弱膠結(jié)軟巖主斜井支護方案研究

李 軍，李學(xué)彬，王 磊

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新，123000；2. 北京昊華能源股份有限公司，北京，102300；3. 北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013；4. 煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室,北京 100013)

0 引言

我國西部礦井軟巖普遍存在強度低、膠結(jié)力弱、易風(fēng)化水解，目前針對西部軟巖巷道支護問題的研究處于探索階段，對軟巖破壞的機理、支護參數(shù)選取尚處于摸索和依賴于工程經(jīng)驗的階段[1-8]。

1 工程概況

紅慶梁煤礦井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達(dá)拉特旗境內(nèi)，井田構(gòu)造簡單，屬于典型的弱膠結(jié)軟巖礦井。圍巖含水量較大，而強度指標(biāo)較小，普氏系數(shù)小于1，屬于典型的軟弱類巖石。紅慶梁礦主斜井原設(shè)計的主要支護形式為錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護，在主斜井掘進初期此種支護形式發(fā)揮了明顯的作用。但隨著掘進深度的不斷增加，主斜井頂板、兩幫均有不同程度的滲水現(xiàn)象，尤其是底板部分出現(xiàn)了大量的涌水使得掘進速度變慢，而且使得錨噴支護效果大打折扣。鑒于此，研究決定針對當(dāng)前滲水以及后續(xù)深部地壓較大的問題提出了三種支護形式，主要包括：①樹脂錨桿+注漿錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土封閉式支護形式(錨網(wǎng)噴)；②樹脂錨桿+鋼筋網(wǎng)+封閉環(huán)形U型鋼支架+噴射混凝土封閉式支護形式(錨網(wǎng)噴架)；③樹脂錨桿+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+現(xiàn)澆混凝土封閉式支護形式(錨網(wǎng)噴砌)。三種支護形式如圖1所示，其中錨網(wǎng)噴砌為現(xiàn)行使用的支護形式。

圖1 支護設(shè)計

本文將對三種支護形式的圍巖控制效果進行分析，通過對比確定合理的支護方案。

2 支護方案數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

利用MIDAS-GTS對主斜井井筒施工階段進行三維數(shù)值模擬，分析井筒支護前后圍巖應(yīng)力、變形以及錨索錨桿應(yīng)力情況，驗證各支護方案的可實施性。

模擬過程中做如下假定：(1)圍巖各向同性，巖層假定為理想彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[9-11]；(2)支護材料如錨桿、鋼支架、噴混等設(shè)定為線彈性本構(gòu)模型[12]；(3)巖體初始應(yīng)力場不考慮地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場及溫度應(yīng)力場，只考慮自重應(yīng)力的影響[13]；(4)設(shè)側(cè)壓力系數(shù)K=0.5，圍巖應(yīng)力釋放率為50%[14]。(5)開挖時采用了超前管棚支護措施，模擬時采用等效計算的方法，依據(jù)經(jīng)驗將圍巖參數(shù)中的c值提高一定比例，將井筒上方巖體的粘聚力值提高20%。

據(jù)經(jīng)驗可知巷道開挖對兩幫的影響范圍一般是3D～5D(D為巷道跨度或直徑)，由主斜井巷道跨度為6.2 m可知，開挖后影響范圍約為35 m，所以模型左右至井筒中心各取35 m，模擬井筒巖層斷面取自主斜井開挖長度610 m處，經(jīng)地質(zhì)剖面圖可知開挖影響范圍內(nèi)巖層僅有中粒砂巖一種巖層。由于該主斜井傾斜角度為16°，換算成垂直深度約為170 m，模型上表面取自垂直深度150 m處，模型下表面取自垂直深度200 m處。由此可確定模型尺寸為長×寬×高=70 m×50 m×30 m。巖體采用實體單元劃分，噴混采用板單元，錨桿采用植入式桁架單元，U型鋼支架采用梁單元。模型上部邊界無任何約束，下部為Z向固定約束，左右為X方向約束。在主斜井開挖長度620 m處設(shè)置一個考察斷面，便于直觀分析。巖層及支護結(jié)構(gòu)物理參數(shù)見表1和表2。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

表2 材料力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬主要針對全斷面錨網(wǎng)噴支護、全斷面錨網(wǎng)噴鋼支架以及現(xiàn)行支護三種狀態(tài)下圍巖變形及支護結(jié)構(gòu)受力分析，通過分析比較，最后確定合理支護方案。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 圍巖塑性特征對比分析

井筒開挖支護后支護效果的好壞可以通過圍巖塑性特征較好的詮釋。計算得出無支護情況下塑性區(qū)在頂、底、兩幫均有顯現(xiàn)，而錨網(wǎng)噴支護形式下塑性區(qū)主要出現(xiàn)在底部、幫部略有顯現(xiàn)。錨網(wǎng)噴架聯(lián)合支護形式下塑性區(qū)基本上只在井筒底部出現(xiàn)?，F(xiàn)行支護方案下塑性區(qū)基本出現(xiàn)在底板、迎頭掘進區(qū)局部顯現(xiàn)塑性變形。觀測斷面處錨網(wǎng)噴支護、錨網(wǎng)噴架聯(lián)合支護及現(xiàn)行支護塑性應(yīng)變值相比無支護情況下均有減小，模擬結(jié)果見表3。

表3 不同支護下塑性應(yīng)變

錨網(wǎng)噴支護形式與錨網(wǎng)噴架支護、現(xiàn)行支護相比，前種支護對未開挖區(qū)域即迎頭處圍巖變形抵抗效果不如后兩種支護，而后兩種支護幾乎無塑性應(yīng)變。在實際井筒開挖過程中迎頭處發(fā)生大范圍塑性變形是十分危險的，不僅加大了超前支護工作量，甚至給施工超前錨桿的工人造成生命危險。通過四種支護條件下塑性特征的對比分析看出，錨網(wǎng)噴架聯(lián)合支護及現(xiàn)行支護較錨網(wǎng)噴支護有著明顯的優(yōu)勢。

2.2 圍巖應(yīng)力對比分析

圍巖變形破壞時應(yīng)力形式多表現(xiàn)為拉應(yīng)力、剪應(yīng)力，對圍巖應(yīng)力分布特征及規(guī)律的研究是井筒支護的前提和基礎(chǔ)，僅選取圍巖水平、豎直方向應(yīng)力對不同支護形式下圍巖受力特點進行分析，由于錨網(wǎng)噴架支護整體水平剛度的提高，有效抵制圍巖水平變形產(chǎn)生的應(yīng)力。無支護情況下頂板豎向應(yīng)力區(qū)表征為“漏斗”狀，在井筒幫部和底角處表現(xiàn)為剪應(yīng)力且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。在錨網(wǎng)噴支護、錨網(wǎng)噴架支護及現(xiàn)行支護形式下井筒底角處均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象但值較無支護情況小的多，錨網(wǎng)噴架與現(xiàn)行支護僅僅是錨桿支護參數(shù)不同，前者錨桿長度(2400 mm)直徑(24 mm)均比后者(L=2000 mm/D=20 mm)大，結(jié)果后者頂?shù)装遑Q向應(yīng)力都要比錨網(wǎng)噴架大。另外錨網(wǎng)噴架支護由于鋼支架的存在，其抗剪切變形能力要比錨網(wǎng)噴支護要高。錨桿和鋼支架共同作用錨網(wǎng)噴架支護頂板應(yīng)力最大值比錨網(wǎng)噴支護情況下要小，將有效的減少冒頂現(xiàn)象，避免支護二次修復(fù)。模擬結(jié)果見表4。

表4 不同支護下圍巖應(yīng)力情況

2.3 圍巖位移對比分析

通過圍巖位移場的研究，可以較為直觀的了解井筒圍巖變形的區(qū)域及數(shù)值大小。對圍巖變形特征及分布規(guī)律的研究是支護方案設(shè)計的基礎(chǔ)，同時也可驗證所采取支護形式是否對井筒頂、底、兩幫各區(qū)域圍巖變形有較好的約束作用，能否發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)、自承作用。主要通過對觀察斷面處頂、底、兩幫位移特征分析不同支護形式下圍巖變形特點。從計算中顏色的深淺和變化區(qū)域來看井筒水平位移最大值出現(xiàn)在兩幫，變化區(qū)域形似“蝴蝶”形狀。井筒無支護形式下頂板豎向位移約為67 mm，約是錨網(wǎng)噴支護的2.8倍，現(xiàn)行支護的2.8倍，錨網(wǎng)噴架的5倍。底板豎向位移量約為120 mm，約為錨網(wǎng)噴支護的1.4倍，是錨網(wǎng)噴架的1.45倍，是現(xiàn)行支護的1.4倍。其兩幫水平位移移近量約為120 mm，約為有支護情況下的3倍。模擬結(jié)果見表5。

表5 不同支護圍巖變形量

2.4 不同支護下圍巖變形規(guī)律

對不同支護情況下圍巖變形規(guī)律的研究主要通過選取觀測斷面處(第10步開挖段)頂?shù)?、兩幫變形隨開挖步驟的變化情況。由圖2可以看出第10步開挖段以前圍巖變形量小，變化速率慢，開挖至第10步時變形量突變，隨開挖步數(shù)增加變形量逐漸增加，約開挖到第15步時圍巖變形量基本趨于穩(wěn)定。另外，圖2還表明已開挖區(qū)域會對未開挖區(qū)域圍巖變形造成影響且與二者之間的距離有一定的關(guān)系，而已開挖完成的區(qū)域也易受后續(xù)開挖的影響，但隨開挖的進行這種影響逐漸減小而趨于穩(wěn)定。還可以看出錨網(wǎng)噴架支護下圍巖變形量較小，相比其他支護具有一定的優(yōu)勢。

2.5 噴混應(yīng)力、應(yīng)變對比分析

在錨網(wǎng)噴支護和錨網(wǎng)噴架聯(lián)合支護中均涉及到噴混結(jié)構(gòu)，噴混結(jié)構(gòu)在整個支護體系中所起的主要作用：一方面及時封閉圍巖避免風(fēng)化，另外噴混時產(chǎn)生高強壓力可使混凝土進入巖層裂隙中起到了加固巖體，阻止?jié)B水。另一方面將圍巖、錨桿三者或圍巖、錨桿、鋼支架四者構(gòu)成統(tǒng)一整體結(jié)構(gòu)更好的發(fā)揮支護體系的承載能力。對混凝土板應(yīng)力、應(yīng)變的分析主要選取水平方向主應(yīng)力、主應(yīng)變?yōu)檠芯繉ο?，認(rèn)為混凝土板等同于混凝土結(jié)構(gòu)中的“單向板”，單向板中短邊方向的受力、變形特點是直接影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全的主要因素。頂部應(yīng)力主要以受壓為主，底部以受拉為主。錨網(wǎng)噴架支護下頂、底所受應(yīng)力較另兩種支護下明顯減小，說明錨網(wǎng)噴架支護可有效的減弱混凝土的受力情況。模擬結(jié)果見表6。

圖2 充填料漿凝結(jié)時間曲線

支護情況錨網(wǎng)噴支護錨網(wǎng)噴架支護現(xiàn)行支護 頂部壓應(yīng)力最大值/MPa5.24.24.7 底部拉應(yīng)力最大值/MPa-5.8-4.2-5.2

三種支護形式下混凝土板應(yīng)變，混凝土應(yīng)變區(qū)域與混凝土應(yīng)力區(qū)域基本保持一致。模擬結(jié)果見表7。

表7 不同支護下混凝土應(yīng)變情況

2.6 錨桿受力對比分析

錨桿主要通過端部固定在穩(wěn)定巖層上懸吊巖體，圍巖變形時，錨桿與圍巖發(fā)生相對位移，錨桿與巖體之間產(chǎn)生摩擦力，最后通過托盤反作用于巖體起到約束圍巖變形的作用。錨桿在工作狀態(tài)下主要是以受拉力為主，當(dāng)圍巖較穩(wěn)定、自穩(wěn)時間長時錨桿會表現(xiàn)出受壓狀態(tài)。模擬結(jié)果見表8。

表8 不同支護下錨桿受力情況

錨桿是抵制圍巖變形的第一道防線，當(dāng)錨桿與圍巖發(fā)生較大相對位移時，鋼支架就承擔(dān)起了吸收多余形變能，抵制圍巖繼續(xù)開裂釋放能量的任務(wù)。但由于現(xiàn)行支護方案中錨桿長度、直徑均比理論聯(lián)合支護的要小，于是與圍巖之間的作用力就弱于理論支護方案值，結(jié)果表現(xiàn)出錨桿受力值要比錨網(wǎng)噴架理論支護值大。相比而言，錨網(wǎng)噴支護僅依靠錨桿懸吊作用產(chǎn)生的摩擦力抵制位移變形，對一般較硬、自穩(wěn)能力較強的巖體支護效果尚可，但對于弱膠結(jié)、強度較低的巖體需要提高支護參數(shù)或者改變支護形式才能達(dá)到預(yù)期的支護效果。

2.7 鋼支架受力對比分析

圍巖采用鋼支架與錨網(wǎng)噴構(gòu)成支護體系將會大大提高支護結(jié)構(gòu)整體剛度，提升圍巖的自穩(wěn)能力和自承能力。由圖3可以看出理論支護方式下鋼支架正彎矩最大值是比現(xiàn)行支護方式鋼支架正彎矩值要大，但從整體角度來看前者負(fù)彎矩值最大值約5.4 kN.m,而后者最大負(fù)彎矩值約為9.8 kN.m，在這里負(fù)彎矩表示梁式構(gòu)件上部受拉，結(jié)果表明錨桿支護參數(shù)的改變勢必會影響鋼支架的受力狀況，現(xiàn)行支護方案錨桿長度為2000 mm，直徑為20 mm，而理論方案中錨桿長度為2400 mm，直徑為24 mm，且全斷面施打錨桿。錨桿長度加長、直徑加粗更有利于增大與圍巖之間的摩擦，繼而減少了圍巖形變荷載對鋼支架的作用。

圖3 不同支護形式下鋼支架豎向彎矩

3 小結(jié)

本文針對紅慶梁礦主斜井弱膠結(jié)軟巖支護問題，在深入研究弱膠結(jié)遇水泥化軟巖破壞機理的基礎(chǔ)上提出了全斷面錨網(wǎng)噴支護、錨網(wǎng)噴架聯(lián)合支護形式，并通過理論計算出相關(guān)支護參數(shù)。借助巖土工程專業(yè)分析軟件MIDAS-GTS，對上述三種支護形式和無支護狀況進行了數(shù)值模擬，通過對混凝土板、錨桿及鋼支架三種支護狀態(tài)下圍巖變形受力對比分析，得出錨網(wǎng)噴架聯(lián)合支護對弱膠結(jié)、易風(fēng)化水解巖層支護效果較好。在不含水階段全段面錨網(wǎng)噴支護可以代替錨網(wǎng)噴架支護?，F(xiàn)行支護方案可以適當(dāng)改變錨桿、鋼支架參數(shù)來提高支護效果。

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