夜長坪礦軟巖巷道圍巖變形機理及控制

明 建,高永濤,陳江川

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院,北京 100083;2.中原礦業(yè)有限公司,河南三門峽 472200)

夜長坪礦軟巖巷道圍巖變形機理及控制

明 建1,高永濤1,陳江川2

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院,北京 100083;2.中原礦業(yè)有限公司,河南三門峽 472200)

基于巷道圍巖的物理、力學性質(zhì)的實驗室測試以及現(xiàn)場圍巖變形的監(jiān)測結(jié)果,探討了軟破圍巖條件下巷道變形破壞機理和特征。通過室內(nèi)試驗和井下巷道試驗研究了圍巖的膨脹變形規(guī)律、鋼纖維混凝土和高強度錨桿的力學特性。以圍壓恢復加固理論為指導,采用物理模擬和數(shù)值分析對支護參數(shù)進行優(yōu)化,提出了帶有頂、底拱的全封閉強化支護的主動和被動聯(lián)合支護控制技術(shù)。工業(yè)試驗結(jié)果表明,軟破圍巖條件下的巷道工程采用該類聯(lián)合支護技術(shù)能夠有效地控制巷道地壓,提高了巷道抗變形能力,延長了安全穩(wěn)定期。

軟巖巷道;軟巖變形機理;聯(lián)合支護與控制;夜長坪礦

巷道工程是地下礦山開采過程中的主要工程,工程量大、服務功能多,保持這些工程的穩(wěn)定性對于安全高效開采具有重要意義。軟破巖體是礦山巷道常見的圍巖體,其穩(wěn)定性差、支護加固難度大[1－2]。袁亮、郭建偉等[3－6]就軟破圍巖條件下巷道變形破壞機理進行了大量的研究工作。軟巖中掘進的巷道和硐室變形特征表現(xiàn)為圍巖變形量大、初期變形速率大、變形具有時效性等[7]。隨著高強錨桿、長錨索、錨網(wǎng)聯(lián)合支護等支護技術(shù)的推廣[8－13],支護效果顯著提高。但由于巷道工程地質(zhì)條件差異較大,采動應力復雜多變,其變形破壞機理和支護方法不盡相同[14－15]。因此,采動應力環(huán)境中軟巖巷道的支護和加固一直是采礦工程和巖土工程領(lǐng)域研究的重點。

本文以夜長坪礦軟巖巷道為研究對象,系統(tǒng)研究了其工程環(huán)境和變形破壞機理,以圍壓恢復加固理論為指導,提出了一種主動支護和被動支護相結(jié)合的支護結(jié)構(gòu),并獲得了適合該條件下巷道的支護方式。應用于礦山生產(chǎn)實踐中,取得了明顯的支護效果,使巷壓顯現(xiàn)得到控制,延長了巷道安全服務期,可為同類巷道的支護和維護所借鑒。

1 礦山工程概況

夜長坪礦位于河南省盧氏縣,為大型地下礦床,設(shè)計年采礦能力99萬t。其上部礦體東西長800 m,南北寬約600 m,厚66.39～236.04 m,Mo含量為0.131%。上部礦體頂板主要為龍家園組白云巖,底板為龍家園組白云巖或燕山期鉀長花崗斑巖。礦巖蝕變強烈,多呈松軟破碎狀,加之巖石風化強烈,堅固性較低,自穩(wěn)性差,掘進時易垮塌、冒頂和偏幫。在實驗室內(nèi)實測得到該礦體巖石力學參數(shù),見表1,根據(jù)現(xiàn)場宏觀調(diào)查和室內(nèi)物理力學強度試驗,礦巖穩(wěn)定性分級見表2。

表1 巖石的力學參數(shù)Table 1 Mechanical properties test results of rocks

表2 礦巖穩(wěn)定性分級Table 2 Classification of rock mass stability

根據(jù)穩(wěn)定性分級表可知,該礦大部分礦巖體屬于不穩(wěn)固的不良巖體,因此近礦圍巖和礦體均需借助于支護才能保持一定的安全穩(wěn)定度。目前該礦80%以上的巷道圍巖變形呈現(xiàn)軟巖特征,巷道支護困難。雖全部采用以澆灌混凝土為主的支護方式,但巷壓顯現(xiàn)劇烈,支護破壞嚴重,返修率高達92%,嚴重影響了礦山的正常生產(chǎn)。通過井下穩(wěn)定性調(diào)查分析,變形地壓是夜長坪礦巷壓顯現(xiàn)的主要形式,葉長坪礦巷道破壞形式見表3。

2 巷道圍巖礦物分析與膨脹特性研究

巷道的變形破壞調(diào)查發(fā)現(xiàn),底臌變形和遇水強度弱化比較明顯,并與季節(jié)變化密切相關(guān)。為此對該礦主要破壞巷道內(nèi)的3種軟巖進行了XRD衍射分析和水理性室內(nèi)試驗和結(jié)果分析,測定結(jié)果見表4。

試驗結(jié)果表明,引起該礦軟巖的膨脹崩解性礦物主要是高嶺石、綠泥石、伊蒙混層等。高嶺石等黏土礦物顆粒較小、親水性強。與水相互作用時,黏土礦物顆粒吸收水分,其晶胞間距增大或擴散層增厚,使黏土膠結(jié)物崩解,從而碎屑顆粒間失去聯(lián)結(jié)導致重力解體。在該礦的工程實踐中,含水量受開挖擾動發(fā)生變化及應力場調(diào)整時,失、吸水頻繁交變,膨脹巖會發(fā)生很大程度的膨脹、崩解甚至泥化,從而引起巷道底臌、片幫和冒頂?shù)绕茐默F(xiàn)象發(fā)生。礦巖膨脹性試驗數(shù)據(jù)見表5,可知3個主要巖組均屬于膨脹巖體。因此在巷道圍巖開挖暴露后,應噴射混凝土或防水材料對巷道表面進行封閉,以減小含水率的變化,降低引起礦巖的膨脹崩解變形。

表3 巷道破壞形式Table 3 Failure modes of roadways

表4 各試樣成分Table 4 Mineral composition of samples%

3 圍壓恢復加固理論與聯(lián)合控制技術(shù)

研究以圍壓恢復加固理論作為理論指導,采用主動與被動聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)作為該礦維護巷道的方法,采用樹脂錨桿和鋼纖維混凝土作為支護材料。通過物理模擬和數(shù)值模擬方法驗證支護能力,并優(yōu)化支護參數(shù)。

3.1 圍壓恢復加固理論

圍壓恢復加固理論的實質(zhì)是通過支護體恢復圍巖的圍壓,提高巖體的殘余強度和自身承載能力,尤其適用于軟破圍巖工程。設(shè)計和選用的支護結(jié)構(gòu)應遵循以下原則:圍巖卸載后迅速施加限制性支護,并施加預應力;具有吊掛和減跨作用,能充分利用深部圍巖強度;利用深、淺圍巖變形的不協(xié)調(diào)性實現(xiàn)圍巖自鎖;在圍巖表面形成全封閉殼體結(jié)構(gòu)。

該礦礦巖雖軟破,但深、淺層圍巖間仍存在強度、位移速度差異。井下原采用的澆灌混凝土等被動支護不能充分發(fā)揮圍巖的自鎖能力和自承能力。而錨噴支護等主動支護形式具有在深、淺層圍巖中傳力的功能,不但對圍巖表面施加圍壓,也可將被動支護體與深部圍巖體結(jié)合為一體,增加被動支護的抗變形能力。根據(jù)圍壓恢復加固理論,如能及時對軟破圍巖施加支護反力或預應力,圍巖與支護體可形成共同承載體,其自承能力大幅提高。因此該礦應將兩種支護形式組成聯(lián)合支護結(jié)構(gòu),即澆灌混凝土支護形成全封閉護表殼體,為錨網(wǎng)支護施加圍壓提供了傳力結(jié)構(gòu),錨網(wǎng)支護又約束澆灌混凝土體變形。隨著巷道變形加大,支護體與圍巖逐漸成為承載整體。

3.2 圍巖變形聯(lián)合控制技術(shù)

為實現(xiàn)主動與被動聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)的作用效果,對研究巷道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計和方案進行了優(yōu)化研究,選用了適合于支護理論的新結(jié)構(gòu)和材料。其中重點對鋼纖維混凝土和樹脂膠結(jié)高強度錨桿進行了試驗研究。

(1)鋼纖維混凝土支護。

鋼纖維混凝土適用于受爆破動壓影響、剪切作用力大的巷道中。為揭示該支護材料的增強機理,對A,B,C三種鋼纖維不同摻量的澆灌混凝土試樣和素混凝土試樣進行了抗壓、抗拉、抗剪強度試驗。試樣采用的鋼纖維材料類型和性能見表6。其水泥摻量為370 kg/m3,水灰比為0.48,粗骨料為中砂和12 mm以下的碎石。力學試驗的比較結(jié)果如圖1～3所示。

通過對試驗數(shù)據(jù)和應力應變圖進行分析,可以得到以下結(jié)論:

①鋼纖維的摻入對混凝土抗壓強度提高影響不明顯。但較素混凝土試件破壞緩慢,表現(xiàn)出較好的延性。鋼纖維混凝土達到峰值破壞后仍具有一定的承載強度。

表6 鋼纖維物理和力學參數(shù)Table 6 Physical mechanical properties of steel fibers

②抗拉性能對比試驗表明,鋼纖維混凝土的對抗拉強度有較大影響,3種鋼纖維摻量的混凝土較素混凝土都有所提高。B型鋼纖維混凝土試件的抗拉強度最大,增幅可達65%,抗拉強度試驗同時證明,鋼纖維摻入更加明顯改變了混凝土的變形特性,卸壓至1 MPa時,鋼纖維混凝土的應變量大于素混凝土4倍以上,混凝土的脆性變小,而延性和韌性增大,混凝土的抗變形和抗沖擊性能增強。

圖1 鋼纖維混凝土抗壓強度試驗數(shù)據(jù)對比Fig.1 Compression test data comparison of the steel fiber reinforced concrete

圖2 鋼纖維混凝土抗拉強度試驗數(shù)據(jù)對比Fig.2 Tensile test data comparison of the steel fiber reinforced concrete

圖3 鋼纖維混凝土抗剪強度試驗數(shù)據(jù)對比Fig.3 Shear test data comparison of the steel fiber reinforced concrete

③抗剪切強度均隨剪切模具的角度和鋼纖維摻量的增大而提高,最大增幅達62%,鋼纖維摻量為1.27%(80 kg/m3)時抗剪切強度達到最大。長徑比相同時摻入B型鋼纖維混凝土的抗剪強度最大。

④經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟綜合比較,該礦應采用鋼纖維摻量為1.27%的B型鋼纖維混凝土。

(2)樹脂錨桿支護。

根據(jù)對原支護破壞形式的分析,主動支護所用錨桿應采用高強度錨固結(jié)構(gòu)。樹脂膠結(jié)錨桿的強度大、凝結(jié)時間短、施工方便快捷,其現(xiàn)場拉拔試驗結(jié)果見表7。試驗數(shù)據(jù)表明錨桿桿體直徑22 mm、膠結(jié)長度800 mm以上,軟破程度不同巖體的錨固強度都超過120 kN,當錨固長度大于900 mm時錨固力可達155～190 kN,由此證明該種錨桿適用于軟破圍巖巷道。

表7 樹脂錨桿拉拔試驗數(shù)據(jù)Table 7 Pullout test data of resin bolts

3.3 聯(lián)合支護方案數(shù)值分析與優(yōu)化

試驗巷道采用300 mm厚混凝土有底梁的支護形式后,再采用不同長度錨桿加固。以試驗巷道為原型建立數(shù)值計算模型,模型選用Mohr－Coulomb破壞準則。在模型邊界處進行約束,即在沿進路走向和垂直進路走向方向限制水平位移,底部限制垂直位移,地表處設(shè)置為自由面。地應力測試研究表明,礦區(qū)構(gòu)造應力以水平構(gòu)造應力為主,3個主應力均隨深度的增加呈近似線形的增長方式。最大主應力、中間主應力和最小主應力隨埋深H變化的回歸特性方程分別為σ1=0.40+0.057 5H,σ2=0.27+0.023 9H,σ3=0.10+ 0.012 9H。對模型賦值后進行初始平衡狀態(tài)求解,之后將模型發(fā)生的位移設(shè)置為0,將模型中巷道區(qū)域材料屬性設(shè)置為空,重新采用靜力學模型求解,采用最大不平衡力進行監(jiān)測。無錨桿支護和進行巷道聯(lián)合支護的位移、應力云圖和塑性區(qū)分別如圖4,5所示。

圖4 無錨桿混凝土支護位移、應力云圖和塑性區(qū)Fig.4 Displacements contour,stress nephogram and plastic zone distribution of the concrete support

圖5 端錨混凝土支護位移、應力云圖和塑性區(qū)Fig.5 Displacements contour,stress nephogram and plastic zone distribution of the concrete support with bolts

位移和應力云圖表明,混凝土和錨桿聯(lián)合支護的結(jié)構(gòu)能夠進一步限制位移,降低混凝土承載的應力。塑性區(qū)圖表明,隨錨桿長度增加塑性區(qū)面積和破壞區(qū)域減小愈加明顯,而該巷道的圍巖塑性圈為1 000～3 000 mm,為使錨固端能夠楔入塑性區(qū)外圍巖中,錨桿長度應選擇2 200 mm。模擬計算結(jié)果表明,巷道圍巖的水平位移量和塑性區(qū)面積明顯減小,因此該礦應該選擇混凝土和錨桿聯(lián)合支護的方式。具體支護參數(shù)見表8。其中補強支護采用快凝樹脂卷膠接、無縱筋全螺紋軋制桿體墊板式錨桿;壁后充填接頂采用充填體強度不低于5 MPa的高倍膨脹樹脂或發(fā)泡輕質(zhì)水泥材料。

表8 支護參數(shù)Table 8 Support parametersmm

4 現(xiàn)場支護試驗與變形監(jiān)測

支護應用試驗在970 m水平圍巖軟破的礦塊進行。針對復雜的工程環(huán)境,巷道設(shè)計采用了臨時支護、永久支護和補強支護一體化支護系統(tǒng),將主動式支護和被動式支護聯(lián)合,組成全封閉、高強度支護結(jié)構(gòu)。

巷道施工完成后,采用多點位移計、混凝土壓力盒、表面收斂劑、錨桿測力計等儀器對支護巷道進行了長期監(jiān)測,其中圖6為混凝土壓力盒和多點位移計對典型斷面的監(jiān)測結(jié)果。

圖6 監(jiān)測結(jié)果Fig.6 Monitoring results

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,支護結(jié)構(gòu)對圍巖約束控制起了重要作用。根據(jù)多個典型斷面壓力盒測試數(shù)據(jù)表明,支護施加初期壓力值變化速率較大,后期明顯降低,壓力值最大增加至70 kN左右,如圖6(a)所示。根據(jù)典型斷面圍巖內(nèi)部多點位移測點的測試,淺部與深部圍巖的變形存在較大差異。變形量主要發(fā)生在距孔口2 m的圍巖范圍內(nèi),最大收斂變形量未超過70 mm,如圖6(b)所示。

巷道綜合測試數(shù)據(jù)表明,主動和被動聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)能夠有效地控制圍巖變形,并產(chǎn)生圍壓效應作用于圍巖,使軟破圍巖強度得到利用。巷道存在時間已達1 a以上,除巷道道岔點和局部點出現(xiàn)混凝土開裂外,采用該種支護的巷道穩(wěn)定性良好,巷道最大收斂量未超過80 mm,而相鄰巷道多數(shù)已垮冒報廢。工程實踐充分證明了軟破圍巖條件下應采用主動和被動支護相結(jié)合的支護結(jié)構(gòu)及帶有頂、底拱的全封閉強化支護。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)圍巖軟破、服務時間長的巷道工程特點,基于巷道圍巖礦物分析與膨脹特性研究的結(jié)果,提出將主動與被動聯(lián)合支護方式應用于該類巷道工程。采用具有施加圍壓功能的支護結(jié)構(gòu),實現(xiàn)改變巷道圍巖受力狀態(tài)、恢復自承能力、提高共同承載能力的目標。

(2)提出了適用于圍巖軟破巷道的聯(lián)合支護方案,即采用錨噴網(wǎng)、澆灌混凝土兩種作用機理不同的支護技術(shù)及壁后充填接頂、施加底梁等措施構(gòu)成聯(lián)合支護結(jié)構(gòu),并根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化了支護參數(shù)。

(3)工程實踐表明,該類巷道工程采用聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)能夠有效的控制巷道地壓,提高了巷道抗變形能力,延長了安全穩(wěn)定期。

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Surrounding rock deformation mechanism and support technology of soft rock roadway in Yechangping Mine

MING Jian1,GAO Yong-tao1,CHEN Jiang-chuan2
(1.School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Zhongyuan Mining Industry Co., Ltd.,Sanmenxia 472200,China)

Based on the laboratory test of the physical and mechanical characteristics and measured result of the deformation of the surrounding rock around roadway in Yechangping Mine,the deformation and destruction mechanism of the surrounding rock in soft rock roadway were discussed.The laboratory test,underground roadway test and theoretical analysis were adopted to characterize the swelling deformation and release rules,the mechanical characteristics of steel fiber reinforced concrete and high strength bolt.With the guidance of confining pressure restored reinforcement theory, the technic scheme of the active and passive combined support were put forward.The support parameters of new scheme were optimized by physical modeling and numerical modeling.The industrial test results show that the support technology can effectively control the ground pressure and the surround rock deformation in soft rock roadways,which ensures the safety and stability of roadways.

soft rock roadway;deformation mechanism of soft rock;combined support and control;Yechangping Mine

TD353

A

0253－9993(2014)04－0624－07

明 建,高永濤,陳江川.夜長坪礦軟巖巷道圍巖變形機理及控制[J].煤炭學報,2014,39(4):624－630.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1479

Ming Jian,Gao Yongtao,Chen Jiangchuan.Surrounding rock deformation mechanism and support technology of soft rock roadway in Yechangping Mine[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):624－630.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1479

2013－06－01 責任編輯:常 琛

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2012BAB01B04);中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(FRF－TP－12－017A)

明 建(1979—),男,山東德州人,講師,博士。Tel:010－62332081,E－mail:mingjian.ustb@163.com