深部破碎軟巖巷道松動圈確定及支護

齊消寒　張東明

(1.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院；2.煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室)

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深部破碎軟巖巷道松動圈確定及支護

齊消寒1，2張東明1，2

(1.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院；2.煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室)

摘要深部礦井巷道掘進過程中，應(yīng)力逐漸升高，節(jié)理裂隙發(fā)育，錨噴支護中錨固深度不能達到圍巖穩(wěn)定范圍，錨固端處于松動圈破碎巖體內(nèi)，錨固力極低或喪失。為此，提出利用現(xiàn)場物探和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，判斷松動圈范圍，確定穩(wěn)定、完整巖體深度，優(yōu)化錨索支護設(shè)計，采用錨網(wǎng)索與U型鋼支架協(xié)同支護，以控制破碎軟巖巷道支護失效的問題。

關(guān)鍵詞松動圈破碎軟巖巷道支護數(shù)值模擬

長期以來，在煤礦生產(chǎn)中,巷道支護一直是影響生產(chǎn)進度的重要環(huán)節(jié)，尤其是破碎軟巖巷道的支護。隨著煤炭開采深度的增加，巷道圍巖壓力增大，出現(xiàn)底鼓、變形，穩(wěn)定性差，巷道的維護極為困難，支護費用直線上升，嚴重影響了煤礦的安全生產(chǎn)。因此，迫切需要探索較為準確地判斷巷道圍巖松動圈范圍的方法，以采用科學(xué)合理的支護方式對巷道進行支護，避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生[1]。

1深部破碎巷道松動圈形成原因分析

巷道掘進破壞了巖石的原始應(yīng)力狀態(tài)，造成的直接應(yīng)力變化是：巷道徑向應(yīng)力減小為零，切向出現(xiàn)應(yīng)力集中，臨近巖壁的巖石由原來的三向受力狀態(tài)變?yōu)榻苾上蚴芰?，巖體強度降低。當巖石應(yīng)力集中值大于其強度，就會出現(xiàn)破斷、開裂。這種破裂由淺及深，逐步向圍巖深處擴展，直至達到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。此時圍繞開挖巷道形成一個破裂區(qū)，即巷道松動圈。而深部破碎巷道由于圍巖應(yīng)力大，巖體強度低，因而表現(xiàn)得尤為強烈。松動圈從內(nèi)到外依次為破裂穩(wěn)定區(qū)(R0≤r≤Rj)、破裂劇烈區(qū)(Rj≤r≤Rs)、彈性區(qū)(Rs≤r≤+∞)[2]。如圖1所示。

2松動圈范圍探測與數(shù)值模擬

地質(zhì)雷達作為一種無損探測技術(shù)，使用方便，探測成本低廉且探測結(jié)果準確，在工程中得到廣泛應(yīng)用。因此將其用于巷道松動圈探測，可為巷道支護提供合理準確的參數(shù)[3]。

2.1工程概述

某礦地面標高465～920 m，巷道標高256～273 m，用作運煤、材料及運送上下班人員。巷道揭露地層主要為峨眉山組和宣威組下段，宣威組下段巖石硬度系數(shù)4～6，玄武巖硬度系數(shù)大于10。巷道采用錨噴支護，但由于支護設(shè)計不合理，使用過程中出現(xiàn)圍巖斷裂失穩(wěn)、變形過大等現(xiàn)象，現(xiàn)場監(jiān)測巷道頂板下沉量約0.5 m，底鼓約0.32 m。

圖1　巷道圍巖應(yīng)力分布及物理力學(xué)狀態(tài)

2.2地質(zhì)雷達工作原理

針對本次檢測工程特點，采用SIR-20型地質(zhì)雷達,工作頻率400 Hz天線配合使用。該設(shè)備分辨率高，數(shù)據(jù)準確，且可連續(xù)長時間探測。

地質(zhì)雷達主要借助電磁波在不同介質(zhì)中傳播的差異性，完成不同巖層的探測。其原理如圖2所示，雷達記錄見圖3。

由于電磁發(fā)射方向與界面垂直且收發(fā)天線距離很小，所以反射系數(shù)可寫為

(1)

圖2　雷達工作原理

圖3　雷達記錄示意

不同介質(zhì)介電常數(shù)不同，因此當電磁波到達時，會在界面處產(chǎn)生反射回波信號。根據(jù)水、空氣、混凝土及巖石的介電差異性，在裂縫部分呈現(xiàn)強烈的反射[4]。

2.3地質(zhì)雷達現(xiàn)場探測與成果分析

利用地質(zhì)雷達無損探測技術(shù)對某支護巷道圍巖松動圈進行探測。在巷道磧頭前方，選取兩個典型斷面，探測結(jié)果如圖4。

圖4　雷達探測灰度

從圖4(a)可知，第一個斷面巷道圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，左拱腰至拱頂電磁波反射較強，拱頂向上延伸5～10 m處有較大離層出現(xiàn)，10～12.5 m存在較多貫通裂隙，探測區(qū)域圍巖破碎，松動圈高度自拱頂向上延伸至12.5 m左右。

從圖4(b)可知，第二個斷面巷道圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，整個斷面電磁波反射均較強烈，5～10 m 出現(xiàn)明顯離層，13～15 m存在小型裂隙，探測區(qū)域圍巖破碎。從反射波判斷，松動圈發(fā)育高度自拱頂向上延伸至15 m。

圖4兩個探測斷面的反射面都比較多，反映出巖體后方裂隙較多，這可能與軟巖變形較大有關(guān)。圍巖體內(nèi)的破裂斷面較多，斷面四周出現(xiàn)的斷碎區(qū)域非常明顯。斷面一有兩處明顯的離層，估計未來斷面會出現(xiàn)類似的破碎區(qū)域，施工過程中應(yīng)注意巖體的變形，并及時處置。

2.4FLAC3D數(shù)值模擬確定塑性區(qū)范圍

本次采用FLAC3D有限差分程序?qū)ΜF(xiàn)有支護條件下巷道穩(wěn)定性進行模擬。

2.4.1三維模型建立與模擬過程

(1)巖石巖性假設(shè)。假設(shè)巖石為各向同性、均質(zhì)、符合摩爾-庫倫準則，本構(gòu)模型采用較成熟的摩爾-庫倫模型。

(2)模型尺寸簡化。根據(jù)255 m南機軌運輸大巷位置及勘探線地質(zhì)剖面圖，選取模型沿走向長70 m，巖層傾角12°，走向長20 m，豎直方向自巷道向下延伸35 m、向上延伸35 m，35 m以上載荷為命令，施加垂直向下均布荷載。建立的幾何模型如圖5所示。

圖5　幾何模型

(3)巷道結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)255 m南機軌運輸大巷設(shè)計尺寸，將巷道簡化為實體，取巷道高4 m，寬4.8 m，截取巷道磧頭前方長50 m的區(qū)域進行模擬。

(4)邊界條件。為盡量接近真實物理場狀態(tài)，沿傾斜方向邊界X向施加輥軸支撐邊界條件，約束x方向運動，允許y和z向運動；沿走向方向邊界Y向施加輥軸支撐，約束y向運動，巖體可作x和z向運動；垂直方向只在下表面施加z向輥軸支撐，約束z向運動，上表面施加均勻應(yīng)力。

(5)模型參數(shù)。進行現(xiàn)場取樣和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗，得到研究區(qū)域各巖層的巖性，進行適當?shù)暮喕蟮玫较嚓P(guān)力學(xué)參數(shù)。

2.4.2數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析

當?shù)叵聨r體受到人類工程活動影響后，原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，原巖應(yīng)力場中臨近巷道開挖區(qū)各點的應(yīng)力大小、方向、水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的比值等都發(fā)生變化，即巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布達到新的平衡。在達到新平衡的過程中，某些區(qū)域的巖體發(fā)生損傷、變形、斷裂和移動。圖6、圖7為巷道圍巖塑性區(qū)和垂直位移云圖。

圖6　巷道圍巖塑性區(qū)

圖7　巷道圍巖垂直位移云圖

塑性區(qū)是荷載產(chǎn)生的應(yīng)力超過巖石極限承載力，使其局部產(chǎn)生不可恢復(fù)變形的屈服區(qū)域。從數(shù)值模擬結(jié)果來看(圖6)，巷道塑性區(qū)域為10～15 m，數(shù)值模擬得到巷道圍巖頂板最大變形量0.423 m，底鼓0.3 m，與現(xiàn)場監(jiān)測情況接近。

3破碎軟巖巷道支護對策

從地質(zhì)雷達現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬試驗結(jié)果來看，松動圈外邊界深度范圍為10～12.5 m，松動圈范圍大、節(jié)理裂隙密集、裂隙雜亂密集，應(yīng)屬于不穩(wěn)定狀態(tài)。此類圍巖支護形式必須具備以下特點：支護結(jié)構(gòu)應(yīng)具有限制圍巖過大變形的能力；采用主動支護和被動支護相結(jié)合的方式，充分利用圍巖的自穩(wěn)能力，使圍巖自主形成梁、殼、拱等結(jié)構(gòu)，避免松動圈變形，垮落；實現(xiàn)全斷面支護，及時封閉圍巖，防止圍巖發(fā)生過大變形或坍塌事故[5]。

根據(jù)理論計算和現(xiàn)場物探判斷松動圈范圍，確定穩(wěn)定完整的巖體深度，提出錨網(wǎng)索與U型鋼支架協(xié)同支護的方式，以控制破碎軟巖巷道支護失效的問題。

3.1初次支護

巷道開挖之后，巖石的原始應(yīng)力平衡被破壞，會以應(yīng)力釋放和快速形變的形式達到新的平衡，在破壞和大形變發(fā)生之前，應(yīng)及時進行支護。第一次支護包括：噴射混凝土、立鋼拱架、打錨索、聯(lián)網(wǎng)、復(fù)噴混凝土，盡快封底，形成封閉式支護，以求圍巖自穩(wěn)。

3.2端錨加固

初次襯砌之時，在相鄰鋼拱架之間布置端錨預(yù)應(yīng)力錨索，如圖8所示。根據(jù)12～5 m松動圈，設(shè)計端錨預(yù)應(yīng)力錨索長度為18 m，在15～18 m段注漿，0～15 m段處于松動圈內(nèi)，不用注漿。其布置方式如圖9所示(具體布置參數(shù)需進一步試驗、監(jiān)測確定)。

圖8　端錨預(yù)應(yīng)力錨索錨固示意

圖9　端錨預(yù)應(yīng)力錨索布置示意

圖10　錨索-U型鋼支護后圍巖塑性區(qū)

圖11　支護后垂直位移

在利用建立的FLAC3D模型模擬錨索-U型鋼支護條件下的巷道開挖，從數(shù)值模擬結(jié)果(如圖10和圖11)可知，支護后，塑性區(qū)范圍5～7.5 m；拱頂最大沉降量為0.07 m，底鼓0.08 m。巷道的變形和破壞得到了控制。

4結(jié)論

通過地質(zhì)雷達現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬試驗，確定松動圈范圍為從巖壁向深部延伸10～12.5 m，松動圈范圍大、節(jié)理裂隙密集、雜亂，屬不穩(wěn)定狀態(tài)。采用主動支護和被動支護相結(jié)合的方式，充分利用圍巖的自穩(wěn)能力，使圍巖自主形成梁、殼、拱等結(jié)構(gòu),避免松動圈的變形，垮落；實現(xiàn)全斷面支護，及時封閉圍巖，防止圍巖過大變形或坍塌事故的發(fā)生；使用錨網(wǎng)索與U型鋼支架協(xié)同支護，控制了破碎軟巖巷道的支護失效問題。從數(shù)值模擬效果可知，該支護方式很好地控制了巷道變形。

參考文獻

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[3]孫曉明，何滿潮，楊曉杰.深部軟巖巷道錨網(wǎng)索耦合支護非線性設(shè)計方法研究[J].巖土力學(xué),2006,27(7):1061-1065.

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(收稿日期2015-09-16)

Identification and Supporting of the Broken Zone in Fractured Soft Rock Surrounding a Deep Roadway

Qi Xiaohan1,2Zhang Dongming1,2

(1. College of Resource and Environmental Science, Chongqing University;2. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control)

AbstractIn the process of roadway drivage in deep mine, the stress is increased gradually, the joint fissures are developed. The anchorage depth can not reach the range of stability of surrounding rock, the anchor end is located in a loose circle broken rock mass, the anchoring force is extremely low or loss. In order to solve the above roadway supporting problem, the geophysical prospecting method and numerical simulation method is adopted to determine the loose circle range and the depth of stability and integrity rock mass, and optimize the design of the anchor rope supporting. The collaborative supporting method of anchor wire rope and U-shape steel bracket is adopted to control the supporting failure problems of soft rock roadways.

KeywordsLoose circle, Broken soft rock roadways, Supporting, Numerical simulation

齊消寒(1987—)，男，400044 重慶市沙坪壩區(qū)沙正街174號。