千米深井中央泵房圍巖支護數(shù)值模擬研究

畢衛(wèi)國，郭偉娜，林登閣

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

在礦井開采深度不斷加深的過程中，由于巷道受到“三高一擾動”的地質(zhì)影響，造成深部圍巖出現(xiàn)大變形和難支護問題，常見的支護方式難以維持圍巖穩(wěn)定，因此需要采用聯(lián)合支護方式來維護圍巖穩(wěn)定及安全[1-3]。目前，許多學(xué)者對高應(yīng)力深井圍巖聯(lián)合支護技術(shù)進行研究分析，楊新安等[4]提出外錨內(nèi)注式新型錨桿及其加固軟巖巷道的新技術(shù)，并利用FLAC3D對錨注結(jié)構(gòu)支護機理進行研究；王道團等[5]通過比較圍巖未支護與錨注支護效果，認為錨注支護為圍巖穩(wěn)定提供了有力保障；范廣建[6]對中央泵房圍巖控制技術(shù)進行分析，認為錨注技術(shù)使泵房圍巖的穩(wěn)定性得到了有效控制；陸銀龍等[7]通過分析破裂軟巖加固后的力學(xué)性能，對軟巖巷道的最佳注漿時間進行研究；孟慶斌等[8]利用FIAC3D數(shù)值軟件研究了深部巷道錨注的支護原理并揭示了各種因素對圍巖位移的影響規(guī)律；韓立軍等[9]利用彈塑性理論對錨注加固后結(jié)構(gòu)彈性區(qū)的發(fā)展規(guī)律進行分析，提出錨注加固支護后結(jié)構(gòu)的極限承載力；賈志明等[10]對高應(yīng)力軟巖巷道提出錨注支護方式，并利用數(shù)值模擬軟件分析了錨注支護方式下圍巖的力學(xué)特點、位移特點和破壞特點；上述學(xué)者僅對錨注支護的支護效果進行研究分析，未充分體現(xiàn)錨注支護的優(yōu)越性?；诖?，本文以趙樓礦井圍巖支護工程為依托，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對未支護、錨網(wǎng)噴支護、錨網(wǎng)索噴支護以及錨注支護結(jié)構(gòu)進行模擬，并對不同支護方式的加固效果進行比較分析，得到錨注支護結(jié)構(gòu)對提高泵房圍巖的穩(wěn)定性具有較好效果，同時也為相似條件下中央泵房圍巖的支護提供一定的理論依據(jù)。

1 工程概況

趙樓礦井位于山東省菏澤市巨野煤田，地面井口標高為+45m，井底車場的水平標高為-860m。礦井的重要巷道和硐室的埋深約在905m以下，設(shè)計立井井筒包含主井、副井和風(fēng)井，三個井筒的直徑依次為7.0m、7.2m和6.5m，其中主井和風(fēng)井的深度相同，深度為905.0m，副井深度為935.0m。

趙樓煤礦中央泵房巷道的高度和寬度依次為7.2m和6.35m，長度為43m，墻體凈高度為7m，巷道斷面形狀為半圓拱形，巷道位于泵房通道與管子道中間。在墻體處有吸水井、配水巷及壁龕，吸水井井深為5.3m，截面形狀為矩形；配水巷的高度為2.5m，壁龕高度為3.7m和2.6m，配水巷和壁龕的截面形狀為半圓拱形。

在支護前，利用測試儀器對原巖地應(yīng)力進行測定，測定最大主應(yīng)力高達36.4MPa，故趙樓礦井位于高應(yīng)力區(qū)，礦井圍巖位于不穩(wěn)定巖層。通過對不同斷面的取樣檢測，認為礦井部位礦物成分差別較大，因此，對礦井硐室的支護方案須慎重選擇。

2 數(shù)值模擬

建立的模擬過程為泵房開挖后，在開挖荷載全部釋放后對泵房圍巖未支護和支護分別進行數(shù)值模擬，由于地下存在巖層初始應(yīng)力場，因此在模擬的過程中要采取以下措施[11]：①計算初始地應(yīng)力作用條件下，圍巖的內(nèi)應(yīng)力值和位移量；②將圍巖內(nèi)部的所有節(jié)點初始位移量化為0。本文選擇模擬的支護方案共有三種：方案一，錨、網(wǎng)、噴支護方案；方案二，錨、網(wǎng)、索、噴支護方案；方案三，錨、網(wǎng)、索、噴、注支護方案，對不同支護方案的圍巖位移、受力、塑性分布區(qū)以及錨桿(索)、混凝土襯砌的受力等進行模擬分析。

2.1 模型建立

為了使模擬效果更加接近真實結(jié)果，在建立模型的過程中，嚴格仿照實際探測的地質(zhì)條件和按1∶1的比例建立泵房實體模型，模型按三維維度進行考慮，泵房周邊圍巖(x，y，z)選取范圍為50m×24.45m×100m，研究區(qū)域的原點設(shè)置在中央泵房的中心位置[12]；根據(jù)經(jīng)驗和開采圍巖相關(guān)理論，考慮埋深較大的特點，將模型上邊界和水平邊界加載地應(yīng)力大小為實測荷載[13]；垂直載荷大小為24.5MPa，最大水平應(yīng)力為36.40MPa，方向為NE80°，與泵房軸線夾角為10°，通過計算得到施加在模型X向水平地應(yīng)力為24.5MPa，Y向水平地應(yīng)力為29.98MPa。研究對象為深井中央泵房硐室、壁龕、吸水井、配水巷；巖層劃分標準按照實際探測的巖層進行劃分，巖層模型參數(shù)設(shè)置見表1。支護結(jié)構(gòu)模型中錨桿、索采用cable單元，金屬網(wǎng)及噴射混凝土采用cell單元，并對不同單元設(shè)置實際材料參數(shù)，模型選用Mohr-coulomb強度準則。為了使模擬結(jié)果更加接近真實值，在保證計算速度的條件下，適當?shù)脑黾颖梅亢推渲苓厙鷰r的網(wǎng)格劃分密度。

表1 圍巖模型參數(shù)設(shè)置

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 未支護條件下數(shù)值模擬及結(jié)果分析

中央泵房的巖體在開挖后，圍巖會產(chǎn)生應(yīng)力并且將應(yīng)力釋放，造成圍巖內(nèi)部應(yīng)力進行重新分布，在泵房硐室拱頂、兩墻、壁龕拱部、吸水井底部和外側(cè)位移較大，其中，在開挖后拱頂?shù)淖畲笪灰聘哌_600mm，壁龕一側(cè)墻體、無壁龕一側(cè)墻體、吸水井底部和外側(cè)的最大位移分別為：637mm，450mm，300mm，具體變化如圖1(a)所示。根據(jù)圖1(b)得到開挖后中央泵房圍巖遭到嚴重破壞，大部分圍巖進入塑性區(qū)域，圍巖發(fā)生塑性剪切破壞，分析圍巖破壞的主要原因為開挖后圍巖的抗剪強度較小引起的。從圖1(c)和圖1(d)得到拱部、兩墻、壁龕拱部、配水巷和拐角位置為主要的應(yīng)力釋放位置，最大壓應(yīng)力為20MPa，上述范圍內(nèi)圍巖發(fā)生的破壞主要是由于此區(qū)域內(nèi)支護強度不夠造成的，故這幾個區(qū)域是該工程的支護重點。

圖1 圍巖開挖后模擬結(jié)果圖

2.2.2 方案一(錨、網(wǎng)、噴)支護數(shù)值模擬及結(jié)果分析

錨、網(wǎng)、噴支護采用規(guī)格100mm×100mm金屬網(wǎng)孔和1000mm×2000mm金屬網(wǎng)片，錨桿支護參數(shù)見表2。噴射混凝土為C20，水灰比大小為0.48，噴射厚度為100mm。數(shù)值模擬圍巖模型中共有單元35285個，節(jié)點數(shù)目為44667個，錨、網(wǎng)、噴支護結(jié)構(gòu)模型共有單元個數(shù)為7807個，節(jié)點個數(shù)為7240個。錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)置為50kN。

表2 錨桿支護參數(shù)

通過對錨、網(wǎng)、噴支護條件下圍巖應(yīng)力及位移的模擬，得到支護后泵房圍巖豎直方向和水平方向位移、應(yīng)力，錨桿受力的模擬結(jié)果圖，如圖2所示。

圖2 錨、網(wǎng)、噴支護方案模擬結(jié)果圖

1)泵房圍巖位移：由圖2(a)看出，泵房和壁龕拱頂出現(xiàn)最大豎向位移，最大沉降量為279.7mm，在吸水井的底部出現(xiàn)最大底鼓，底鼓大小為102.2mm。由圖2(b)可得，最大水平方向位移為166.8mm，出現(xiàn)在泵房壁龕一側(cè)墻體位置處，而無壁龕一側(cè)墻體水平方向位移為155.2mm，吸水井外側(cè)向內(nèi)側(cè)變形125mm。支護效果與開挖后未支護相比，圍巖變形得到了較好控制，尤其是對兩墻體的位移控制，支護效果較為明顯。從整體支護效果看，圍巖變形量仍然偏大，大部分的噴層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂，甚至脫落，使噴層支護結(jié)構(gòu)失去支護作用。

2)泵房圍巖受力：由圖2(c)和圖2(d)中圍巖的豎直方向和水平方向應(yīng)力可知，破壞區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力與未支護時相比有一定程度的減小，應(yīng)力控制在10MPa以下，拱頂、兩墻、壁龕拱部和配水巷位置處為主要的應(yīng)力釋放位置。從錨、網(wǎng)、噴支護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點上看，此結(jié)構(gòu)未形成閉合式支護結(jié)構(gòu)，造成圍巖與噴層位置處應(yīng)力分布不均勻，出現(xiàn)兩種復(fù)雜受力情況(受拉、受壓)。

2.2.3 方案二(錨、網(wǎng)、索、噴)支護數(shù)值模擬及結(jié)果分析

采用錨、網(wǎng)、索、噴支護方案，錨索模擬參數(shù)設(shè)置見表3，錨索與錨桿相互錯開，均勻分布，錨桿、噴射混凝土與錨、網(wǎng)、噴方案相同，壁龕和吸水井斷面混凝土襯砌厚300mm。所建立的錨、網(wǎng)、索、噴支護結(jié)構(gòu)模型共有單元數(shù)為8452個，節(jié)點數(shù)目為8014個。

表3 錨桿、錨索支護參數(shù)設(shè)置

通過對錨、網(wǎng)、索、噴支護條件下圍巖應(yīng)力及位移的模擬，得到支護后泵房圍巖豎直方向和水平方向位移、應(yīng)力的模擬結(jié)果圖，如圖3所示。

圖3 錨、網(wǎng)、索、噴支護方案模擬結(jié)果圖

1)圍巖位移：由圖3(a)和圖3(b)得到，最大沉降量為143mm，與錨網(wǎng)噴支護出現(xiàn)的位置相同，仍為拱頂和壁龕拱部，吸水井底部的最大底鼓量為44.5mm。壁龕位置處的直墻出現(xiàn)最大水平方向位移，其值為78.5mm。

2)圍巖應(yīng)力：在圖3(c)和圖3(d)中，圍巖應(yīng)力既有壓力又有拉力，與錨網(wǎng)噴支護結(jié)構(gòu)圍巖受力相同，但圍巖應(yīng)力大小有了明顯的降低，錨桿的應(yīng)力也有所減小，這是圍巖內(nèi)部應(yīng)力重分布造成的。

2.2.4 方案三(錨、網(wǎng)、索、噴、注)支護數(shù)值模擬及結(jié)果分析

采用錨、網(wǎng)、索、噴、注支護方案對中央泵房圍巖進行支護時，錨、網(wǎng)、索、噴、注支護結(jié)構(gòu)中的錨桿、金屬網(wǎng)、錨索及噴射混凝土參數(shù)與錨、網(wǎng)、索、噴支護結(jié)構(gòu)相同，注漿錨桿采用Φ22mm×2000mm，間距為1600mm×1600mm。在錨桿內(nèi)注漿的主要作用是加強硐室圍巖范圍內(nèi)的粘聚力、抗拉及抗剪強度，在對錨桿進行注漿后，取擴散半徑為注漿漿液最小值，故注漿后漿液的擴散半徑取1.5m[14]，巖石強度提高程度按1.5倍考慮[10]，注入錨桿的混凝土漿液采用P042.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.6，注漿壓力范圍為1.5～2.0MPa；建立的錨、網(wǎng)、索、噴、注支護結(jié)構(gòu)模型中共包含模擬單元個數(shù)為8965個，節(jié)點數(shù)目為8698個。

通過對錨、網(wǎng)、索、噴支護條件下圍巖應(yīng)力及位移的模擬，得到在錨、網(wǎng)、索、噴、注支護方案支護后泵房圍巖豎向和水平位移、應(yīng)力的模擬結(jié)果圖，如圖4所示。

圖4 錨、網(wǎng)、索、噴、注支護方案模擬結(jié)果圖

1)圍巖位移：由圖4(a)中得到，豎直方向上最大位移主要出現(xiàn)在圍巖的泵房和壁龕拱部，吸水井外側(cè)的位移為12.5mm，而其底板位置處出現(xiàn)最大底鼓量，其值為16.6mm，壁龕拐角處的位移有明顯的減??；由圖4(b)得到，泵房有壁龕和無壁龕一側(cè)的最大水平方向位移量，其值分別為15.9mm、13.3mm。綜上所述可得：泵房圍巖在注漿情況下，豎直方向和水平方向的位移都有較大程度的降低，加固效果更佳。

2)圍巖、襯砌受力：如圖4(c)和圖4(d)所示，與不注漿支護結(jié)構(gòu)相比，圍巖和混凝土襯砌在注漿條件下，應(yīng)力分布更加均勻，注漿后圍巖的受壓應(yīng)力維持在5MPa左右，兩幫和拱部均攤荷載，并未出現(xiàn)拉應(yīng)力和應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.3 不同支護方案圍巖位移和受力分析

根據(jù)模擬結(jié)果，得到圍巖在不同支護條件下，位移和應(yīng)力均發(fā)生不同程度的變化，具體數(shù)值見表4，利用origin數(shù)據(jù)繪圖軟件，對圍巖在不同支護條件下位移和應(yīng)力變化進行繪制，得到位移和應(yīng)力的變化趨勢，如圖5所示。

表4 不同支護條件下圍巖位移和應(yīng)力值

圖5 不同支護條件下圍巖位移和應(yīng)力變化規(guī)律

由圖5看出，圍巖在無支護結(jié)構(gòu)時的位移和受力均大于有支護結(jié)構(gòu)時的位移和受力，根據(jù)線段斜率，可以看出錨網(wǎng)噴支護對位移和受力的減小幅度最大，尤其是壁龕一側(cè)墻體最大位移，與未支護相比減少了470.2mm，對拱頂、無壁龕一側(cè)墻體、吸水井底部、吸水井外部的位移與未支護情況相比分別減小320.3mm、294.8mm、197.8mm、175mm，受力減小了10MPa；在錨索噴支護的基礎(chǔ)上，注漿與不注漿位移和受力變化幅度也較大，注漿支護對拱頂、壁龕一側(cè)墻體、無壁龕一側(cè)墻體、吸水井底部、吸水井外部的位移與不注漿情況相比分別減小127.1mm、61mm、62.9mm、4.7mm、28.5mm，由此看出注漿與不注漿支護對吸水井底部最大位移減小幅度很小，但對其它圍巖部位的最大位移減小幅度較大。根據(jù)錨網(wǎng)索噴注支護方案模擬最大位移和受力中可以看出，本次中央泵房最佳的支護方案為錨網(wǎng)索噴注支護方案，此支護方案不但使圍巖各部位最大位移大幅度減小，且圍巖受力也較小，分析原因是隨著支護加固的增強，圍巖區(qū)域內(nèi)巖體力學(xué)性能增強，應(yīng)力有所轉(zhuǎn)移，使得圍巖受力能力增強。

3 結(jié) 論

1)通過對不同支護方案的模擬結(jié)果進行對比，從圍巖受力、位移、塑性區(qū)域分布以及支護結(jié)構(gòu)的受力和位移變化等角度來驗證錨、網(wǎng)、索、噴、注支護結(jié)構(gòu)具有最佳的支護效果。泵房硐室經(jīng)過錨注支護后，圍巖的物理和力學(xué)性能都得到了較大改善，使支護范圍內(nèi)的圍巖承載能力和變形能力有一定程度的增強，促使圍巖具有良好的穩(wěn)定性和整體性，并且提高了圍巖的讓壓和抵抗變形的能力。

2)錨注技術(shù)的核心是高強度、高剛度、高預(yù)應(yīng)力錨桿和及時支護，能夠有效的控制巷道的變形，錨注支護在對錨桿同一施加相同的預(yù)緊力時，又允許巷道存在一定的變形，使圍巖和支護結(jié)構(gòu)形成一個整體，形成一個加固體，進一步增加了泵房圍巖的整體性和穩(wěn)定性，從而對減小圍巖變形有利。

3)基于錨網(wǎng)索噴注的支護方案，有效地控制了千米深度中央泵房硐室的穩(wěn)定性和安全性，達到了較佳的支護效果，推廣價值大，為以后相近條件下泵房硐室圍巖支護提供了一定的指導(dǎo)作用。