軟巖巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護設(shè)計及支護效果分析

張向東，張虎偉，阮劍劍

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土 木與交通學(xué)院，遼寧 阜 新 123000）

0 引言

軟巖礦井在我國煤系地層中分布廣泛，全國30多個礦區(qū)都遇到過軟巖支護問題。每年我國軟巖巷道的開掘量約有6×106m3，直接影響煤礦的安全生產(chǎn)［1］。軟巖的種類有很多，不同類型的軟巖其強度特性、泥質(zhì)含量及力學(xué)特點有很大的差異，因此對軟巖巷道進行支護設(shè)計不能簡單的采用工程類比的方法，必須對礦井的軟巖類型進行科學(xué)的判定，之后采取相應(yīng)的加固方法。何滿潮教授根據(jù)軟巖的強度特性，泥質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)面特點及其塑性變形力學(xué)特點對軟巖進行了分類（表1），有效的指導(dǎo)了工程實踐，本文中軟巖類型的判定便依據(jù)了該種標準。此外，軟巖巷道在開挖后圍巖進入塑性或流變狀態(tài)，傳統(tǒng)的常規(guī)支護僅能保證圍巖彈性工作狀態(tài)時的穩(wěn)定性，對于軟巖巷道則失去了支護作用［2］。因此必須遵循軟巖的物理及力學(xué)性質(zhì)，采用聯(lián)合支護的技術(shù)。

表1 軟巖分類表［2］Table 1 Soft rock classification tab le［2］

1 工程條件分析

1.1 巷道工程概況

20110回風(fēng)順槽位于高家梁煤礦第一開采水平2-2上煤層，埋深 200m，巷道開口設(shè)計坐標為 X：396297.6926 Y：422551.3080。該巷道北西段為20110皮帶順槽，與2-2上回風(fēng)大巷延伸段正交。該巷道采用矩形斷面形式，高3.3m，寬 5.0m，巷道長1436.5m，該巷道的作用是稀釋和排除有毒有害氣體和粉塵，完善20110綜采工作面的通風(fēng)系統(tǒng)，服務(wù)年限為1a。巷道地表地形呈東北高、西南低。地形高差較大，地表切割強烈、溝谷發(fā)育。區(qū)域地貌屬高原侵蝕性丘陵地貌，低矮山丘、植被稀疏，為半荒漠地區(qū)。巷道兩幫為實體煤，煤層呈單一傾斜、結(jié)構(gòu)簡單，煤層傾角2°～5°，重度13.1kN/m3。煤以暗煤為主、暗淡光澤、含絲炭，煤層中節(jié)理裂隙發(fā)育。頂板以粉砂巖為主，局部為中砂巖。底板主要為青灰色砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，局部為泥巖、細砂巖。頂?shù)装鍘r石為砂泥質(zhì)膠結(jié)（巖石顆?？p隙充填物），較為松軟、易碎、潮濕含有少量水份，巖石遇水易泥化。

1.2 圍巖性質(zhì)分析

造成巷道圍巖產(chǎn)生大的塑性變形的原因有很多，其中巖性因素是內(nèi)在因素也是起關(guān)鍵作用的因素。特別對于軟巖來講，粘土礦物的成分及含量決定了軟巖的物理、化學(xué)及力學(xué)特性。所以要想對軟巖巷道進行有效的支護就必須要對軟巖的礦物成分及圍巖物理、力學(xué)性質(zhì)做出科學(xué)的分析。

由高家梁地質(zhì)資料可知，2-2上開采水平的軟巖主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，局部包含中砂巖和細砂巖。所含礦物成分主要為石英、云母、少量巖屑及粘土礦物，其中粘土礦物占31.3％，粘土礦物中蒙脫石含量高達55％，占軟巖成分的17.2％。當軟巖中含有較高的蒙脫石時會造成巖石吸水性強，膨脹性強，軟化明顯的現(xiàn)象，進而巷道圍巖出現(xiàn)一系列的破壞現(xiàn)象［3］。高家梁礦2-2上軟巖巷道破壞情況如圖1所示。

圖1 2－2上煤層軟巖巷道破壞情況Fig.1 The destruction cases of soft rock tunnels in 2－2 up coal

2-2上煤層煤巖賦存狀態(tài)較為穩(wěn)定，因此20110回風(fēng)順槽在開挖及支護時必會遇到同樣的巷道破壞狀況。取20110回風(fēng)順槽軟巖試樣并對其進行室內(nèi)實驗，得到其物理力學(xué)指標分別如表2和表3所示。

表2 軟巖力學(xué)指標Table 2 Soft rock mechanics indexes

表3 軟巖物理指標Table 3 Soft rock physical indexes

由以上分析結(jié)果并結(jié)合何滿潮教授的軟巖分類表可以斷定該工程軟巖為典型的膨脹性地質(zhì)軟巖，需要充分利用該軟巖的物理力學(xué)實驗結(jié)果設(shè)計出有效的支護方案才能避免巷道出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 巷道支護方案設(shè)計

錨桿、網(wǎng)片和錨索聯(lián)合支護可以實現(xiàn)巷道多層有效拱結(jié)構(gòu)［4-5］，有效加固了上覆巖層。同時該種柔性支護方式允許巷道圍巖釋放出一定的膨脹變形能，但又能夠?qū)⒆冃瘟靠刂圃谠S用范圍內(nèi)，充分調(diào)動了圍巖的自承載能力，與錨桿、錨索和金屬網(wǎng)形成有效的組合支護體系，保證了巷道的穩(wěn)定性。對于軟巖巷道是一種有效的支護方式。本論文綜合利用懸吊理論、普氏冒落拱理論及擠壓拱理論等知識［6］，對20110回風(fēng)順槽設(shè)計出了一套錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案，具體支護參數(shù)如下，巷道支護圖見圖2和圖3。

（1）頂板錨桿采用Φ20mm螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2200mm，間距800mm，排距900mm，矩形排布。

（2）左幫錨桿采用Φ20mm玻璃鋼錨桿，錨桿長度為1800mm，間距1000mm，排距900mm，矩形排布；右?guī)湾^桿采用 Φ16mm圓鋼錨桿，錨桿長度為1800mm，間距1000mm排距900mm，矩形排布。

（3）錨索采用7股高強度鋼絞線，直徑15.24mm，長 度 為 7.3m，間 距 2000mm，排 距 為2700mm，3-2-3菱形排布。

（4）金屬網(wǎng)采用#8鉛絲編制的菱形網(wǎng)格，每片網(wǎng)的尺寸為3200mm×600mm。頂網(wǎng)長邊垂直巷道中線鋪設(shè)，幫網(wǎng)順巷鋪設(shè)。金屬網(wǎng)掛設(shè)采用搭接方，搭接長度為50～100mm。

圖2 支護橫斷面圖Fig.2 C ross-sectional of supporting

3 數(shù)值模擬分析

FLAC3D程序是目前巖土力學(xué)計算中的重要數(shù)值方法之一，該程序采用了混合離散的方法來模擬材料的屈服和塑性流變特性。本文利用ITASCA公司的FLAC3D軟件對20110回風(fēng)順槽進行開挖及支護過程的模擬，通過軟件強大的后處理功能對所設(shè)計的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案進行檢驗和評價。

表4 巖體數(shù)值計算參數(shù)表Table 4 Numerical calculation parameter table of the rock

3.1 建立模型

圖3 支護平面圖Fig.3 Ichnography of supporting

表5 支護結(jié)構(gòu)數(shù)值計算參數(shù)表Table 5 Numerical calculation parameter table of of the supporting structure

模型尺寸為60m×108m×60m，其中巷道尺寸為5m×108m×3.3m。巷道頂板、底板及兩幫巖體采用六面體八節(jié)點實體單元。模型實體單元從坐標z=-1.65到z=1.65范圍內(nèi)采用兩幫煤的力學(xué)參數(shù)，從坐標z=1.65到z=30采用頂板粉砂巖的力學(xué)參數(shù)，從z=-1.65到z=-30采用底板砂質(zhì)泥巖的力學(xué)參數(shù)（表4）。巷道埋深200m，故模型頂部施加應(yīng)力邊界條件即施加豎向應(yīng)力大小為4.5MPa。開挖采用分段開挖每次開挖10.8m。每次開挖完成后進行支護結(jié)構(gòu)的模擬，錨桿與錨索均采用 cable單元模擬，金屬網(wǎng)采用shell結(jié)構(gòu)單元。計算參數(shù)見表5。支護模擬完成后進行下一階段的循環(huán)直至巷道全部開挖完成。模型共27200個單元，28611個節(jié)點。模型網(wǎng)格圖見圖4。

圖4 巷道網(wǎng)格圖Fig.4 Grid figure of the tunnel

3.2 模擬結(jié)果分析

巷道支護前后頂板及兩幫變形如圖5和圖6所示。在計算中記錄節(jié)點（0，0，1.65）、節(jié)點（-2.5，0，0）及節(jié)點（2.5，0，0）的位移值來分別計算巷道支護前后頂板及左右兩幫的變形率，以此檢驗方案的可行性，具體見表6。通過表6中變形率的值可以看出聯(lián)合支護的方案有效的減小了巷道圍巖的變形，保證了巷道的穩(wěn)定性。

表6 支護前后圍巖變形表Table 6 The wall rock deformation before and after supporting

4 巷道表面位移監(jiān)測

巷道表面位移監(jiān)測是支護監(jiān)測的重要內(nèi)容，巷道圍巖收斂量的監(jiān)測結(jié)果可以直觀有效的揭示巷道在開挖過程中的穩(wěn)定狀況及支護效果。軟巖巷道在開挖時圍巖破碎、塑性區(qū)范圍大，同時支護后圍巖在地應(yīng)力及膨脹應(yīng)力的作用下顯現(xiàn)強流變性［7-8］，更加需要表面位移監(jiān)測來評價支護效果及完善和改進支護參數(shù)，從而保證軟巖巷道的安全性和穩(wěn)定性。

圖5 支護前位移圖Fig.5 The displacement figure of the tunnel before supporting

4.1 監(jiān)測方案

觀測測站共設(shè)置3個（圖7～9），均為巷道的薄弱斷面。1號測站距離巷道開口處11.7m，2號測站距離巷道開口處49.5m，3號測站距離巷道開口處105.3m。收斂量的監(jiān)測采用Jss30A數(shù)顯型收斂計。斷面測點布置采用3點式即在每個觀測斷面的兩邦、頂板各設(shè)一個測點來觀測巷道兩幫收斂量和頂板下沉量［9-10］。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

測站1的監(jiān)測結(jié)果顯示測面頂板在開挖11d后收斂量逐漸穩(wěn)定，累計下沉量為37.322mm。測面兩幫在開挖12d后收斂量逐漸穩(wěn)定，兩幫累計向內(nèi)收斂量為7.18mm；測站2的監(jiān)測結(jié)果顯示測面頂板在開挖后出現(xiàn)頂板向上隆起的現(xiàn)象，并在開挖8d后隆起量達到峰值之后開始下沉，收斂量在開挖12d后趨向于穩(wěn)定，測面兩幫在開挖9d后收斂量趨于穩(wěn)定，累計向外擴張1.17mm；測站3的監(jiān)測結(jié)果顯示測面頂板在開挖后持續(xù)下沉，9d后收斂趨于穩(wěn)定，累計下沉量達到31.733mm。兩幫開挖后向內(nèi)收斂變形，9d后基本穩(wěn)定，兩幫累計向內(nèi)收斂量為10.87mm。

圖6 支護后位移云圖Fig.6 The displacement figure of the tunnel after supporting

圖7 1號測站監(jiān)測曲線Fig.7 The monitoring curve of station No.1

圖8 2號測站監(jiān)測曲線Fig.8 The monitoring curve of station No.2

圖9 3號測站監(jiān)測曲線Fig.9 The monitoring curve of station No.3

綜上，巷道在開挖后進入變形加速期，之后逐漸趨于收斂，一般在15d內(nèi)收斂量達到穩(wěn)定。頂板最大下沉量為 37.322mm，兩幫向內(nèi)收斂量最大為10.87mm。此外，在巷道的局部地區(qū)頂板出現(xiàn)一定的向上隆起及兩幫向外輕微擴張的現(xiàn)象，具體原因有待進一步研究?？傊撳^網(wǎng)索聯(lián)合支護的方案對軟巖巷道的變形控制效果非常明顯。

5 結(jié)論

（1）蒙脫石含量高的膨脹性地質(zhì)軟巖，吸水性及膨脹性強、強度低、軟化明顯。此類軟巖巷道穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)冒頂，片幫等現(xiàn)象，應(yīng)加強支護。

（2）錨網(wǎng)索聯(lián)合支護技術(shù)有效地控制了軟巖巷道的變形，保證了煤礦的安全生產(chǎn)，是一種有效地支護手段。同時在進行方案設(shè)計時必須重視實驗，以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)所設(shè)計的方案才能既經(jīng)濟又安全。

（3）應(yīng)用了FLAC3D軟件對設(shè)計方案進行了數(shù)值模擬，檢驗了方案的可行性，對提高設(shè)計效率及降低生產(chǎn)成本起到積極作用。

（4）圍巖表面位移監(jiān)測對反饋原設(shè)計及檢驗巷道支護效果具有重要作用。在軟巖巷道的設(shè)計及施工中應(yīng)重視日常監(jiān)測。

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