深埋巷道圍巖的錨注加固研究

杜丹培

(淮南礦業(yè)集團(tuán)物資供銷分公司,安徽 淮南 232001)

深埋巷道圍巖的錨注加固研究

杜丹培

(淮南礦業(yè)集團(tuán)物資供銷分公司,安徽 淮南 232001)

采用 FLAC3D對深埋巷道進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了錨注加固對巷道圍巖的應(yīng)力和變形分布,以及塑性區(qū)范圍的影響;結(jié)果表明,錨注加固顯著的提高了圍巖的力學(xué)性能和承載能力。

FLAC3D;錨注加固;巷道圍巖

1 巷道圍巖注漿加固機(jī)理

深埋巷道開挖后,在高地應(yīng)力作用下,圍巖變形較大,出現(xiàn)冒頂、底臌和側(cè)脹等現(xiàn)象,形成松動圈,松動圈內(nèi)的巖體破碎,裂隙發(fā)育,極大地影響了巷道的穩(wěn)定性。采用錨注加固技術(shù),可以改善圍巖結(jié)構(gòu),是提高圍巖整體性與自承載能力,以及提高支護(hù)效果的有效方法。

1.1 注漿提高巷道圍巖破裂巖體的強(qiáng)度和變形模量

深埋巷道圍巖,其強(qiáng)度和變形主要由破裂巖體弱面控制,因破裂巖體的強(qiáng)度及彈性模量均較低,所以巷道圍巖變形量大,維護(hù)困難。漿液固結(jié)體的強(qiáng)度一般比圍巖要低,但漿液具有粘結(jié)性質(zhì),可顯著提高巖體的強(qiáng)度和剛度,材料的塑性變形增大,當(dāng)載荷較大時,固結(jié)體發(fā)生變形但不破壞,載荷由固結(jié)體和強(qiáng)度較高的圍巖共同承擔(dān),限制了圍巖裂隙不斷破裂發(fā)展的趨勢。不連續(xù)面強(qiáng)度和變形模量等力學(xué)性能的改善大大提高了巖體的強(qiáng)度,從而提高了圍巖的承載能力,改善圍巖維護(hù)狀況。

1.2 充填壓密裂隙

注漿時漿液在泵壓的作用下,滲透充填一些裂隙,另外經(jīng)擠壓可以使一些填不到的裂隙閉合,提高圍巖的強(qiáng)度。降低巖體的裂隙率可大幅度提高巖體的強(qiáng)度。當(dāng)巖體內(nèi)存在裂隙時,在承載時會在裂隙的端部形成拉應(yīng)力集中,當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到巖體抗拉強(qiáng)度時,巖體的裂隙會發(fā)展,直到巖體破裂。注漿加固后漿液在較高的泵壓作用下,將圍巖內(nèi)的裂隙充滿固結(jié)或壓密原來的小裂隙,使裂隙端部的應(yīng)力大大減弱,從而使巷道圍巖的破壞機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變,并可以由原來拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s破壞。

另外,當(dāng)圍巖中存在較大的裂隙,裂隙附近的巖體處于二向應(yīng)力狀態(tài),裂隙內(nèi)充滿加固材料或壓密后,將變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài),而巖體在三向應(yīng)力狀態(tài)時的強(qiáng)度比二向應(yīng)力狀態(tài)時顯著增大,并且脆性減弱塑性增強(qiáng)。

2 注漿加固圍巖的數(shù)值模擬分析

根據(jù)淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集礦-906水平深部巷道的生產(chǎn)及地質(zhì)條件,建立 FLAC3D數(shù)值模型,模擬范圍為長×寬=60 m×60 m。模型采用的應(yīng)力邊界條件為:模型的上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力,模型兩側(cè)施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力;位移邊界條件為:水平位移固定,下表面垂直位移固定。數(shù)值模擬的內(nèi)容為:采用錨噴網(wǎng)索支護(hù),未考慮注漿作用的情況下,巷道分部開挖下圍巖變形的數(shù)值模擬;采用錨噴網(wǎng)索和注漿聯(lián)合支護(hù),研究和對比巷道圍巖變形量和巷道周邊圍巖應(yīng)力分布情況,對注漿加固圍巖的效果進(jìn)行評價。采用錨噴網(wǎng)索支護(hù),未考慮注漿作用的情況下,巷道分布開挖圍巖變形的模擬結(jié)果如圖1～圖6所示。

由于注漿加固技術(shù)可以明顯的改善圍巖質(zhì)量,提高圍巖強(qiáng)度,因此在數(shù)值分析中采用增加圍巖強(qiáng)度參數(shù)的方法來模擬注漿效果,使注漿后圍巖變形量和監(jiān)測位移結(jié)果較接近,由此分析注漿對圍巖強(qiáng)度的加固作用。模擬結(jié)果如圖7～圖12所示。

3 結(jié)果分析

注漿前后巖體參數(shù)如表1所示。通過對注漿前后參數(shù)變化的比較可知,注漿對巖體力學(xué)性能有顯著的提高。

表1 注漿前后巖體參數(shù)

采用數(shù)值模擬方法對注漿加固效果進(jìn)行分析,其分析結(jié)果如下:

3.1 應(yīng)力分析

由模擬結(jié)果可知,在巷道開挖后,巷道直墻部分會承受較大的豎直應(yīng)力,不注漿時由于圍巖強(qiáng)度不足而產(chǎn)生塑性破壞,應(yīng)力向深部擴(kuò)展,應(yīng)力集中范圍較大,主要集中在直墻后 2.5～3.0 m深度內(nèi),由于巷道圍巖破裂區(qū)基本在 2.0 m以內(nèi),破裂區(qū)形成后巖體無法承載較高的應(yīng)力,使得豎直應(yīng)力向深部擴(kuò)展,最大豎直應(yīng)力達(dá)到 39.0 MPa。經(jīng)過注漿加固的巷道,裂隙被漿液填充,圍巖整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度得到明顯改善,固結(jié)體和深部圍巖共同承擔(dān)荷載,使應(yīng)力分布更加均勻,從注漿巷道圍巖應(yīng)力分布圖上可以看出,采用注漿加固的巷道直墻圍巖的承載能力明顯上升,且豎直應(yīng)力分布較為均勻,應(yīng)力集中情況減弱,向巷道表面轉(zhuǎn)移,基本在1.5～2.0 m之間,最大豎直應(yīng)力降低到 36.0 MPa。

未注漿和注漿巷道在水平應(yīng)力分布上表現(xiàn)也有不同,注漿提高頂?shù)装鍘r體強(qiáng)度,使巷道近表面部分巖體水平應(yīng)力增加,固結(jié)體與深部堅硬巖體均勻承載應(yīng)力,提高了圍巖整體承載能力,最大水平應(yīng)力值也有所降低,降低幅度在 3.0 MPa左右。

巷道開挖后,由于卸荷作用,在巷道的拱肩處以及墻腳與底板的交界處會出現(xiàn)剪應(yīng)力集中的現(xiàn)象,是巷道支護(hù)的關(guān)鍵部位。巷道注漿使圍巖裂隙閉合,巖體由不穩(wěn)定的二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的三向應(yīng)力狀態(tài),且力學(xué)性能得到了很大的改善,減少了剪應(yīng)力集中程度。由巷道應(yīng)力分布圖可知,未注漿巷道剪應(yīng)力平均值較大,最大剪應(yīng)力達(dá)到 12.8 MPa,主要集中分布在深部 2.5～3.0 m范圍,注漿巷道的剪應(yīng)力平均值有所變小,其中最大剪應(yīng)力為11.0 MPa,主要集中分布在 1.5～2 m范圍內(nèi)。

3.2 變形分析

由于對巷道注漿可以極大的改善圍巖的性質(zhì),因此在注漿范圍內(nèi)巖層的位移值也得到較好的控制。由巷道變形分布圖可以知道,未注漿巷道在開挖后,頂板下沉平均為 25.0 cm,水平收斂為28.0 cm,底臌達(dá)到 32.0 cm,巷道斷面變形較大,巷道在變形過程中,圍巖產(chǎn)生破裂,裂隙張開度較大,使得巖體產(chǎn)生二向應(yīng)力狀態(tài),剪應(yīng)力增加,破裂區(qū)向圍巖深部擴(kuò)展,極大的影響巷道的穩(wěn)定性和正常使用。而采用注漿加固的巷道,可以較大的減少圍巖變形量,開挖變形穩(wěn)定后頂板下沉 8.5 cm,水平收斂7.8 cm,其位移值和圍巖位移監(jiān)測結(jié)果比較接近,底臌量為 9.3 cm?？梢钥闯?注漿極大的控制了圍巖變形發(fā)展,頂板下沉量降低了 66%,水平收斂降低了72%,底臌量降低了 71%。因此,采用注漿加固支護(hù),可以在實現(xiàn)提高巖體強(qiáng)度的同時,限制巷道圍巖位移和變形,減小了圍巖應(yīng)力集中程度。

3.3 塑性區(qū)分析

由塑性區(qū)分布圖,巷道注漿提高了圍巖強(qiáng)度,減少了塑性區(qū)范圍。未注漿巷道最大塑性區(qū)平均為5.0 m,而注漿巷道最大塑性區(qū)在 2.5 m,塑性區(qū)半徑減少了一半。巷道開挖后,圍巖產(chǎn)生破裂,巖體摩擦角和粘聚力降低,破碎巖體粘聚力甚至降低到 0,而采用注漿加固,提高了巖體的粘聚力和摩擦角,強(qiáng)度增加使得巖體多處于彈性變形階段,塑性區(qū)范圍變小。

對深埋巷道圍巖進(jìn)行注漿加固,可以起到充填裂隙,減小端部應(yīng)力集中的作用,并且改變了原來的裂隙擴(kuò)展破壞機(jī)制,提高了圍巖的力學(xué)參數(shù)。

注漿加固可以顯著的降低巷道圍巖最大豎直應(yīng)力、水平應(yīng)力和剪應(yīng)力,限制了圍巖變形,并使塑性區(qū)范圍得到明顯的減少。

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TD353

B

1671-4733(2010)03-0009-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2010.03.04

2010-08-11

杜丹培(1982-),男,江蘇徐州人,助理工程師,從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作,電話:13855419307。