摘要：目前，围岩结构承载模型局限于二维问题，围岩结构承载能力弱化研究局限于水化作用，围岩结构变形分析局限于结构体内本身的力学行为；从而提出从建立三向承载结构力学响应模型，量化围岩结构承载能力的多项弱化分析指标，建立含弱结构的煤层巷道数值分析模型，强化含弱结构承载能力 4 个方面来提高巷道围岩整体稳定性。
关键词：巷道围岩；稳定性；弱结构；控制
引言
巷道安全维护是保障现代化矿井智能精准开采的关键。巷道围岩是一个整体，其稳定性取决于围岩强度、围岩应力以及支护强度，随着开采深度和开采强度的增加，巷道围岩结构的整体性面临严峻的挑战，局部弱结构或者局部结构弱化均会带来整体承载能力的下降，含有局部弱结构的岩体力学行为显著异于等强均质岩体的力学响应，极易导致支护体破断失效、大变形破坏、煤与瓦斯突出及冲击矿压等煤岩动力灾害。揭示工程开挖等外界条件扰动弱化岩体的规律，掌握巷道围岩软弱岩体的分布规律、物理形态、力学行为、扩展规律对巷道围岩稳定性的影响机理可以为巷道围岩安全维护提供科学依据和技术保障。基于此，就巷道围岩结构承载机理、巷道围岩结构弱化机理、巷道围岩大变形及其控制机理3 个方面做文献综述。
1巷道围岩结构承载机理研究综述
1.1巷道围岩结构承载假说
巷道围岩结构形成于工程开挖过程，受地质赋存特征、工程扰动强度、支护方式等的影响，很难通过统一的模型表达。针对特定条件，经典的自然平衡拱假说、组合梁理论、大小结构承载理论、锚固体承载理论、分区裂化理论、松动圈理论、强-弱-强承载结构等。
1.2巷道围岩结构承载机理
巷道围岩弱结构划分为岩性、几何和工程应力弱结构型，弱结构巷道损伤承载拱与承载墙的概念，较好的诠释了弱结构的分类和对围岩稳定性的影响程度。但却重点放在了整层岩层弱结构对巷道稳定性的影响，对局部弱结构的量化研究不足，确定局部弱结构的几何尺寸、分布形态、穿层层位等极限值对指导巷道布置与支护具有较强的现实意义[1]。其锚固复合承载体结构模型，提高锚杆工作阻力、降低锚杆间排距、优化锚固复合承载体的几何参数、提高锚固复合承载体内围岩内聚力和内摩擦角、提高锚固复合承载体两帮垂直应力的增长速率可提高锚固复合承载体的强度。岩石峰后软化和峰前、峰后流变是导致围岩应力场演化的重要原因，峰后扩容是导致围岩大变形的重要原因，建立了围岩内、外承载结构模型，但两者随时间的变化相互作用过程中可以相互转化，简单的将应力降低区划分为内承载结构，应力升高区划分为外承载结构是否合理。
1.3 巷道围岩结构承载机理研究总结
前人对于巷道围岩承载结构做了系统的研究，建立了特定条件下围岩承载结构的物理、力学和数值模型，讨论了围岩承载结构的力学响应特征和失稳过程，揭示了特定条件下巷道围岩的稳定原理，呈现出很强的科学研究思路：针对特定条件下的工程问题→分析其物理形态和力学响应特征→提出潜在的理论表达→建立问题的模型化表达→选择合理的方法对模型求解→分析结果并验证理论表达的正确性→得出结论。因研究内容上侧重于岩层本身的岩性属性，围岩结构多被简化为二维问题，很难解释沿巷道轴向存在分布不均的弱结构岩体的情况[2]。
2巷道围岩结构弱化机理研究综述
2.1巷道围岩结构弱化失稳
巷道围岩结构的本质是由不同岩性、几何形状和尺寸的岩石材料、支护材料的组合体，受环境因子扰动，其承载属性表现出显著的时空效应，往往呈现强度弱化或者结构失稳的力学现象。随着开采深度和强度的日益增加，高地应力场、高地温、高扰动、复杂裂隙及渗流场耦合作用下，巷道围岩结构承载能力面临新的挑战，原有的模型适用性有待进一步验证。
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2.2 巷道围岩结构弱化机理
巷道围岩稳定软弱夹层顶板结构分析模型，揭示了水化、应力与软弱夹层结构的耦合作用机理，获得了含软弱夹层顶板结构围岩承载特性，对于沿巷道轴向发育不均的岩性弱结构讨论较少。同时，富水顶板结构强度弱化机理的研究中，相比无水条件，富水巷道顶板裂隙扩展范围较大、扩展周期较长，顶板前期以软弱岩层扩容变形为主，后期以含水砂岩离层变形为主。
2.3巷道围岩结构弱化机理研究总结
围岩结构弱化研究多涉及岩石材料遇水时的岩性弱化研究，多采用实验室实验的方法获得岩石材料的强度参数与含水率的关系，对于外界因子变化引起结构本身变化涉及较少，即当外界环境因子改变后，结构本身的物理力学属性是否发生变化，结构本身的承载规律如何演化以及是否会演化为另一种承载结构均需要做进一步的探究。
3巷道围岩大变形及其控制机理综述
3.1巷道围岩结构大变形本质
巷道围岩材料的本质力学响应关系决定了围岩的变形特征和破坏规律，但地层赋存条件的复杂性又决定了围岩承载还与围岩的结构特征相关，表现出极强的结构效应，即围岩变形破坏一方面体现在局部岩体的变形破坏，涉及弹性变形、塑性变形、碎胀变形；另一方面体现在结构局部的离层、错动、滑移、垮落、失稳等。
3.2巷道围岩结构大变形及其控制机理
围岩剪胀扩容发生在深支撑层的软化区内，描杆+锚索+注浆的复合支护方式，浅支撑层岩体与锚杆形成组合拱式的承载结构，锚索将浅支撑层与深支撑层联合起来共同形成围岩整体承载结构，锚注再次对围岩进行加固，改善围岩应力分布状况，使围岩变形协调化、荷载均匀化。其再造承载层对于围岩弱结构的变形控制起到了重要作用，人造承载层技术亦可用于控制巷道围岩局部弱结构的力学失稳[3]。贾永丰提出了连续双壳支护理念，巷道围岩浅部注浆+预应力锚杆支护形成浅部支护壳，深部注浆+预应力锚索形成深部加固壳，浅部壳提高围岩强度和刚度，改善浅部围岩承载结构，深部注浆浆液充填胶结岩体裂隙，注浆体与锚索共同形成具有一定厚度的闭合环形壳体。薛华俊展了煤样注浆前后破坏试验，获得了不同注浆压力下煤样强度、裂隙分形维数、破坏断口形貌变化规律，结果表明 4～6m 时的注浆深度可有效控制巷道围岩变形，通过对比实验确定使用两帮注浆+帮锚索的控制技术，围岩变形量最小。厚层软弱顶板煤巷顶板出现整体下沉现象，其裂隙扩展、锚固区内、外离层、采动应力作用下的塑性区扩展是厚层软弱顶板的主要致灾过程[4]。对此，用钻孔卸压+锁腿锚杆+U型钢协同控制技术维护厚层软弱顶板巷道的稳定性，现场试验效果良好。
3.3 巷道围岩结构大变形控制总结
针对特定岩性材料，选择合理的本构模型，可以有效揭示巷道围岩变形破坏规律，然后寻找围岩承载薄弱的部位，采取有效的控制方法可以大大减小围岩的变形，提高整体稳定性。
结束语
巷道围岩变形分析局限于结构体内本身的力学行为，围岩结构间的相互作用涉及的较少，但现实中的局部弱结构岩体往往对附近岩体的力学响应影响较大，需要深度研究弱结构的各项参数对围岩整体结构稳定性的影响规律，确定局部弱结构的阈值分布规律，建立含弱结构的煤层巷道数值分析模型，研究弱结构的物理属性对巷道围岩变形的影响规律，获得围岩大变形的主要影响因素。
参考文献：
[1]侯玮，霍海鹰，田端信.整合矿井采空区内掘进巷道围岩综合控制技术研究[J].煤炭工程，2013，1（1）：86-88.
[2]张志强.掘进巷道围岩稳定性分析及控制研究[J].山东煤炭科技，2016（7）：52-54.
[3]李国彪.干河煤矿大断面巷道围岩稳定性分析及控制技术研究[D].中国矿业大学（北京），2013.
[4]王成，韩亚峰，张念超，等.渗水泥化巷道锚杆支护围岩稳定性控制研究[J].采矿与安全工程学报，2014，31（4）：575-579.
论文作者:刘绍凯
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/8
标签：围岩论文; 巷道论文; 结构论文; 机理论文; 顶板论文; 力学论文; 稳定性论文; 《基层建设》2018年第28期论文;