軟巖巷道變形機理及測試技術研究

馮 清

(山西焦煤西山煤電集團公司杜爾坪礦，山西 太原 030053)

杜爾坪礦巷道礦壓顯現(xiàn)嚴重。隨采深加大，礦壓顯現(xiàn)特點更突出，巷道支護更為困難，巷道翻修與維護導致直接成本增加，斜井、井底車場、硐室變形破壞嚴重，直接威脅礦井安全正常生產(chǎn)，巷道支護成為制約開采的重要難題之一。巷道變形破壞研究表明對于巷道圍巖的支護，進行眾多復雜的措施來多次維護巷道流變圍巖雖能取得一定效果，但期望能非常有效控制深部破碎、軟弱、流變圍巖大變形仍是非常困難，完全控制圍巖流變大變形目前幾乎很難。

本文就杜爾坪礦巷道破碎軟弱圍巖支護技術難題進行研究。研究巷道淺部破碎圈和深部塑性圈的形成機制及變形破壞特征，針對巷道不同階段的變形和破壞特征，提出一次支護需要重點預防淺部破碎圈的形成，并允許深部塑性圈的變形卸壓；二次支護的主要任務是在適當時機阻止大塑性圈的繼續(xù)擴展，實現(xiàn)深部極難維護巷道的安全有效支護。

本次研究將杜爾坪礦西大巷作為研究對象，西大巷為開采+460水平服務，巷道設計長度1654m，服務年限約30年。西大巷沿煤2頂板掘進，煤巖層硬度f=4～7。斷面形狀為馬蹄形斷面，S荒= 22.55 m2，S凈=19.35 m2。

1 圍巖變形特性觀測及分析

1.1 表面變形特征

距迎頭約100m巷道的左上幫距底板約1.6～2.0m處，淺灰色砂巖，出現(xiàn)明顯的開裂、掉渣、脫落，向巷內(nèi)移近20～40cm。

距迎頭約50m巷道的右下幫，從底板向上約2.0m高度范圍內(nèi)，紅褐色砂巖，由巷道表面到內(nèi)部約60cm的厚度圍巖破碎，塊度約為20～40cm；拱基上下60cm范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯變形、開裂、脫落。

距迎頭200m位置，斷面明顯縮小，表現(xiàn)為拱的兩側左上右下向內(nèi)擠壓約50～60cm，并出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。

巷道兩側人行道由于嚴重底臌引起傾斜，影響正常排水和行人，變形嚴重的位置巷道高度由4.3m降為2.0m左右。

1.2 深部位移測試

深部位移觀測方法特殊，能很好適應極軟巖層松動全測試，選用的材料和方法如下：

采用多鉆孔深部位移測試方法，為本文的創(chuàng)新所在?？朔似渌麥y試儀器無法在極軟巖層中安裝布置測點、操作不便、測點容易失效，測試結果不準的缺點；具有成本低廉、安裝操作簡單易行、測試準確等優(yōu)點。

所用材料為現(xiàn)場廢棄的舊鋼繩、錨索、錨固劑等。依據(jù)巷道表面位移特征，測試斷面見圖1。

圖1 深部位移觀測鉆孔布置斷面圖

方法：在巷道兩側的三個不同高度的布置三排鉆孔，參數(shù)見表1。測試時，將廢舊鋼絲繩截成與孔深相匹配的長度，在每個孔底錨固一根相應長度的鋼絲繩，在孔外留20cm長的余量作為自由端，并在自由端掛上500g的重錘使鋼絲繩實時反應孔底的位移，觀測結果如圖3所示。

表1 深部位移測試鉆孔布置參數(shù)

圖2 多鉆孔深部位移測試結果

由圖2測試結果可知，鉆孔深度為1.5～1.8m時，鉆孔外部鋼絲繩的縮短量很小，而深度大于1.8m的鉆孔外部鋼絲繩縮短量急劇增加，最大達到32mm；表明深度1.5～1.8m鉆孔底部與孔口表面位移量基本相等，而深度大于1.8m的鉆孔底部位移量遠小于表面位移量。

由以上分析可得，+460m西大巷圍巖松動圈范圍為1.5～1.8m。

2 軟巖巷道變形破壞機理分析

2.1 巷道變形破壞機理的損傷力學分析

巷道整體結構損傷源于材料劣化和局部失效。這種局部劣化和失效往往和結構中存在的初始缺陷有關。吳佰建等在文獻[1]進行損傷力學分析，認為細觀的損傷和響應性既受制于宏觀上的作用因素，又可能顯著影響宏觀的響應或者失效性能[2-6]。

巷道的變形和破壞過程，是一個多因素造成的過程：細觀結構可能發(fā)生為裂隙的形成、發(fā)展，宏觀結構的彈性變形、塑性破壞或蠕變。一般情況下，當局部細節(jié)損傷萌生以后，宏觀與細觀尺度必然相互耦合，相互影響。這個特點決定了巷道支護設計的整體觀念。有必要通過模擬和實驗來掌握細觀層次上的響應與失效狀態(tài)何時、以怎樣的途徑去影響宏觀結構性能。實質(zhì)上，需要通過提高支護強度和剛度，來約束細觀或有缺陷結構的損傷積累，增強巷道結構的整體自承能力。

2.2 巷道變形破壞機理的卸荷力學分析

文獻[4]的研究結果表明：卸荷更容易導致巖石破壞，卸荷開始后表現(xiàn)出擴容特性，當圍壓降低到屈服前一定程度后，微量圍壓減少引起變形模量急劇減小。高應力卸荷條件下只比加載條件下低14%，而只比加載條件下高23%。

目前在巷道開挖等巖石地下工程中，開挖面徑向則更表現(xiàn)為卸荷破壞。特別是出現(xiàn)拉應力后,結構面的力學條件將發(fā)生本質(zhì)的變化,導致巖體力學參數(shù)急劇下降,卸荷變形劇增。

發(fā)生卸荷裂隙的方向大體平行于開挖的臨空面，發(fā)生時間的滯后性。因此,這種現(xiàn)象引起塌方、滑坡等工程隱患。巖體的局部卸荷作用將導致巷道圍巖的偏應力增大,從而導致巖體內(nèi)的損傷發(fā)生演化,引起巷道巖體的力學性態(tài)呈現(xiàn)一定程度的惡化[3-7]。

巷道圍巖在開挖之前處于三向應力平衡狀態(tài)；開挖后，破壞了圍巖的平衡狀態(tài)，在松動圈范圍內(nèi)表現(xiàn)為卸荷變形、移動和破壞。在支護設計中，必須通過高強度、高剛度支護體系消除圍巖內(nèi)形成的偏應力，阻止松動圈的卸荷變形積累。

2.3 三軸卸荷巖石蠕變損傷細觀機理CT掃描

試驗結果表明，軟巖巷道蠕變損傷擴展存在損傷演化的不均勻性和局部化現(xiàn)象。在蠕變瞬時段，裂紋在很短的時間內(nèi)有一定的擴展，然后穩(wěn)定擴展，巖石進入蠕變穩(wěn)態(tài)段，隨著時間的推移，巖石體積膨脹，軸向應變穩(wěn)定增加，在穩(wěn)態(tài)段的末期，裂紋擴展速度加快，CT數(shù)下降率增大，巖石很快進入蠕變加速段，由于巖石的脆性特性，在較短的時間內(nèi)損傷急劇演化累積，導致試件發(fā)生蠕變損傷脆性斷裂破壞。

通過CT掃描獲取巖石進入蠕變加速段的裂紋擴展特性，結合現(xiàn)場巷道圍巖鉆孔窺視結果，建立宏微觀變形關系。為軟巖巷道支護時機的選擇提供科學、準確的依據(jù)，以便實現(xiàn)深部極難維護巷道的安全、經(jīng)濟、有效支護。

3 支護方案設計及礦壓觀測

3.1 巷道支護設計依據(jù)及原則

筆者對巷道圍巖不同支護形式的數(shù)值計算(篇幅所限，在此省略)，系統(tǒng)分析了巷道圍巖的變形力學機制、塑性區(qū)、拉應力區(qū)的發(fā)展、圍巖應力場等，表明深部軟弱圍巖條件下開拓巷道支護設計應遵循以下原則：

(1)宜采用頂幫錨網(wǎng)噴+底板錨固的全斷面全長錨固方式。

(2)必須強調(diào)底板錨固的重要性，它是取代底板反拱，控制底臌最有效經(jīng)濟的支護措施。只有當巷道圍巖與支護結構呈相對穩(wěn)定，且沒有明顯支護薄弱環(huán)節(jié)的共同承載體系時，實現(xiàn)支護結構與圍巖的匹配和變形耦合，才能有效適應并控制巷道圍巖收斂位移，盡量減少返修。

(3)當圍巖裂隙發(fā)育，對水泥漿液具有良好可注性，水泥漿液能較好實現(xiàn)劈裂滲透加固圍巖作用時，應考慮采用全斷面錨網(wǎng)噴+注漿錨桿+頂板錨索的支護形式，從控制高地應力圍巖流變變形看，其效果是顯著的。

(4)大幅度提高支護系統(tǒng)剛度與強度，特別是預應力，可有效抑制圍巖結構面離層和彎曲變形，實現(xiàn)一次支護預防淺部破碎圈的有害擴展。

3.2 支護材料及參數(shù)

一次支護時掛10#以上，網(wǎng)格80mm×80mm的鐵絲經(jīng)緯壓花網(wǎng)，采用Ф25mm×2100mm高強度錨桿，一次噴漿厚度為130mm；二次支護掛100mm×100mm的Φ6mm點焊接，規(guī)格1.0m×1.8m鋼筋網(wǎng)，采用Φ25mm×2100mm高強度錨桿，噴射混凝土厚度20mm，錨桿間排距為1000mm×1000mm；Φ28mm×350mm樹脂錨固劑，規(guī)格為 Φ150mm的鐵托盤,錨桿錨固力巖層中不小于130kN，煤層中不小于70kN，預緊力均不小于400kN。

頂板破碎時采用錨索加固，錨索直徑17.8mm，重量1.5kg/m，級別270K，強度1860N/mm2，截面積191.00mm2，延伸率≥3.5%，最低破斷負荷 353kN，長度6m，采用中速樹脂錨固劑，最小錨固長度≥1.5m,支護間排距2.5m×2.5m，由巷中向兩肩窩對稱布置，打兩排，超前二次支護進行,單根錨索錨固力大于150kN。

3.3 礦壓觀測結果

頂?shù)装逡平c巷道兩幫收斂測試結果(圖3、圖4)。

巷道的頂?shù)装逡平颗c巷道兩幫收斂測試結果表明，從巷道開掘后經(jīng)歷了2個月左右后巷道變形就可以趨向穩(wěn)定，在巷道開掘初期40天內(nèi)巷道變形收斂較快，隨后巷道變形收斂趨向穩(wěn)定，這表明選擇較好的支護措施，完全可以很有效地維護深部回采巷道的圍巖穩(wěn)定。

4 結 論

(1)采用多鉆孔方法測試圍巖的淺部破碎圈和深部塑性圈，能夠準確測定圍巖松動圈，為支護設計參數(shù)確定提供準確依據(jù)。本方法具有簡單、易行、低成本、高效益的優(yōu)點。

圖3 頂?shù)装逡平颗c時間關系圖

圖4 兩幫移近量與時間關系圖

(2)初期支護要采用高剛度、高強度、高預應力錨桿，這樣可有效抑制圍巖結構面離層和彎曲變形，實現(xiàn)一次支護預防淺部破碎圈的有害擴展。巷道變形大幅減小，頂板離層有效控制。變形量可降低70%，頂板離層為原來的5%～10%，甚至近零離層。

(3)錨桿、錨索的整套構件力學特性必須匹配，這樣支護體系的強度和整體性明顯提高，能有效避免大變形[8]。

(4)對深部高應力軟巖巷道，實施二次支護。必須強調(diào)在一次支護高強度、高剛度、高預緊力的基礎上，允許有一定變形，釋放壓力；在合適時間二次支護，巷道支護狀況發(fā)生本質(zhì)性變化，圍巖完整性與穩(wěn)定性大幅提高。

由此可見，在深部開采的巷道維護問題中，關鍵要選擇有效的現(xiàn)場測試手段、結合實驗室研究，運用現(xiàn)代力學分析理論，搞清楚研究巷道特定條件下的變形力學機理，將巷道的頂、底、幫部圍巖作為整體考慮來進行支護設計，從而實現(xiàn)控制深部圍巖長期流變和大變形的目的。

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