深部離層斷裂型工程軟巖巷道支護技術(shù)研究

張 軍，段緒華

(華北科技學(xué)院，北京 101601)

1 深部巷道圍巖特性及力學(xué)環(huán)境

深部圍巖埋藏深度大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，處于原始平衡狀態(tài)的巖體已經(jīng)歷過復(fù)雜多變的地殼運動、巖漿活動、沉積作用、變質(zhì)作用等物理化學(xué)過程。粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁巖、砂巖、石灰?guī)r等堅硬巖石，在深部高應(yīng)力地質(zhì)作用過程中，由于層間填充礦物與上下層巖石組成結(jié)構(gòu)差異較大，沒有融合成連續(xù)介質(zhì)。此類巖體層理結(jié)構(gòu)明顯，在深部高應(yīng)力作用下，填充礦物壓縮變得致密，但仍然是層間弱面，整個巖層也存儲了變形能，埋藏深度越大，巖體存儲的變形能越大，與軟巖相比，由于體積應(yīng)變及組成結(jié)構(gòu)的巨大差異，存儲的能量較小。

深部圍巖力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，不僅具有淺部圍巖體固有的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力，還包含復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造及其誘發(fā)的復(fù)雜應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力作用將更加明顯，高地壓、高地溫更加突出。圍巖變形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變形能來源組合效應(yīng)明顯。

2 深部圍巖分類及支護對策

2.1 圍巖分類應(yīng)遵循的主要原則

1)分類指標直觀、簡單、易于獲取。

2)分類具有指導(dǎo)工程實際的應(yīng)用價值。

2.2 圍巖分類方案

從圍巖對巷道工程支護對策選擇及方案設(shè)計思路的影響出發(fā)，將深部復(fù)雜條件下的巷道圍巖分為高應(yīng)力完整圍巖、高應(yīng)力較完整層狀圍巖、高應(yīng)力破碎圍巖、高應(yīng)力軟弱圍巖。具體分類方案如表1所示。

表1 深部復(fù)雜高應(yīng)力巷道圍巖支護影響分類方案

3 深部離層斷裂型工程軟巖巷道變形破壞機理

3.1 變形破壞特征

深部離層斷裂型工程軟巖巷道圍巖的變形破壞特征表現(xiàn)如下：

1)巷道在破壞之前不發(fā)生較大變形，破壞視覺前兆不明顯，具有潛在的突然性。

2)位置。拱形巷道是拱的中部，矩形巷道是頂板中部及兩側(cè)肩部。

3)形態(tài)。頂板冒落之前表現(xiàn)為下沉和中部受拉應(yīng)力作用開裂，兩幫偶有片幫，淋水大的區(qū)域有底臌現(xiàn)象。頂板和兩幫破壞多數(shù)表現(xiàn)為表面破壞(skin failure)，這種破壞是導(dǎo)致巷道支護失效或發(fā)生垮塌事故的起因。

4)范圍。冒落高度0.8～2.4m，長度為7～20m。

5)支護體形態(tài)。冒落高度<1.4m的錨桿聯(lián)合支護多數(shù)表現(xiàn)為錨桿切斷掉落、錨索拉斷，冒落高度>2.2m的錨桿聯(lián)合支護多數(shù)表現(xiàn)為錨桿整體下落切斷掉落、錨索拉斷或出現(xiàn)徑縮，U形棚支護表現(xiàn)為嚴重扭曲變形、失去應(yīng)有的支護作用、巷道變形到無法正常使用。

3.2 變形破壞機理

深部離層斷裂型工程軟巖巷道圍巖的變形破壞機理[1-2]。

1)開挖卸荷彈性能釋放，層間膠結(jié)物粘結(jié)力c大幅降低，存在潛在離層誘因。

2)深部復(fù)雜高應(yīng)力作用下，圍巖由張性裂隙變形轉(zhuǎn)變?yōu)樽粉檹埩严兜募羟写嘈云茐摹?/p>

3)巷道肩部剛性剪切斷裂，頂板失去橫向約束，離層頂板發(fā)生中部斷裂或整體冒落。

4)變形破壞的主因是深部復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境下，圍巖開挖后，在卸荷彈性能釋放及不平衡力作用下，層狀巖層組合強度不夠而發(fā)生離層、錯動，整體支護結(jié)構(gòu)強度急劇瓦解破壞。

4 深部離層斷裂型工程軟巖巷道支護對策研究

4.1 支護原則

由以上巷道圍巖破壞特征及機理分析可知，對于深部復(fù)雜高應(yīng)力條件下離層斷裂型工程軟巖巷道而言，要保證巷道穩(wěn)定，必須阻止層狀巖層變形導(dǎo)致離層[3-5]。所以，在支護設(shè)計中必須遵循以下原則：

1)支護材料必須具有足夠的強度和剛度。

2)“及時抗壓、一次到位”，錨桿、錨索的安裝扭矩和張拉力分別達到屈服強度的60%以上。

3)實現(xiàn)支護體與圍巖強度、剛度、變形、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，形成支護體與圍巖耦合。

4)高強錨桿采用端部錨固，使錨固范圍內(nèi)的任何部位巖層的離層都均勻地分散到整個桿體的長度上，避免桿體局部應(yīng)力集中破壞。

5)實現(xiàn)錨桿和錨索的互補作用，錨索和錨桿支護達不到互補作用狀態(tài)，則可能出現(xiàn)變形失控、局部冒落或大面積冒頂?shù)仁鹿?。因此，重視各種時空條件下的預(yù)應(yīng)力施加值的變化至關(guān)重要。一般地在迎頭工作面實施錨索支護，預(yù)應(yīng)力值應(yīng)適當(dāng)小一些，約是錨桿設(shè)計值的0.8～1.0倍；在掘進機后實施錨索支護時預(yù)應(yīng)力水平應(yīng)是錨桿設(shè)計荷載值的1.0～1.3倍比較適宜。

6)現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜多變，要加強錨索支護的檢測，及時反饋分析、修正和完善設(shè)計。錨網(wǎng)索聯(lián)合支護的巷道頂板離層臨界值的大小，主要取決于錨索材料所允許的最大伸長量在垂直方向上的分量。和錨索的有效安裝長度及其同巷道表面的安裝角度也有關(guān)系。

4.2 支護技術(shù)方案

對于深部復(fù)雜高應(yīng)力離層斷裂型工程軟巖巷道，根據(jù)上述分析的支護原則，結(jié)合當(dāng)前支護理論、技術(shù)、方法，可采用高強錨網(wǎng)索+梁(帶)聯(lián)合支護技術(shù)。具體方案：錨網(wǎng)索配合鋼帶、鋼筋梯子聯(lián)合支護形式。

頂板錨桿間排距為800 mm×1000 mm，兩幫錨桿間排距為800 mm×1000 mm。

錨索間排距為1500mm×2000 mm，長度為4.5～12 m，錨入穩(wěn)定巖層中的長度≥1.5 m，錨索呈五花型沿巷中分布。

全斷面掛菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)壓茬100 mm，每200 mm用10#鐵絲聯(lián)接一處。

錨固采用樹脂藥卷錨固，錨桿及錨索錨固劑型號頂部為K2350型，幫部為K2850型，錨桿錨固長度為(500×2)mm，錨索錨固長度為(500×3)mm。

巷道凈寬4.5 m，凈高4.0 m，支護布置斷面如圖1所示。

圖1 巷道支護設(shè)計斷面圖

4.3 支護效果分析

4.3.1 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測內(nèi)容的選擇必須充分考慮到：巷道圍巖的運動狀況，從監(jiān)測數(shù)據(jù)直接判斷圍巖是否穩(wěn)定；錨桿的工作狀態(tài)，判斷錨桿支護參數(shù)是否合理；便于觀測，易于現(xiàn)場測取。

1)與巷道兩幫圍巖穩(wěn)定有關(guān)的監(jiān)測指標：巷道表面收斂、圍巖深部位移、錨桿受力。

2)與巷道頂板穩(wěn)定有關(guān)的監(jiān)控內(nèi)容有：頂板下沉量、錨固區(qū)內(nèi)、外的離層值。圍巖深部位移，錨桿受力及其分布狀況。

本次礦壓觀測安裝表面位移觀測點兩處；頂板離層觀測點兩處；端錨錨桿(錨索)工作荷載觀測點三處；測力錨桿觀測點兩處；再生圍壓觀測點兩處。

4.3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

1)測站1處的表面位移監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，得到測站1處頂、底板及兩幫變形曲線，如圖2、圖3所示。

2)頂、底板離層監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到頂?shù)装遄冃巫兓O(jiān)測曲線，如圖4、圖5所示。

3)端錨錨桿(錨索)工作荷載監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到測力錨桿和錨索的工作載荷監(jiān)測曲線，如圖6、圖7所示。

4.3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

對-750 m水平的巷道進行深部耦合支護技術(shù)工程實踐表明：

1)頂、幫位移總值<600 mm，頂板離層<40mm，圍巖穩(wěn)定，取得良好的支護效果。

2)端錨錨桿(錨索)工作荷載的變化很小，其安全程度高。

根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)，巷道頂板移近與兩幫收斂量表明采用高強度、高剛度錨桿與高預(yù)緊力錨索的耦合支護技術(shù)取得較好效果，能保證巷道不發(fā)生離層斷裂破壞。

圖2 測站1頂?shù)装遄冃吻€

圖3 測站1兩幫變形曲線

圖4 測站1頂?shù)装咫x層曲線

圖5 測站2頂?shù)装咫x層曲線

圖6 端錨錨桿工作荷載曲線

圖7 錨索工作荷載監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

說明本文對深部要應(yīng)力離層斷裂型巷道工程軟巖的變形特性、變形機理分析正確，所采用的支護原則、支護方案、支護材料、施工工藝與圍巖變形特性實行強度、剛度、變形、結(jié)構(gòu)的基本耦合。

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