e n r o a d wa y r o o f c a n c o n t r o l t he s t a bi l i t y o f r o a d wa y s u r r o u nd i n g r o c k e f f e c t i v e l y， a n d e n s u r e t h e s a f e t y o f r o a d wa y d u r i n g i t s s e r v i c e ． Ke y wo r d s h i g h s t r e s s ； s t a b i l i t y c o n t r o l ； g i v e n de f o rm a t i o n； s u pp o rt r e s i s t a n c e 与浅部巷道相 比， 深部巷道围岩力学环境更为复 杂 ， 深部高应力巷道 围岩呈现 出非连续性 、 非协调性 大变 形 、 大 范 围 失 稳 破 坏 等 一 系 列 工 程 响 应 问 题 J 。为此 ， 国内外专家学者对此进行 了大量的研 究并取得了较大的进展 ， 提出了一系列巷道 围岩控制 新技术 、 新理论 ， 一定程度上改善了深部巷道围岩的 维护状况。然而， 深部巷道围岩控制问题并没有得到 很好的解决 ， 仍然是深部矿井开采的主要技术瓶颈之 一 。长期以来 ， 变形 控制一直是巷道 围岩控制 的 目 标 ， 并且围绕变形控制开发了多种支护技术 ， 从工程 实践来看， 这些技术对深部巷道围岩大变形的控制效 果并不十分显著 。国内深部高应力巷道一般采用高 强度 、 大刚度 、 高预应力支护技术 ， 很多巷道通过二次 支护甚至多次支护仍然不能有效控制 围岩大变形 ， 特 别是对于深部松软破碎巷道 、 动压巷道等 ， 通常表现 为锚杆 索 被拉断 、 围岩支护系统失效从 而导致 冒 顶 、 片帮和底臌等一 系列剧烈的矿压显现现象 ， 与此 同时巷道支护成本与维护费用成倍增加 。在这 一 工程背景条件下 ， “ 深部大变形巷道围岩破坏与稳 定性控制研究” 重点项 目研究逐步展开， 笔者与马念 杰科研团队基于塑性区理论对深部大变形巷道 围岩 变形机理进行 了深入研究 ， 目前 已取得 了阶段性成 果 。如何进行深部巷道的围岩控制其大变形 的力学本质是什么一味强调变形控 制是否可行 目前的支护技术能否实现变形控制的 目标只有准 确回答 了这些问题 ， 才能更新深部巷道的围岩控制理 念 ， 开发更有效的支护技术。 为此 ， 本文基 于相关理论与现场试验 ， 研究了支 护阻力对巷道围岩变形与应力场的影响， 认为深部高 应力巷道围岩控制应由变形控制向稳定性控制转变 ， 在为巷道预留适当变形空间的条件下 ， 允许 围岩有较 大的变形 ， 并通过合理的支护方式实现巷道服务期间 的均匀、 协调变形 ， 消除巷道 冒顶与片帮等不安全隐 患 ， 减少巷道维修量 ， 降低支护成本。最后 ， 以赵 固二 矿 I 盘区胶带运输大巷支护为工程实例 ， 在巷道掘进 设计 时， 拱 顶 部 预 留变 形 5 1 0 m m， 帮部 预 留变形 5 3 0 m m， 采用 “ 可接长锚杆 刚性 长螺纹钢锚杆 锚 网 w 钢带 喷射混凝土” 综合控制技术为主， 并辅以 可接长锚杆强化顶板 围岩支护方案 ， 现场后期监测结 果表明 ， 该巷道围岩稳定性控制 良好 。 第 1 2期 王卫军等 深部大变形巷道围岩稳定性控制方法研究 2 9 2 3 1 支护对巷道 围岩变形理 论 随着巷道 的开挖 ， 围岩所处的三向应力平衡状态 就会被破坏 ， 围岩应力场出现重新分布。当巷道周边 围岩应力状态超过岩体弹性极 限而进入塑性应力状 态时， 巷道围岩 自临空面向外依次 出现 四区 即破裂 区 、 塑性软化区 、 塑性硬化 区以及弹性区。深部巷道 周边 围岩 四区力学行为与岩石全应力 一 应变 曲线关 系中的4个阶段是相对应 的 ， 如图 1所示 。目前 ， 国内外关于支护阻力与巷道围岩各 区应力变形分析 通常采用 K a s t n e r 公 式与修 正 的 F e n n e r 公式 ， 符 华 兴 通过莫尔强度理论对两者 的内涵进行了转换和 推导 ， 证明了两者计算结果的一致性 。因此 ， 本文以 著名 的 K a s t n e r 公式为理论依据 ， 分析支护阻力对巷 道围岩变形的影响。 弹性 区 图 1 巷道力学分析模 型简 图 Fi g ．1 Me c h a ni c s mo d e l s o f p l a s t i c z o n e s t r e s s 在图 1与 式 1 ～ 4中， U 为 巷 道 周边 位 移 ， mm； 为塑性硬化 区半径 ， m； R 为塑性软化 区 半径 ， m； R f 为破裂区半径 ， m； R 。为巷道半径 ， m； 。 为屈服强度， M P a ； or 。 为峰值强度， M P a ； or 为残余强 度 ， M P a ； p o为原岩应力 ， M P a ； p为支护 阻力 ， M P a ； G 为围岩剪切模量 ， MP a ； 为围岩内摩擦角 ， 。 ； C为 未施加锚杆 围岩黏 聚力 ， MP a ； C 为锚 固体 围岩黏 聚 力 ， MP a ； r为 锚 杆 抗 剪 强 度 ， MP a ； d为 锚 杆 直 径 ， mm； 为锚杆布置密度 ， 根／ m ； p 为单根锚杆 所能提供的支护阻力 ， MP a 。 C r C O t 1P o C c o t 0 L十 。 【 r o[ ] 2 Ctc 幽 1 0 00 0 00 3 、 ／ Pn p 4 目前 ， 锚杆支护技术 已成为煤矿巷道首选 的主 要支护方式 ， 我国国有大 中型矿井 的锚杆支护率达 到 6 0 ％ 以上 ， 有些矿区甚至达到 1 0 0 ％ 。锚杆对 巷道 围 岩 的 强 度 强 化 作 用 主 要 体 现 在 2个 方 面 2 o - 2 1 J ① 通过轴 向受力 改善巷道 浅部 围岩 的应 力状态 ， 使临空面附近 区域 的围岩体 由双 向应力状 态转变为三 向应力状态 ； ② 锚杆通过与围岩体的横 向联接 ， 提高锚 固区 围岩 的 c ， 值 ， 进而增 强锚 固 区围岩的承载能力。因此 ， 锚杆对巷道 围岩变形理 论计 算分析必 须充分 考虑支护对 围岩的上述 2个 作用 。在现有技术水平条 件下 ， 锚杆支护 阻力范 围 为 0 ． 0 5～0 ． 8 0 MP a ， 约 为高地 应 力大小 的百 分之 几 J 。锚杆对锚 固体的 c 值影响较 大， 而对 值 影响不明显 ， 即锚 固体 的内摩擦角仍近似等 于锚 固 前 围岩体 的 内摩擦 角 ， z 。计算模 型锚 杆采用 2 mil l 左 旋 无 纵 筋 螺 纹 钢 ， 取 丁2 6 6 MP a ， P 0．1 MPa， o 2 m ，c 1 ． 5 0 MPa， 3 0。，G 0 ． 1 3 6 G P a 。由式 3 ， 4 计算可知 ， 锚杆 ／2 1 0时 的 支 护 阻 力 为 1 ． 0 MP a ， 故 取 n1 0 。依 据 式 1 ～ 4 ， 并 借助 Ma t l a b软件计 算并 绘制 出锚杆 支护对巷道 围岩变形关系曲线如图 2所示 。 55 0 5 0 o l 4 5 0 4 0 0 辩 划 2 5 0 构 2 0 0 图 2 支护阻力 与巷道周边位移 F i g ． 2 S u pp o r t i n g r e s i s t a nc e a nd di s pl a c e me n t o f s u r r o u n d i n g o f r o a d w a y 由图 2可知 ， 在巷道 围应力环境一定时 ， 巷道围 岩位移量随锚杆支护密度的增加而呈曲线递减关系， 并且这种递减程度随着锚杆密度的增加而有所降低。 从图 2不难发现 ， 随着锚杆密度的不断增加， 围岩变 形减少量极为有限， 存在一部分始终无法控制的围岩 变形 ， 即“ 给定变形” 。以巷道所处原岩应力 2 1 MP a 为例 ， 支 护 阻 力 0 不 支 护 时 的 围 岩 位 移 为 3 9 4 ． 0 0 6 mm， 当支护阻力达到 1 ． 0 MP a时的围岩位 移减少至 2 8 4 ． 1 3 9 m m， 减少量仅为 1 0 9 ． 8 6 7 mm， 因 此可 以认为 2 8 4 ． 1 3 9 m m 的围岩变形为巷道 围岩控 制时所应考虑 的“ 给定变形” ， 从 图 3可 以看 出这种 “ 给定变形” 随着原岩应力的增加而增大。 煤 炭 学 报 图 3 原岩 力与给定 变形 F i g ．3 Ro c k s t r e s s a n d g i v e n d e f o r ma t i o 2 锚杆 支护对 围岩变形的影响 2 ． 1 锚杆支护对围岩应力场的影响 在地下工程中 ， 各种支护形式与巷道 围岩相互作 用 ， 均会在巷道周边围岩中形成由支护而产生的应力 场。为 r 清晰反映预应力锚杆对巷道围岩 支护效果 的影响， 枉不考虑原岩应 力条件下 ， 采用有 限差分数 值计算软件 F I A C” 分析 锚杆支护在 围岩 L { 形成的 应力场分布特 征 。数值 汁算模 型巷 道宽 与高 均 为 3 ． 6 1 3 1 ， 其 它 物 理 力 学 参 数 分 别 为 体 积 模 量 1 1 ． 1 1 G P a ， 剪切模最 7 ． 1 4 G P a ， 黏聚力 2 ． 5 M P a ， 抗 拉强度 1 ． 2 5 MP a ， 内摩擦角 3 0 。 ， 泊松 比 0 ． 3 、锚杆 采用 C a b l e单元模拟 ， 锚扦直径 2 2 t l l n l ， 长度 2 ． 1 n l ， 破断荷载 3 l 0 k N， 预应 力 1 2 0 k N， 锚囤长度 0 ． 5- t l ， 锚 杆Ih 1 1 7 [ { 与排 距均 为 0 ． 7 n l 0 ． 7 I l l ， 并垂 直 于顶饭布 置。锚杆支护围岩应力场分布l女 I 】 图 4所示。 O O 4 0 - 2 O 一 0 ． 0 2 _ 0 l o 4 - 0 ． 0 6 一 _ 】 8 0 1 O l 殳 】 4小考 虑原岩幢 ， J n 0 锚杆 支护心力场分m Fi g ． 4 Re g a r t I l e s s o f t h e o r i g i n aI r 1 k s t r e s s o f b e l l s S L i l i po r t s t r e s s f i e ht di s t r i bu t i o i 1 由图4可知 ， 锚杆尾部附近区域 出现明 的压心 力集 中 ， 最大压应力值达 0 ． 1 MP a ， 其压应 力值随 着深入巷道顶板远离锚杆尾部区域而逐点减小 ， 至锚 仟长度 l ／ 5处 的压应力值减小 至 0 。锚杆锚 同端 区 域出现拉应力集中现象 ， 但拉 力集中程度和范围都 相对 比较小 ， 最大拉应力值为 0 ． 0 4 MP a 。在不考虑 原岩应力条件下 ， 锚杆 支护应 力场 主要 表观 以下特 征 ① 就锚杆支护围岩应 力场整体分布而占， 锚仟尾 部附近形成范围相对较大的压应力区， 锚杆锚同端形 成范嘲Nx q - 较小的拉庖力 ； ② 锚杆之问的有效应 力区卡 u q 叠加 ， 基本可以 盖巷道顶板围岩的整个区 域 ； ③ 深部围岩应力场未受到锚杆支护的影响， 既锚 杆支护影响范 围有限； ④ 增加锚杆长度有利于形成 范围较大的压应力 区， 有助于提 高巷道 围岩 的稳定 性 。 为分析在原岩应力场条件下 ， 预应力锚卡 r 支护产 生的巷道围岩应力场分市特征， 在上述计算模型的基 础上， 考虑巷道埋深 8 0 0 11 1 ， 其它参数保持 不变 ， 计算 结果如图 5 ， 6所示。根据 图 4锚杆支护应 力场的分 布特 ， 沿垂直于巷道顶板锚杆支护方向分别设置 4 个监测点 ， 记录其位移量 的大小 ， 监测点布置情况如 图 7所示 ， I l L ／ C J 数据整理如 8～1 0所示。 5 原岩幢 场分布 Fi g ． 5 Or i g i n al r t r k s t r e s s di s t r i bu t i o n 一 一 6 一 7 一 8 一 9 1 0 一 l 1 一 l 2 6 考虑原岩应 的锚朴支护应力场分 仇 Fi g ． 6 Co l l s i d e r t h e o r i gi n a l l、 l k s t r e s s o f b o l t s s up p o r t s t r e s s f i e hl d i s t r i b ut i o n 罔 7 监测点 布置 hg ．7 Po i n t s i f n i o n i t o r i n g a l T a n g e me n 0 t 第 1 2期 王卫军等 深部大变形巷道 围岩稳定性控制方法研究 2 9 2 5 3 0 0 g 2 5 0 g 啦l 2 0 0 1 5 0 l 0 o 5 0 未加锚杆测 点l 未加锚杆测 点2 未加锚杆测 点3 未加锚杆测 点4 加锚杆测 点l 加锚杆测 点2 加锚杆测 点3 加锚杆测 点4 0 l 0 o o 20 0 0 3 0 0 0 40 0 0 5 o 0 O 60 0 o 迭代 步数 图 8 监测位移 曲线 F i g ． 8 Di s pl a c e me n t C H I V e o f mo n i t o r i ng p o i n t 图 9 各个 监测点的变形量 Fi g ． 9 De f o r ma t i o n o f e a c h mo n i t o r i ng po i nt 图 1 0 各个监测点 的变形减少 量 Fi g ． 1 0 De f o rm a t i o n r e du c t i o n o f i nd i v i d u a l mo n i t o r i n g s t a t i o n 由图 4与图 6对 比可知， 考虑原岩应力场条件下 的锚杆支护未能形成较 为明显 的拉 、 压应力区 ， 由于 锚杆所能提供的支护力与原岩应力不在同一数量级 ， 致使锚杆支护所形成的应力场被原岩应力场所覆盖。 开挖后的巷道周边浅部围岩处于卸荷状态， 破裂区围 岩以拉剪破坏为主， 图5中的最大主应力 0 M P a曲线 至临空面之间的围岩处于受拉状态 ， 此区域极易形成 图 1中的破裂区。由图 5与图 6对 比分析可知 ， 施加 预应力锚杆之后的最大主应力一 1 MP a曲线至顶板围 岩深处各个应力曲线范围的大小几乎没有变化 ， 但浅 部 围岩的0 M P a曲线 区域 明显 消失 ， 即该 区域 围岩 由拉应力状态转变为压应力状态。因此 ， 认为预应力 锚杆支护对改善巷道顶板深部 围岩应力场的作用是 有限的， 但对于改善巷道浅部拉应力状态区域的围岩 应力场效果较为显著 。 由图 8 ， 9分析可知 ， 是否施加预应力锚杆对巷道 顶板浅部区域围岩变形影响相对较大 ， 而对顶板深部 围岩变形影响相对较小。如不支护条件下 的顶板围 岩监测点 1的下沉量高达 2 5 8 ． 2 3 m m， 而监测点 2 ， 3 ， 4的变形量依次分别为 1 3 3 ． 9 0 ， 6 6 ． 9 5， 2 8 ． 6 9 IT I 1 T I ， 施 加预应力锚杆 支护后 的下沉 量依次分别 为 1 7 2 ． 1 5 ， 8 1 ． 2 9 ， 4 7 ． 8 2 ， 2 0 ． 0 8 m m， 即由临空 面至巷道 围岩深 处的变形量依次呈现曲线递减关系； 相对于裸巷不支 护情况而言 ， 锚杆支护后 的4个监测点变形减少量依 次分别为 8 6 ． 0 8 ， 5 2 ． 6 1 ， 1 9 ． 1 3 ， 8 ． 6 1 a i m， 由此可 以发 现 ， 预应力锚杆支护对控制巷道顶板浅部 区域 围岩变 形效果相对较为显著 ， 并且这种变形控制效果随着深 入巷道顶板远离锚杆尾部区域而逐点减弱 ， 如 图 1 0 所示 。由上述分析可知 ， 预应力锚杆支护不能完全控 制住 围岩大变形 ， 上述 的 1 7 2 ． 1 5 m m 即为巷道顶板 围岩控制时所应考虑的“ 给定变形” 。 2 ． 2 巷道围岩变形分析 影响巷道 围岩变形 的因素较 多 ， 深部 高应 力巷道围岩大变形主要包括两部分 ① 在高应力作 用下 的围岩峰值强度之前 ， 弹性区完整岩体变形 、 锚 固区整体变形 ， 均属于连续性变形 ； ② 围岩峰值强度 之后 ， 破裂区的破裂岩体变形 ， 属于非连续性变形 ， 其 主要包括 围岩结构面离层 、 滑动、 裂隙张开、 新裂纹产 生的扩容与剪胀变形 。锚杆等支护结构对巷道围岩 弹性区的连续性变形控制作用不明显 ， 巷道维护的主 要对象是控制峰值强度之后破裂区围岩 的非连续性 变形 ， 围岩与支护结构相互作用主要发生在巷道 围岩 破裂区范围内 , 2 8 - 3 1 j 。 另外 ， 从巷道围岩变形时空演化关系来看 ， 围岩 大变形先后主要经历 2个时段 第 1时段是在巷道开 挖卸荷初期 的短时间内， 围岩体中储存 的大量弹塑性 应变能得以释放 ， 巷道周边 围岩产生大量微裂隙 ， 并 较为均匀分布于巷道周边 ， 围岩整体呈现 近似均匀、 协调大变形 ， 此时段的围岩变形以弹塑性连续变形为 主； 第 2时段是随着 围岩卸荷程度的减弱 ， 此后 的围 岩变形则主要受高地应力与高偏应力 如采动 等的 影响 ， 塑性区与破裂区范围不断增大， 围岩整体呈现 不均匀 、 不协调等大变形 ， 此 时段 的围岩变形 以非连 续性变形为主。在工程实践中， 支护结构难以抗拒围 岩卸荷期间的连续性变形 ， 通常需要主动释放围岩弹 塑性变形能 ， 允许围岩有控制地变形 ， 之后通过二次 支护影响浅部围岩应力场 的分布 ， 抑制巷道围岩的不 对称 、 不协调等不连续性大变形 。 。 在地下工程中， 相对于巷道 围岩的连续性变形 ， 非连续性变形对矿井安全高效生产的危害性更大 ， 大 如∞ ∞卯∞ 如加m 0 目眦／ 删 2 9 2 6 煤 炭 学 报 2 0 1 6 年第4 1 卷 范围的非连续性变形增加了巷道 冒顶与片帮等不安 全隐患 ， 往往需要对巷道 围岩进行扩底与刷 帮等工 作 ， 增加巷道维护费用 的同时 ， 也增加 了翻修工作期 间的不安全等因素。 2 ． 3 锚杆支护对峰后岩体非连续性变形作用 巷道周边围岩弹性区 、 塑性 区范围内的连续性变 形与破裂区范 围内的非连续性变形是一个与时问有 关的力学过程 ， 现有支护结构对连续性变形区域内的 围岩蠕变影响很小 ， 支护结构的主要作用是提供较大 围压 以改善峰后岩体非连续性变形区域 内的围岩蠕 变特性 ， 延长 自稳 时间 J 。巷道破裂 区围岩蠕 变 变形主要包括 2个方 面 ① 软弱 围岩体的离层 与新 裂纹的产生 ， 蠕变变形来 自两者 的扩容变形