基于塑性區控制的巷道圍巖支護理論與技術研究進展

王衛軍 ， 范 磊 ， 趙志強 ， 韓 森

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院, 湖南 湘潭 411201；2.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院, 北京 100083)

隨著采礦活動向地層深部不斷發展，深部巷道圍巖穩定性控制已成為國內外煤礦企業和學者所面臨的重大難題之一。通常，煤礦巷道圍巖破壞模式主要有頂板離層或冒頂、片幫、底臌以及沖擊地壓等幾種基本類型，這些破壞模式所發生的應力環境有較大的差別，影響因素眾多。因此，人們針對不同的應力環境采用了不同的理論模型、力學機制來闡述其破壞機理。例如馬念杰等[1-2]基于蝶形塑性區的旋轉特性，揭示了深部采動巷道蝶葉型冒頂的發生機理。姜耀東等[3]基于現場觀測和物理相似模擬試驗等方法，將常見底臌劃分為擠壓流動性、撓曲褶皺性、剪切錯動性和遇水膨脹性4 種，并分別給出了不同情形下的底臌機理。趙洪寶等[4]基于滑移線場理論，提出了巷道非對稱型底臌的形成機理。潘俊鋒等[5]基于時變特性，揭示了煤層巷道沖擊地壓的發生機理。國內外許多學者對巷道破壞機理的研究考慮了圍巖的力學性質、應力場的分布與演化以及支護與圍巖的作用關系等，應該說，已取得了重要的研究成果。但到目前為止，各種理論之間很難進行統一，缺乏普遍意義。往往針對同一巷道破壞模式，從多個研究角度產生了多種破壞機理，這些破壞機理在一定程度上可以相互補充，但仍無法形成統一的破壞理論。此外，在實際工程中，巷道破壞往往都是多種模式的合成，單獨的破壞模式并不容易出現。因此，現階段仍缺乏能夠統一解釋這些破壞模式以及模式之間演化關系的理論，這就給圍巖的系統控制帶來了諸多困難。

從巷道破壞模式的形成過程來看，巷道的破壞模式是圍巖應力作用的外在表現，圍巖的應力環境是巷道破壞模式形成的本質原因。但是，圍巖的應力環境具有復雜性、特殊性和多變性，很難將各式各樣的應力環境全部統一到一個共同的力學模型。這也是眾多學者通常選擇某一特定應力環境建立相應力學模型，進而揭示該應力環境下巷道破壞機理的原因。然而，巖石是彈塑性材料，完整巖體在由彈性狀態向破壞狀態轉變的過程中，總會經歷塑性屈服階段。雖然塑性屈服并不能與圍巖體的破壞直接等價，但是屈服后的塑性巖體在高應力的作用下繼續變形，從而引起結構面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產生，是導致巷道劇烈變形和破壞的直接原因。因此，塑性狀態是聯系巖體應力環境和破壞模式的中間狀態，塑性區的形成和擴展，在一定程度上能較為靈敏地反應和解釋巷道最終的破壞形態。

雖然，有關巷道破壞機理的理論眾多，但各種理論的共性在于都認為巷道破壞從本質上來說是圍巖體在一定地質環境(溫度、濕度等)和應力環境下的力學特征。因此，從圍巖的巖層構造、巖體的力學性質、所處的應力環境出發來研究巷道的破壞機理是科學且合理的。此外，現有的破壞理論絕大多數都與圍巖的彈塑性狀態或者塑性區的分布特征有關，這也為筆者嘗試從塑性區形成與擴展的角度研究巷道差異化破壞模式及其成因提供了可能。

因此，筆者在充分學習和借鑒已有研究成果的基礎上，通過理論創新、實驗研究、現場監測等手段，進一步認清深部巷道圍巖破壞模式與塑性區的形成、擴展和演變的因果關系，從塑性區形成與擴展的角度形成統一的巷道圍巖破壞理論，為全面解決深部巷道的支護問題進一步夯實理論基礎。

1 巷道圍巖破壞機理研究成果

國內外學者關于巷道圍巖破壞機理開展了深入研究，通過理論研究、數值模擬、室內實驗和現場試驗等方法提出了多種多樣的破壞機理，這些機理通?？煞譃樗拇箢悾簯χ鲗?、圍巖性質主導型、圍巖結構主導型和綜合因素影響型。

1.1 應力主導型

圍巖應力主導型的破壞機理是從巷道所處的應力環境出發，認為圍巖應力場的分布與演化是巷道圍巖破壞的本質原因。

例如于學馥等[6]于1981 年提出了“軸變論”，提出通過改變巷道軸比，使圍巖應力均勻分布，保證巷道圍巖穩定。前蘇聯學者提出了應力控制理論[7-8]，認為巷道圍巖的變形破壞源于開挖后圍巖體應力分布的改變，提出通過改善圍巖應力環境提高巷道圍巖的穩定性。GALE W J[9]提出了最大水平應力理論，認為巷道圍巖穩定性受礦井最大水平應力與巷道布置方向的影響，與最大水平應力平行的巷道受水平應力影響最小，頂底板穩定性最好。1981 年錢鳴高院士[10]提出“砌體梁”平衡理論，認為采空區側向支承壓力會對巷道圍巖穩定產生一定影響，提出通過留設大煤柱平衡頂板壓力，將下區段平巷布置在遠離采空區的原巖應力區。1979 年宋振騏院士[11]提出“傳遞巖梁”理論，提出通過留設窄小煤柱隔斷采空區，并將下區段平巷布置在內應力場的低應力區，達到保證巷道穩定的目的。何滿潮院士[12-13]提出了基于“切頂短臂梁”理論的無煤柱自成巷開采方法。左建平等[14-15]提出了梯度應力場的概念，揭示了巷道圍巖梯度破壞機理，并建立了巷道等強支護理論模型。肖同強[16]發現埋深和構造應力越大，頂煤橫向彎曲變形、沿水平層理的滑移措動及其剪切破壞特征越明顯，揭示了構造應力對厚頂煤巷道變形破壞的作用機理。齊慶新等[17]提出了以單位應力梯度為表征的沖擊地壓應力控制理論，揭示了構造應力和采動應力對沖擊地壓發生誘發機制。

1.2 圍巖性質主導型

圍巖性質主導型的破壞機理是從巷道圍巖的力學特性出發，認為巖層差異化分布、巖體力學強度以及巖體物理化學性質等是導致巷道圍巖變形破壞的主要原因，尤其是軟巖本身所具有的大變形力學特性為該類巷道圍巖破壞機理的提出和發展提供了重要支撐。

例如何滿潮院士[18]將軟巖的變形力學機制歸納為物化膨脹、應力擴容和結構變形3 類，提出根據軟巖變形力學機制的不同差異化設計巷道圍巖的控制方案。侯朝炯、勾攀峰等[19-20]基于物理模擬試驗研究，提出了圍巖強度強化理論，認為通過改善錨固區圍巖的力學參數和力學性能，增強錨固區圍巖的承載能力，能夠有效提高巷道的穩定性。李軍等[21]研究并揭示了強膨脹弱膠結軟巖巷道的變形破壞機理。李桂臣等[22-23]研究了軟弱夾層的物理化學和工程力學特性，揭示了軟弱夾層頂板巷道圍巖破壞機理，并提出了軟弱夾層頂板巷道安全因子的概念。孟慶彬等[24]發現深部高應力作用、地下水的物化作用和力學作用、高地溫的影響都會使軟巖的力學性質發生巨大改變，并提出了深部高應力軟巖巷道的變形破壞機理。

1.3 圍巖結構主導型

國內外學者在研究圍巖自承載能力的過程中發現巷道圍巖體中存在著“拱效應”，認為“拱結構”是圍巖自承載作用的重要角色，而“拱結構”的破壞是導致巷道大變形失穩的主要原因，從而形成了圍巖結構主導型的巷道圍巖破壞機理。

例如以泰沙基[25]和普羅托吉雅可諾夫[26]為代表的學者認為巷道頂部垮落到一定程度后，會自然形成一個拱形結構，這就是經典的普式冒落拱理論。方祖烈[27]根據巷道周邊圍巖的變形破壞特征，提出了“主次承載區”的概念?？导t普[28-29]將在巷道圍巖中起主要承載作用的圈狀區域巖體稱為“關鍵承載圈”。王衛軍、李樹清[30-31]基于彈塑性理論分析、數值模擬和現場試驗研究，提出了“內-外承載結構”理論。李新元[32]、梁曉丹[33]、王迎超[34]、杜曉麗[35]和王曉卿[36]等認為巷道圍巖中存在壓力拱效應，但采用了不同的壓力拱劃分依據，研究了壓力拱的分布形態及其演化特征。黃慶享等[37]基于普氏理論，在考慮“頂板-兩幫-底板”相互影響的基礎上提出了巷道圍巖自穩平衡圈理論，認為支護的目的是為了控制自穩平衡圈內巖體的穩定，并提出了“治頂先治幫，治幫先治底”的巷道支護理念。謝生榮等[38-39]認為巷道圍巖在注漿加固后會存在著由密集高強錨桿構成的承壓拱、由厚層鋼筋網形成的噴層拱以及由滯后注漿形成的加固拱等多種“拱結構”，并闡明了成拱及強化支護的機理。彭瑞等[40-41]根據不同的應力劃分依據，提出了“強-弱-關鍵”耦合支承層和抗剪承載結構等巷道圍巖結構概念。

1.4 綜合因素影響型

綜合因素影響型的破壞機理認為在實際工程中圍巖的破壞通常不是由單獨因素直接導致，而是由2種及以上影響因素的綜合作用。該類巷道破壞機理因考慮的影響因素更多，適用的工程條件更廣，也更容易被人們所接受，因此，在現場工程中得到了廣泛應用。

例如康紅普院士[42-43]認為深部動壓巷道圍巖大變形是圍巖物性劣化、偏應力誘導圍巖擴容、軟巖結構性流變及超長工作面采動影響等多個方面的綜合結果，并以此為基礎，提出了千米深井、軟巖、強采動巷道“支護-改性-卸壓”協同控制理念。袁亮院士[44]提出了基于“應力恢復、圍巖增強、固結修復、轉移擴大”的深部巖巷圍巖穩定控制理論，并提出了深部巖巷圍巖穩定控制的技術措施體系。牛雙建等[45]結合現場松動圈測試結果，提出在深部極軟巖巷道初期采用主動柔性支護對破碎圍巖力學性能“固”、中期預留變形量對高應力“卸”、后期采用全斷面高強度和高剛度支護對其流變變形強“抗”的剛柔耦合動態加固技術。楊仁樹等[46]研究了復雜巖層大斷面硐室群圍巖的變形破壞特征，認為圍巖剪應力集中、巖體力學強度低且水化作用明顯是導致復雜巖層大斷面硐室群圍巖破壞的主要原因，并提出了“強柱固底”的加固支護方案。王猛等[47]研究了深部采動巷道圍巖的變形破壞特征，提出適度讓壓釋放高應力，加固圍巖提升圍巖承載能力的圍巖控制方法。

2 圍巖塑性區理論研究成果

2.1 塑性區邊界的求解

目前，關于巷道圍巖塑性區解析解的研究中，絕大多數以均勻應力場為前提條件，但事實上，巷道圍巖應力場極少能夠達到靜水壓力狀態。因此，巷道側壓系數不為1的情況應該得到格外關注?，F階段，關于非等壓巷道圍巖塑性區應力和彈塑性區邊界至今仍沒有嚴格的解析解，只能求得近似解答。

近似隱式法最早在KASTNER[48]的著作《隧道與坑道靜力學》中就已提及，之后唐芙蓉[49]、趙志強[50]、韓森[51]等采用M-C 準則，李濤[52]、彭瑞[53]等采用DP 準則，陳立偉[54]、劉波[55]等采用統一強度準則，張小波等[56]采用H-B 準則，在考慮中間主應力、滲流、擾動以及剪脹等不同因素影響的情況下，采用近似隱式法對非等壓巷道圍巖塑性區的分布規律展開了大量研究。小參數解法常用于側壓系數與1相差不大的雙向非等壓巷道圍巖塑性區的求解，例如魯賓涅依特[57]、蔡美峰[58]、陳啟美[59]、侯公羽[60]等采用小參數解法對雙向不等壓圓形硐室進行研究，得到了圍巖彈塑性應力和彈塑性邊界線方程。魏悅廣等[61]沿用小參數解法，給出了基于M-C 準則的橢圓形巷道圍巖彈塑性應力場的近似解。復變函數法是以復變函數理論為基礎，將確定彈塑性區的交界問題轉化為映射函數系數的求解問題。GALIN L A[62]基于理想彈塑性模型，采用復變函數法獲得了Tresca 強度準則下非軸對稱彈塑性問題的解析解。之后，OCHENSBERGER 等[63]對Galin 解進行了修正。DETOURNAY E[64]、呂愛鐘等[65]將非軸對稱彈塑性問題的復變函數解答推廣到M-C 準則。隨著對非等壓巷道圍巖彈塑性力學的研究不斷深入，越來越多的學者在求解過程中考慮了其他因素的影響，非等壓巷道圍巖塑性區的邊界解答不斷完善[66]。其中，由近似隱式解法求解的圓巷圍巖塑性區具有圓形、橢圓形及蝶形3 種基本形狀，這與大量數值模擬的結果相仿，且求解過程并不復雜，成為現階段求解雙向非等壓圓巷圍巖塑性區邊界的主要方法之一。

式(1)為2014 年趙志強[50]基于M-C 準則推導的雙向非等壓圓巷圍巖塑性區邊界的隱式方程：

2.2 塑性區基本形態及力學特征

趙志強[67]根據非等壓圓巷圍巖塑性區邊界的隱式方程式，通過Matlab 獲得了不同側壓系數下圓形巷道圍巖塑性區的分布形態，同時結合數值模擬的計算結果，認為巷道開挖后圍巖塑性區具有圓形、橢圓形和蝶形3 種基本形態。

文獻[68-69]提出了判定非均勻應力場中圓形巷道圍巖塑性區形態的形態系數τ′，推導出了形態系數的理論公式，建立了非均勻應力場中圓形巷道圍巖塑性區形態判定準則，在理論上界定了圓形巷道圍巖塑性區圓形、橢圓形和蝶形3 種形態(圖1)。

圖1 巷道水平(最大)主應力與形態系數間的關系[69]Fig.1 Relationship between horizontal (maximum) principal stresses and form factors of the roadway[69]

式(2)、(3)為塑性區形態系數判別公式：

與蝶形塑性區相比，圓形或橢圓形塑性區的形態特征要簡單很多。文獻[50, 70]通過理論分析和數值模擬發現，圍巖蝶形塑性區的形成具有明顯的方向特性，蝶葉總是出現在由最大主應力和最小主應力所形成夾角的等分線附近，且隨著主應力方向的旋轉，蝶形塑性區也會發生旋轉。受地質、構造等因素的影響，塑性區很難呈標準形態分布，而是會在3 種基本形態的基礎上發生一定程度的形態變異，該特性在蝶形塑性區中體現得更為明顯。文獻[50, 71]通過數值模擬發現巷道圍巖蝶形塑性區的形態具有變異性，當圍巖強度較高時，塑性區蝶葉會發生減小甚至消失，而當圍巖強度較低時，塑性區蝶葉能得到充分擴展。文獻[72]分析了巷道圍巖塑性區最大半徑與雙向主應力比值的關系，發現蝶形塑性區具有突變性和應力敏感性。當圍巖處于某一特定的應力環境時，僅需要微小的應力增量，蝶形塑性區的蝶葉便會急劇擴展。而圓形或橢圓形塑性區對應力的敏感性較差，在區域應力場應力逐漸增長的過程中不會發生形態突變現象。

3 巷道破壞模式與圍巖塑性區分布的關系

根據變形破壞過程的差異性可將巷道的破壞模式分為“穩定型”破壞、“漸進型”破壞和“突變型”破壞三大類。

3.1 “穩定型”破壞模式

“穩定型”破壞模式是指巷道在開挖后圍巖的變形破壞不會一直持續，當圍巖體內的彈性勢能通過變形得到充分釋放后，巷道最終趨于穩定?！胺€定型”破壞模式通常出現在塑性區呈圓形或橢圓形分布的巷道中，或因受到巖層分布、地質構造、巷道斷面形態以及支護方式等其他因素的影響，塑性區最終形態是在圓形或橢圓形塑性區的基礎上發展而來的巷道中。此外，由于巷道出現標準圓形或橢圓形塑性區的條件較為苛刻，在實際工程中，“穩定型”破壞模式的巷道以變異的圓形或橢圓形塑性區為主，由于應力環境未發生本質改變，圓形或橢圓形塑性區在外來因素的綜合影響下即使發生一定程度的形態變異，但其形態穩定性(擴展速率)仍較蝶形塑性區明顯更好。

3.2 “漸進型”破壞模式

“漸進型”破壞模式是指巷道在開挖以后，即使采取相應的支護措施，但圍巖的變形和破壞仍無法得到有效遏制，出現了二次破壞或者反復破壞的現象，這種破壞模式也是國內深部動壓巷道圍巖破壞的普遍現狀。通常，根據誘因的不同可將巷道“漸進型”破壞模式再細分為采動作用下的巷道“漸進型”破壞和巖體蠕變作用下的巷道“漸進型”破壞2 種。

(1)采動作用下的巷道“漸進型”破壞。

受采動影響后，巷道圍巖塑性區的范圍可能會發生一定程度的擴展。然而研究表明，不同形態的塑性區對于應力的敏感性差異較大。通常，圓形或橢圓形塑性區抵抗外力擾動的能力較蝶形塑性區更強，受擾動后塑性區的擴展速率并不高，支護結構對擾動后的塑性區巖體仍有較好的支護作用，如圖2 所示。但是，蝶形塑性區對外力擾動極其敏感，極易發生惡性擴展。因此，出現蝶形破壞的巷道，即使得到有效支護，而在采動作用下發生塑性區二次擴展的概率仍然較高，且塑性區范圍的擴展速率較快，從而導致巷道破壞程度進一步加劇，更容易出現“漸進型”破壞(圖3)。(2)巖體蠕變作用下的巷道“漸進型”破壞。

圖2 “穩定型”破壞模式下圍巖塑性區分布Fig.2 Distribution of plastic zone of surrounding rock under“stable” failure mode

圖3 外力擾動下的巷道“漸進型”破壞Fig.3 “Progressive” failure of roadway under external force disturbance

在高應力的作用下塑性區圍巖會表現出明顯的蠕變特性，且巖體的蠕變特性受應力水平、巖石種類以及力學狀態等因素的共同影響。部分巷道的圍巖條件、應力環境較好，且及時實施了有效的支護措施，圍巖的蠕變行為能夠在較短時間內趨于穩定。但是部分巷道的圍巖強度較低、應力水平較高，例如深部軟巖巷道，其圍巖在服務期內的變形量和變形速率隨著時間的增加不斷增大，最終出現了非穩定蠕變。研究發現[73]，軟巖巷道的蠕變主要源于塑性區峰后巖體的蠕變。因此，巷道開挖后，由于圍巖體的非穩定蠕變將會導致兩方面不利影響：① 原本處于彈性狀態的部分圍巖體進入塑性階段，巷道圍巖塑性區的范圍進一步擴展；② 圍巖體尤其是塑性區巖體向巷道空間持續變形，最終導致巷道圍巖大變形、失穩現象的發生。因此，在高應力作用下的圍巖蠕變行為，尤其是塑性區峰后巖體的非穩定蠕變行為，會導致巷道出現“漸進型”破壞。

3.3 “突變型”破壞模式

(1)蝶型破壞引發的巷道沖擊地壓。

蝶形是圍巖塑性區的非穩定形態[74]，當達到某一臨界條件時，僅需要較小的應力增量，蝶形塑性區便會發生惡性擴展，并伴隨能量的急劇釋放。當短時間內塑性區范圍的增量足夠大時，淺部圍巖體已經無法承受聚集的巨大能量，則會將破碎巖體向巷道空間彈射，形成沖擊地壓災害(圖4，Pt1、Pt3分別為瞬態應力場中巷道水平主應力和垂直主應力)。

圖4 巷道蝶形沖擊地壓發生機理 [74]Fig.4 Butterfly rock burst mechanism in roadway[74]

(2)蝶型破壞引發的巷道煤與瓦斯突出。

煤與瓦斯突出也是巷道破壞的主要模式之一，是礦井自然災害的重要角色。長期以來，眾多學者針對煤與瓦斯突出機理，提出了多種假說，一般可歸納為瓦斯作用假說、地應力作用假說、化學本質假說以及綜合作用假說四大類。其中，掘進巷道蝶型突出機理認為[72]，掘進巷道煤與瓦斯突出的力學本質是在巷道掘進工作面前方極短時間內出現一定程度的蝶型塑性區增量，引發圍巖內彈性能與瓦斯能的疊加并迅速釋放，從而誘發煤與瓦斯突出。掘進工作面前方煤巖體塑性區在短時間內的增量決定了煤與瓦斯突出危險性的大小。

4 錨桿支護對圍巖塑性區的作用機理

一般來說，通過對開挖后的圍巖體施加錨桿錨索，掛網噴漿，可以防止或減少巷道的破壞失穩[75]。然而錨桿支護能否有效控制塑性區的擴展，對塑性區的控制作用如何發揮，對塑性區的控制作用到底有多大等支護機理仍待明確。筆者通過對國內外現有研究成果進行整理和總結，認為錨桿支護對巷道圍巖塑性區的作用機理主要體現在2 個方面。

4.1 塑性區內巖體非連續變形控制

文獻[76-77]認為錨桿的本質作用是控制圍巖的不連續、不協調擴容變形，而對于巖體連續性變形的控制作用十分有限。之后，筆者團隊通過開展錨固巖體的力學試驗，對比了錨固完整巖體和錨固破碎巖體的力學特征，對前人的結論進行了驗證。研究發現，施加一定數量錨桿后，無論是完整試件還是預裂試件，其峰值強度均得到一定程度提高。但是，施加相同數量的錨桿后，預裂試件峰值強度的提高較完整試件更為明顯。

圖5 為完整試件在施加一定數量錨桿后，在加載過程中試件與錨桿應變的變化情況。

圖5 試件與錨桿應變對比[78-79]Fig.5 Comparison of strain between specimen and bolt[78-79]

結果顯示，對完整試件施加錨桿后進行軸向加載，試件應變在加載后的很短時間內迅速增加，試件發生持續變形。而錨桿應變在軸向加載前期增長極為緩慢，錨桿幾乎沒有發生變形，而是在經過一段時間后，錨桿應變才開始緩慢增加。這是因為，巖石試件破壞前所允許的彈性變形量通常較小，而錨桿是金屬材質，與脆性巖石相比，錨桿所能允許的變形就大得多。正是因為兩者在變形特性上差異懸殊，導致試件變形和錨桿承載過程并不同步，而是試件先屈服破壞到一定程度后，錨桿的承載性能才能得到有效發揮。因此，錨桿支護在圍巖破壞前的作用并不大，錨桿支護的主要對象是塑性區內巖體離層、滑動、裂隙張開以及新裂紋的產生等非連續變形。

4.2 圍巖承載能力提升和塑性區擴展抑制

(1)減緩圍巖自身承載能力的弱化進程。

錨桿與圍巖結合，控制圍巖體的流變進程。室內流變試驗發現[80]，錨桿對巖體的流變行為具有較為明顯的控制作用，主要體現在：① 加錨巖體的長期強度明顯增加，殘余承載能力顯著提高；② 錨桿的介入提升了錨固巖體的蠕變應力閾值，延長蠕變發生的初始時間，從而有效延緩巖體的蠕變進程；③ 在不同應力水平下，加錨巖體的蠕變行為均得到不同程度的減弱，蠕變量減小。

補償圍巖應力，延緩原巖應力的卸載進程。文獻[81-83]認為，巷道圍巖的變形破壞源于開挖后徑向應力(最小主應力)的不斷卸載，而錨桿支護的作用主要是補償圍巖應力，巷道開挖機理如圖6 所示(圖中，C為黏聚力；τ為剪應力；σt為抗拉強度；σ為 正應力；σ1和σ3分別為圍巖的切向應力和徑向應力；σ2為中間主應力；σS1和σS3分別為開挖補償后圍巖的切向應力和徑向應力)。支護所提供的補償應力越大，補償時間越短，越能有效延緩由巷道開挖所導致的應力重新分布活動。文獻[77, 84]認為錨桿支護強度與圍巖應力場之間差距懸殊，無法改變應力場的分布規律。由錨桿支護所提供的小圍壓對于圍巖峰值強度的提高也并不明顯，即對彈性巖體的影響較小。但是卻能有效提高了巖體的殘余強度，顯著增強破碎圍巖的自承能力。

圖6 開挖補償機理[81-82]Fig.6 Excavation compensation mechanism[81-82]

(2)塑性區巖體注漿，提升圍巖的承載能力。

注漿錨桿不僅具有普通錨桿的支護性能，通過對巖體孔隙、裂隙中注入高壓漿液，還具有堵水、提高圍巖強度以及增強圍巖承載能力的作用。對具有膨脹性礦物的巖體注入高水材料，能夠改善巖體的水理環境，避免或減少巖體遇水膨脹變形和強度軟化。此外，漿液固化還能將破碎的巖塊重新膠結成整體，提高結構面的黏結力，從而增強圍巖體的穩定性。

因此，在圍巖體破碎、自身承載能力較低的情況下，及時對塑性區巖體尤其是峰后破碎巖體進行注漿，在錨桿和漿液的共同作用下，圍巖的承載能力能夠得到有效提升，塑性區的擴展得到一定程度的抑制。

5 巷道圍巖塑性區控制理論與技術

5.1 圍巖塑性區的控制理論

5.1.1 圍巖塑性區的控制依據

基于塑性區的巷道破壞機理認為，圍巖的變形破壞與塑性區的形成與擴展以及塑性區內巖體的力學特征密切相關。巷道破壞模式的變化過程也伴隨著圍巖塑性區的演化。因此，巷道圍巖控制從本質上來說就是控制圍巖塑性區形成與擴展的過程。

(1)地應力測試和圍巖松動范圍的測試，為巷道開展掘前塑性破壞形態和范圍預測提供重要技術保障。圍巖塑性區的形態是由區域應力場和圍巖力學性質共同決定?，F階段，地應力測試技術不斷優化，測試精度不斷提高，通過布設一定數量的地應力測點就能夠較為準確地獲取礦區巖層地應力的分布信息。使得在巷道開掘之前就能夠掌握圍巖的力學性質以及巷道與主應力方向的關系，從而預測巷道開挖后圍巖塑性區的分布形態以及巷道的破壞模式，也為科學合理確定巷道位置和延伸方向奠定基礎。

(2)巷道開挖后，圍巖塑性區擴展的時效特性為支護控制塑性區爭取了時間。巷道開挖后，圍巖的應力平衡狀態被打破，應力場重新分布，離巷道表面近的圍巖應力傳遞較快，離巷道表面遠的圍巖應力傳遞較慢，但最終會全部進入自然平衡狀態[85]。此外，理論和現場經驗表明，巷道的變形不是瞬間形成的，對于不同位置的巖體，力的傳遞也不是同時發生的，而是由巷道外部巖體到內部巖體再到外部巖體不斷影響、循序漸進的過程。在達到自然平衡狀態前，圍巖應力場一直處于動態調整狀態。巷道開挖后圍巖應力卸載的時效特性得到了眾多學者的認可，這也與實際工程現象高度匹配。此外，圍巖的應力環境決定了塑性區的分布規律，因此，巷道開挖后圍巖塑性區的最終形態也不是立刻形成的，而是一個不斷發展的過程，直到圍巖達到平衡狀態時，塑性區的最終形態和范圍才得以確定。因此，眾多學者根據這一特性提出了支護時機的概念[86-87]，也正是由于巷道開挖后圍巖塑性區的形成具有時效性，才為通過支護手段控制圍巖塑性區提供了可能，爭取了時間。

(3)科學合理的支護方法能夠有效控制塑性區的擴展?，F階段，巷道圍巖控制最主要的手段就是采用錨桿(索)支護，眾多學者針對錨桿支護對圍巖塑性區的控制作用展開了研究。研究發現，錨桿支護對于圍巖塑性區的控制作用是顯而易見的，錨桿支護一方面能夠有效控制塑性區內巖體的非連續變形，另一方面通過提升圍巖的承載能力，抑制塑性區的擴展。但是，想要充分發揮錨桿的支護作用，在遏制塑性區擴展的基礎上控制巷道支護成本，就需要掌握錨桿支護對圍巖塑性區的控制機理，把握支護時機，科學合理制定錨桿支護參數。

5.1.2 圍巖塑性區的控制理念

(1)塑性區是巷道開挖的產物，無法從源頭上避免塑性區的形成。

巷道開挖過程其實就是圍巖應力的卸載過程。在現有巷道開拓和支護水平下，從巷道開挖伊始，到支護完成并提供支護阻力的這一段時間內，由于圍巖應力的持續卸載，巷道已經形成了一定形態和范圍的塑性區，將該部分塑性區稱為“給定塑性區”。因此，“給定塑性區”是在現有巷道開拓和支護水平下，由于巷道開挖過程中，圍巖應力不斷卸載，但還未及時進行支護干預所形成的塑性區?！敖o定塑性區”是在支護介入前形成，因此不受支護方式、支護強度的影響。

社會心理學已經證實，當決策者行動時，常常會考慮他人的判斷和行為，即使知道其他人是一種從眾行為，理性的人也會參與其中并采取類似的行為。如果脫離了大多數，會讓人產生不安全感，尤其是對自己缺乏自信的時候，這種心理效應會更加顯著，即從眾心理。

現階段，在部分地下工程的開挖時會采用掘錨一體技術，能夠不斷接近“邊開挖邊支護”的效果，極大降低圍巖應力在支護前的卸載程度，使圍巖盡可能保持原巖應力狀態，但仍還無法達到絕對的“邊開挖邊支護”。因此，在現有的技術水平下，巷道圍巖“給定塑性區”仍無法被消除。塑性區成為巷道開挖的必然產物，在巷道開挖時杜絕塑性區的出現是無法實現的。

(2)科學控制塑性區需要全面認識塑性區在巷道圍巖中所起的作用。

圍巖強度強化理論認為，巷道開挖后，圍巖塑性區的形成導致塑性區內大部分巖體的力學強度明顯下降。隨著塑性區的不斷擴展，圍巖承載結構的位置向巖體深部不斷轉移，巷道淺部巖體的承載能力持續下降。淺部塑性巖體因應力卸載程度較高，圍巖裂隙發育、貫穿，結構面離層、滑動，在持續高應力的作用下，塑性區發生惡性擴展，塑性區內巖體發生非線性、非協調性剪脹變形，進而導致巷道圍巖大變形和失穩等現象的發生。

但是，從巷道開挖后圍巖應力分布特征上來看，塑性區的邊界通常是圍巖應力集中區的中心，塑性區的范圍越大，應力集中區的位置也逐步向巷道圍巖深部轉移，塑性區的出現起到隔絕巖體深部高應力的作用，塑性區內尤其是破碎區巖體受深部高地應力的影響明顯降低。此外，巷道開挖后，圍巖體內儲藏的大量能量需要得到有效釋放，尤其是深部高應力巷道。開挖破壞了圍巖體的力學平衡，如果圍巖體內所積聚的強大能量得不到及時釋放，會對巷道的安全和穩定產生巨大影響。此時，塑性區的出現能夠大幅度降低圍巖體能量，加快巷道開挖后圍巖體由非平衡狀態向自然平衡狀態轉化的速率。

(3)圍巖自承為主，支護干預為輔，實現塑性區可控擴展。

針對深部高應力巷道，想控制圍巖不變形、不產生塑性區是不現實的，需要允許巷道在一定程度上發生變形和塑性破壞，釋放巖體內的能量，但又不能允許圍巖無休止的變形。塑性區無休止的擴展，會使圍巖承載能力不斷喪失，導致巷道圍巖大變形和失穩。因此，深部高應力巷道的圍巖控制應當充分發揮圍巖的自承能力，輔以支護干預，形成深部高應力巷道圍巖塑性區的可控擴展。

隨著煤層開采深度的不斷增加，大變形巷道也越發常見。該類巷道圍巖的給定變形量和給定塑性區范圍一般較大。這就要求支護結構一方面具有足夠的錨固深度，從而確保錨固基礎始終位于穩定巖體中；另一方面，還需要具有較強的延展性能，從而滿足圍巖的大變形特性。普通錨桿具有較好的延展性能，但其錨固深度一般較小，在塑性區范圍較大的巷道中容易失效。而普通錨索具有較高的承載能力且錨固深度較大，但其延伸率僅為4%左右，在大變形巷道中極容易發生破斷。此時，就需要一種既能適應圍巖大變形、錨固深度大，又能持續提供高阻力的新型支護材料——大變形柔性錨索。大變形柔性錨索由6 根鋼絞線組成，具有受力和變形相匹配的特性。

普通錨索延伸率一般在2%～4% ，而大變形柔性錨索的延伸率超過了10%，是普通錨索延伸率的2.50～5.00 倍 。直徑21.6 mm 的普通錨索可以累計承受81 578.8 J 的沖擊能，而?21.5 mm 抗沖擊吸能錨索則可以累計承受105 169.3 J 的能量，抗沖擊性能是普通錨索的1.25～2.00 倍[88]。大變形柔性錨索的安裝工藝與普通錨索相同，無需擴孔、安裝恒阻器等額外工作，能極大地滿足巷道圍巖大變形和沖擊地壓等需求。

(4)塑性區變化貫穿巷道服務全周期，采用過程控制，實現塑性區穩定控制。

煤礦巷道通常都具有一定的服務周期，在服務周期內圍巖應力場、塑性區的形態和范圍都是不斷變化的。因此，不能將巷道圍巖控制局限在巷道開挖時的一次支護措施，而要將其作為一個過程來對待。這就要求錨桿(索)不僅能適應支護施工時的圍巖應力環境，還應適應巷道全周期內可能出現的應力擾動、圍巖劣化等情況。

巷道開挖初期對圍巖及時進行補償支護能夠影響巷道最終的圍巖變形量和塑性區范圍。文獻[89]發現，巷道初次支護方式不合理，支護強度不能滿足實際需要，則會導致圍巖的嚴重變形和破壞，需要對其進行返修。但是頻繁的擴幫拉底，不僅會增加巷道支護成本，還會使巷道塑性區進一步擴展，不斷增加支護難度。

此外，針對部分巷道在其服務期內可能出現的圍巖應力環境改變，巖體力學參數劣化等情況，從而出現塑性區二次擴展的現象，這就需要在巷道開挖時或者環境改變之前，及時采取有效的加強支護措施，通過支護手段抑制塑性區的二次擴展，保障巷道安全穩定。

5.2 圍巖塑性區的控制技術

巷道圍巖塑性區的控制要具有全局性，根據塑性區的形成與擴展過程可將巷道圍巖塑性區的控制劃分為3 個階段。第1 控制階段為巷道開挖前，巷道位置、斷面形狀以及巷道走向都會影響開挖后所形成的“給定塑性區”的形態和范圍，該階段主要是控制圍巖的“給定塑性區”。第2 控制階段是巷道開挖后到擾動應力等其他干擾因素影響前，在該階段通常會實施至少一次支護措施，主要是延緩圍巖應力的卸載進程，控制“給定塑性區”的擴展。第3 控制階段是針對巷道在服務周期內可能出現的應力擾動Pi，在巷道應力環境改變之前對圍巖進行加強支護，從而控制巷道圍巖塑性區的進一步擴展。圖7 為巷道圍巖塑性區控制技術的整體思路。

圖7 巷道圍巖塑性區控制技術Fig.7 Control technology of plastic zone of surrounding rock of roadway

此外，為了能夠更加清楚地反映巷道圍巖塑性區的全局控制理念，筆者現將巷道圍巖塑性區的控制技術作進一步闡述，如下：

(1) 開展巷道掘前地質、應力環境評估，為巷道選擇“有利”的“給定塑性區”。

巷道圍巖“給定塑性區”雖然不能完全消除，但卻可以通過將巷道布置在地質條件較好、應力環境較為有利的位置，從而使巷道圍巖“給定塑性區”呈穩定形態分布，減小“給定塑性區”的范圍。換而言之，將原本開挖后可能出現蝶形塑性區的巷道轉變為出現圓形或橢圓形塑性區的巷道，或者，將原本開挖后可能出現大蝶形塑性區的巷道轉變為出現小蝶形塑性區的巷道。

例如，將巷道布置在強度較高的硬巖當中，避開斷層、溶洞等地質構造的影響，可以有效提高圍巖的力學性能，減小“給定塑性區”的范圍；根據地應力分布特征，盡可能選擇對巷道較為有利的延伸方向，尤其針對井下服務周期較長的巷道，在實際條件允許的情況下，盡可能將巷道的側壓系數控制在1 左右，避免讓巷道處于較高側壓系數下，形成非穩定形態的蝶形塑性區。

(2) 科學確定巷道圍巖塑性區的形態和范圍。

現階段，還無法在現場通過特定的儀器測量圍巖塑性區的精確范圍，只能通過地質雷達、鉆孔窺視等手段獲得圍巖松動圈的大致范圍，并結合數值模擬，將松動范圍測試結果與塑性區的數值模擬結果進行對比，從而確定巷道圍巖塑性區的近似范圍。具體過程如下：① 通過現場試驗，利用圍巖取芯和地應力測試技術，獲得巖體力學特征和巷道主應力大小和方向；利用巖心X 射線衍射技術，獲得圍巖體礦物組成；② 開展井下圍巖鉆孔窺視試驗，獲得巷道關鍵部位(頂板和兩肩)圍巖變形和破壞特征；③ 根據圍巖力學參數和應力場信息建立數值模擬模型，數值計算并獲得圍巖塑性區范圍；④ 對比分析現場試驗和數值模擬的結果，確定巷道圍巖塑性區的實際形態和范圍。

(3) 根據塑性區形態及力學響應特性確定支護參數。

巷道位置選定以后，圍巖給定塑性區的形態和范圍也基本確定，但是可以通過支護對塑性區的控制作用，抑制塑性區的擴展。由于圍巖塑性區具有穩定和非穩定2 種形態，且它們除了在形態和范圍上存在差異，力學響應也極為不同，因此，想要科學有效控制塑性區的擴展，需要根據塑性區的類型差異化設計巷道支護方式。不同形態的塑性區其力學響應的差異性主要體現在2 個方面：① 塑性區巖體本身力學狀態的差異性，即非穩定形態的蝶形塑性區巖體的剪脹作用往往較其他穩定形態的塑性區更強，尤其是在蝶形塑性區的蝶葉區域。② 塑性區巖體的穩定性存在差異。蝶形塑性區因對外力的高敏感性，其自身力學狀態的保持能力較其他形態的塑性區弱，塑性區容易發生惡性擴展，塑性區內巖體力學狀態也會隨之動態改變。

當巷道近似處于雙向等壓狀態或者圍巖雙向主應力的比值較小時，巷道塑性區的形態通常為圓形或橢圓形。此時，在不受外界強力干擾的情況下，巷道塑性區的形態通常發育較緩，只需要根據塑性區(破碎區)的范圍確定錨桿(索)的支護參數即可。而當巷道處于雙向極不等壓環境時，圍巖塑性區呈蝶形分布，塑性區范圍大，塑性區惡性擴展的概率更高；處于高強剪脹狀態下的塑性區巖體會向外擠壓巷道淺部破碎巖體，致使巷道大變形失穩。因此，在設計該種巷道的支護方式時，不僅要考慮塑性區范圍，采用差異支護方式，還要適當增加蝶葉處的錨桿(索)支護密度和強度，并在巖體破碎嚴重或偏應力極強時，采取薄弱區巖體注漿加固，提高巖體自身的力學強度。

6 工程應用

6.1 工程概況

湖南嘉禾煤礦24 采區地質環境復雜，處于構造影響區域，煤層底板設有瓦斯抽采巷道，距上方煤層垂直距離20～30 m，用于對即將回采的煤層進行提前瓦斯抽采，從而降低瓦斯事故的發生風險。底抽巷斷面為直墻半圓拱形，采用全斷面錨網噴支護。在瓦斯抽采期間，巷道局部圍巖發生變形破壞，總體幅度并不大。但是，在工作面回采期間，位于工作面下方的區段底抽巷圍巖變形破壞嚴重，如圖8 所示，出現了頂板下沉和片幫等現象，巷道斷面大幅收縮，嚴重影響正常的生產活動。

圖8 巷道變形破壞狀況Fig.8 Failure state of the roadway

6.2 巷道應力環境與破壞特征分析

6.2.1 地應力測試

為了獲取底抽巷圍巖的應力信息，在底抽巷不受采動影響的區段開展了地應力測試。結果顯示，底抽巷近似沿中間主應力方向掘進，最大主應力近似垂直于巷道軸線，為12.1 MPa，豎直應力為最小主應力，為6.4 MPa，巷道側壓系數約為1.89。

6.2.2 塑性區分布及巷道破壞成因分析

根據地應力測試結果，通過FLAC3D建立巷道開挖模型，對非采動影響段的巷道破壞特征進行了模擬。模型左、右邊界固定法向位移，底部采用固定約束。在模擬巷道開挖過程前，需要將模型初次平衡后巖體中已產生的位移和塑性區進行清除。圍巖性質及力學模型如圖9 所示，數值模擬基本參數見表1。

圖9 數值模擬模型Fig.9 Numerical simulation model

圖10 為底抽巷非采動影響段圍巖在原始支護下的塑性區分布情況。結果顯示，底抽巷開挖后，圍巖塑性區在頂底板的延伸范圍較幫部更廣，且巷道肩角和底腳區域圍巖塑性區最大半徑略大于其他區域，有向蝶形塑性區發展的趨勢。

圖10 巷道圍巖塑性區分布Fig.10 Distribution of plastic zone of roadway

考慮到巷道側壓系數較大，受采動影響后，圍巖塑性區進一步擴展的風險極高，急需要通過有效的支護手段在采動影響之前進行干預。為了弄清巷道圍巖的實際破壞范圍，采用窺視儀對巷道頂板和肩角兩個特殊方位的圍巖體進行了窺視。圖11 為圍巖鉆孔窺視結果。

圖11 圍巖鉆孔窺視結果Fig.11 Peeping results of surrounding rock drilling

從整體上來看，巷道肩部破碎區的分布范圍較頂板更廣，破壞程度更為嚴重。頂板破碎區深度約為2.9 m，以雜亂分布的軸向和環向裂隙為主，嚴重破碎或塌孔的部位較少，圍巖整體穩定性較好。然而，肩部破碎區深度較頂板略深，約為3.2 m，孔內除了存在不同尺度的裂隙以外，孔壁脫落和塌孔現象也十分明顯，圍巖穩定性較差。

6.3 支護設計與效果分析

巷道原始支護以全斷面布設螺紋鋼錨桿為主，輔以“金屬網+噴漿”技術，錨桿選取規格為?22 mm×2 200 mm 左旋無縱筋螺紋鋼普通錨桿，間排距為600 mm×600 mm，原始支護實施后未能取得較好的支護效果?？紤]到巷道側壓系數較大，受采動影響后，圍巖塑性區向蝶形形態發展的風險較高，根據圍巖窺視結果，已經出現了巷道肩角區域巖體破壞深度較頂板深，破壞程度較頂板嚴重的現象，因此，需要對巷道肩角區域圍巖進行重點加固。

6.3.1 具體支護參數

從抑制塑性區惡性擴展的角度出發，在底抽巷采取以“錨桿+錨索”差異化支護為主體，以“金屬網+噴射混凝土”為輔助的綜合控制技術方案。巷道幫部屬于破壞的非嚴重區域，每幫布置規格為?22 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿3 根，錨固力不低于70 kN。巷道底板和肩角區域為破壞的嚴重區域，尤其是肩角區域，在采動影響下塑性區有惡性擴展的趨勢，布置規格為?21.6 mm×6 300 mm 的錨索，錨固力不低于120 kN，其中頂板布置1 根，每個肩角分別布置2 根。此外，金屬網采用?6 mm 鋼筋焊接而成，網格100 mm×100 mm，噴射混凝土厚度為150 mm。圖12 為不同方案下巷道支護結構與圍巖塑性區的分布關系。

圖12 支護方案與塑性區分布間的關系Fig.12 Relationship between the support scheme and the distribution range of the plastic zone

6.3.2 支護效果分析

選取未受采動影響的100 m 巷道作為試驗段，新支護方案實施后，選擇2 個監測斷面，對巷道在采動影響前后的圍巖變形情況定期監測，圖13 為圍巖監測數據。

圖13 巷道變形監測Fig.13 Roadway deformation monitoring

圖13 的數據顯示，新支護方案實施后，由于還未受到工作面回采影響，圍巖變形量較小。隨著工作面不斷推進，巷道頂板和兩幫變形量逐漸增加，巷道高度不斷下降，在監測斷面1 處下降幅度最大，達到185 mm，2 個監測斷面處巷道寬度減少的幅度并不大，分別為75 mm 和110 mm。新支護方案實施后，底抽巷圍巖變形情況得到有效遏制，巷道斷面收縮率明顯降低，能夠滿足正常生產需要。

7 結 論

(1)圍巖塑性區是由應力環境決定的，塑性區的形態決定了巷道的破壞模式。

(2)圍巖塑性區擴展的時效特性以及錨桿支護對圍巖塑性區的控制作用等，成為科學有效控制巷道圍巖穩定的理論與技術依據。

(3)對于深部巷道，巷道圍巖塑性區的形成與擴展是必然的，要全面認識塑性區在巷道圍巖中所起的作用，既要讓圍巖通過塑性破壞釋放體內能量，又要防止因塑性區無序擴展導致的巷道破壞失穩。

(4)將對圍巖塑性區的控制劃分為3 個階段：第1階段控制圍巖“給定塑性區”的形態和范圍；第2 階段延緩圍巖應力的卸載進程，控制“給定塑性區”的擴展；第3 階段控制由應力環境改變而導致的圍巖塑性區的惡性擴展，從而實現巷道圍巖的穩定控制。