高水平應(yīng)力下巷道圍巖破壞機(jī)理及其控制技術(shù)

李鵬,朱永建,王平,任恒,張玉群,王希之

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

我國進(jìn)入深部開采階段的礦井逐年增加,部分軟弱圍巖巷道布置在構(gòu)造帶附近,礦壓顯現(xiàn)比較強(qiáng)烈,圍巖變形嚴(yán)重,支護(hù)成本增高,對生產(chǎn)安全造成巨大隱患[1-4].因此,研究構(gòu)造帶影響下軟弱圍巖巷道變形特征、變形機(jī)理對巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)方法具有深遠(yuǎn)的意義.

近年來,我國許多學(xué)者對軟弱巷道圍巖變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)方面展開了研究,并取得了豐盛的成果.何滿潮[5]認(rèn)為造成軟弱巷道圍巖破壞的原因是支護(hù)體系與圍巖體系的不耦合,并提出基于深部軟巖非線性力學(xué)設(shè)計的錨索網(wǎng)耦合支護(hù)設(shè)計方法.張農(nóng)[6]等通過大量的礦山現(xiàn)場調(diào)研及巖石力學(xué)實驗研究了軟弱巷道圍巖的內(nèi)部破裂過程,得到了典型軟巖巷道圍巖呈階段性和非均勻性破裂裂隙的規(guī)律,針對性地提出分階段、分區(qū)域控制技術(shù).馬念杰[7,8]團(tuán)隊以圓形巷道為研究對象,提出了軟巖巷道圍巖破壞具有圓形、橢圓形和蝶形三種塑性區(qū)形態(tài),并給出了三種破壞形態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn),為控制技術(shù)的研究提供了方向.王衛(wèi)軍[9]認(rèn)為軟巖巷道失穩(wěn)是由于圍巖應(yīng)力場不均衡而引發(fā)的高偏應(yīng)力造成塑性區(qū)的惡性擴(kuò)展,并基于塑性區(qū)惡性擴(kuò)展原理提出了相應(yīng)的控制技術(shù).朱永建[10]認(rèn)為同一條巷道的頂板由于其影響因素之間復(fù)雜的非線性關(guān)系,穩(wěn)定性亦有所區(qū)別,并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)分類,為巷道頂板分區(qū)分類支護(hù)提供了參考依據(jù).侯朝炯[11]深入分析了底鼓和蠕變兩個軟巖巷道突出難點,將巷道底鼓特征劃分為“兩點三區(qū)”,提出底板錨桿、注漿孔深度應(yīng)深入底板巖層“零位移點”以下的巷道底鼓控制原則.

這一系列關(guān)于軟巖巷道的研究成果豐富了我國巷道圍巖控制理論與技術(shù)領(lǐng)域,然而由于地下環(huán)境的錯綜復(fù)雜,許多軟巖巷道在掘進(jìn)初期采取的控制技術(shù)可以基本控制圍巖穩(wěn)定性,但在經(jīng)歷采掘,爆破等外界活動擾動時,支護(hù)結(jié)構(gòu)失效,巷道大變形,冒頂、片幫等現(xiàn)象仍時有發(fā)生.因此,在已有研究成果基礎(chǔ)上,本文結(jié)合具體工程問題,采用現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)巖石力學(xué)實驗、理論分析等手段,研究構(gòu)造帶影響下軟弱圍巖控制機(jī)理及其控制技術(shù),探討軟巖巷道在掘進(jìn)初后期支護(hù)效果差異性影響因素所在,并有針對性地提出控制原則及支護(hù)技術(shù),進(jìn)行現(xiàn)場試驗.

1 巷道工程條件及變形特征

1.1 工程條件

圖1為所選工程段巖層綜合柱狀圖，該研究地段為平煤十礦-320 m新東大巷外段連接戊組集中運(yùn)輸巷與中區(qū)管子通道,向南為-320 m北石門,向東為戊組東區(qū)(已封閉);地面相對位置位于化工廠東部,地面標(biāo)高+160～+185 m,井下標(biāo)高-313～-314 m,工程設(shè)計長度為184 m(平距).巷道位于戊8煤層頂板以上0～4 m的砂質(zhì)泥巖中,再上為10 m以上的厚層狀細(xì)至中粒砂巖.

圖1 工程段巖層綜合柱狀圖

1.2 巷道變形特征

如圖2所示，現(xiàn)場巷道變形特征主要表現(xiàn)為以下幾點：

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)失效.巷道開挖后圍巖變形不斷發(fā)展,錨桿預(yù)應(yīng)力損失比較嚴(yán)重,托盤架空,錨桿拉出、拉斷、扭曲現(xiàn)象比較常見,破碎巖石鼓出,錨網(wǎng)被撕開,噴射混凝土開裂、垮落嚴(yán)重,支護(hù)結(jié)構(gòu)整體失效,支護(hù)阻力顯著降低.

2)拱肩內(nèi)移嚴(yán)重,直墻部分出現(xiàn)了貫通性裂縫,頂板拱部嚴(yán)重下沉,產(chǎn)生“尖桃形”破壞.圍巖的非均勻變形使得肩部產(chǎn)生嚴(yán)重壓剪破壞.

3)底鼓災(zāi)害嚴(yán)重.巷道底板支護(hù)強(qiáng)度低,圍巖應(yīng)力重新分布,變形首先發(fā)生在支護(hù)強(qiáng)度低的位置,為高應(yīng)力釋放提供空間,致使巷道底板隆起,對材料及礦物的運(yùn)輸、行人造成嚴(yán)重的影響.

圖2 現(xiàn)場巷道變形特征

2 巷道變形原因及穩(wěn)定性分析

2.1 巷道圍巖巖性較差

平煤十礦-320 m新東大巷外段連接戊組集中運(yùn)輸巷與中區(qū)管子通道位于戊8煤層頂板以上0～4 m的砂質(zhì)泥巖中,泥巖為沉積巖中典型的黏土巖,主要成分為高嶺石、微晶高嶺石、水云母等,因此,泥巖的性質(zhì)比較差,厚度薄、強(qiáng)度低、抗水性差、易軟化和泥化性質(zhì)突出,在高應(yīng)力作用下,圍巖片幫,破碎,導(dǎo)致冒頂,底鼓現(xiàn)象發(fā)生.

2.2 水平應(yīng)力大

圖3 塑性區(qū)形態(tài)演化圖

平頂山十礦基本為一單斜構(gòu)造,隨著開采年限的增加,開采深度快速增加,巷道在構(gòu)造應(yīng)力作用下,水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力,最大主應(yīng)力主要表現(xiàn)為水平應(yīng)力,側(cè)壓系數(shù)大于1[12].如圖3塑性區(qū)形態(tài)演化圖可知，在λ=1.0時,塑性區(qū)邊界為規(guī)則的圓形;伴隨著巷道周邊開采、掘進(jìn)、爆破等擾動,側(cè)壓系數(shù)逐漸增大,λ=1.5 時,塑性區(qū)半徑沿最大主應(yīng)力方向減小,塑性區(qū)沿最大、最小主應(yīng)力夾角方向開始擴(kuò)展;隨著側(cè)壓系數(shù)的進(jìn)一步增加,λ=2.0,2.5,3.0時,塑性區(qū)邊界沿最大、最小主應(yīng)力夾角方向進(jìn)一步擴(kuò)展,逐漸向“蝶形”演化.圖4為塑性區(qū)與破碎區(qū)關(guān)系，塑性區(qū)蝶葉部位作為潛在的破碎區(qū)域[13],一旦受到外界擾動,破碎區(qū)立即向蝶葉部位迅速擴(kuò)張,導(dǎo)致巷道大變形.

圖4 塑性區(qū)與破碎區(qū)關(guān)系

3 巷道圍巖破壞力學(xué)機(jī)理分析

3.1 拱部與肩部破壞機(jī)理分析

根據(jù)松動圈理論[14]計算公式(如圖5所示)：

l2=Rp-h;

(1)

(2)

圖5 計算公式示意圖

式中:l2為巷道頂板巖體破碎帶高度,m;Rp為巖體破碎帶半徑,m;圓巷h為R0,非圓巷h為等效圓中心至頂板的距離,m;R0為圓形巷道(或非圓形巷道的等效半徑)的掘進(jìn)半徑,m;γ為巖體容重,多種巖層時取加權(quán)平均容重,kN/m3;Z為巷道中心距地表深度,m;φ為巖體內(nèi)摩擦角,(°);C為巖體粘結(jié)強(qiáng)度,kN/m2.

為確保巷道的支護(hù)錨桿錨固在穩(wěn)定巖石中并提供足夠的拉拔力,錨固端長度為800 mm(須確保合適的三徑比,并根據(jù)巷道服務(wù)年限和巷道頂板穩(wěn)定性在設(shè)計時進(jìn)行調(diào)整),錨桿的外露長度0.05 m,則錨桿長度L≥0.8+0.05+1.41=2.26 m,錨桿設(shè)計長度不夠,未能延伸到塑性區(qū)范圍內(nèi),破碎區(qū)未進(jìn)行注漿固結(jié),錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)不能起到應(yīng)有的效果,導(dǎo)致錨桿脫錨等支護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失效現(xiàn)象[16].

3.2 幫部內(nèi)移機(jī)理分析

A-破碎區(qū);B-塑性區(qū);C-彈性區(qū);D-原巖應(yīng)力區(qū)圖6 巷道圍巖受力簡化分析

巷道開挖后,原巖應(yīng)力重新分布,巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中.臨近巷道圍巖受力情況由三向應(yīng)力向單向應(yīng)力轉(zhuǎn)化.巷道圍巖受力簡化分析如圖6所示.原巖應(yīng)力區(qū)D,巖石基本不受開挖影響,處于原始應(yīng)力區(qū),受三向應(yīng)力作用.靠近巷道的破碎區(qū)A處于臨空面,三向應(yīng)力轉(zhuǎn)化為雙向應(yīng)力,側(cè)向應(yīng)力不斷釋放,最終只受到頂板的自重應(yīng)力和底板的支撐力,近似可以看成是僅受單軸應(yīng)力.破碎區(qū)圍巖抗壓強(qiáng)度降低,上覆巖層自重作用大于巖石抗壓強(qiáng)度,巖石發(fā)生剪切滑移破壞,最終導(dǎo)致巷道兩幫嚴(yán)重內(nèi)移.

3.3 底鼓機(jī)理分析

巷道開挖后,形成一個自由空間,巷道布置在同一巖層層位,巷道圍巖可以近似為均勻連續(xù)介質(zhì).巷道底板主要受兩幫傳遞的豎直力以及地應(yīng)力作用,因此可以將巷道底板簡化為簡支梁模型進(jìn)行計算.

巷道底板受力簡化模型如圖7所示，F(xiàn)1,F2均為巷道兩幫對底板施加的垂直于底板的力,F3為作用到板上的地應(yīng)力,底板受力情況由圖7a簡化為圖7b.

圖7 巷道底板受力狀態(tài)

(3)

(4)

(5)

由式(4)和式(5)繪出剪力圖和彎矩圖,如圖8所示.

圖8 巷道底板受力分析

巷道開挖后底鼓災(zāi)害異常突出,從剪力圖可以看出兩幫底角剪力最大,最容易出現(xiàn)切底現(xiàn)象,假如底板軟弱,底角發(fā)生剪切破壞,巷道兩幫在水平應(yīng)力作用下對地板進(jìn)行內(nèi)擠,鼓出方向為結(jié)構(gòu)軟弱方向,即巷道臨空面,因此出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,另一方面,假如底板堅硬,在沒有出現(xiàn)切底之前,底板中間位置彎矩最大,出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)明顯的裂紋,巷道破壞進(jìn)一步惡性擴(kuò)展.

4 高水平應(yīng)力下的巷道變形控制

4.1 巷道穩(wěn)定性控制對策[15]

圖9 巷道穩(wěn)定性控制對策

巷道圍巖破碎區(qū)及塑性區(qū)形態(tài)如圖9所示[17],具體控制對策為

1)強(qiáng)化最大破壞深度圍巖強(qiáng)度.巷道開挖后,原巖應(yīng)力重新分布,應(yīng)力狀態(tài)由初始的三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向甚至是單向應(yīng)力狀態(tài),巷道周圍圍巖出現(xiàn)破碎區(qū).破碎區(qū)巖體作為非連續(xù)松散介質(zhì),其基本喪失了承載能力,而破碎區(qū)巖體變形將直接導(dǎo)致巷道的大變形[18].因此,為了控制塑性區(qū)的不斷擴(kuò)展,采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨桿強(qiáng)化破碎區(qū)圍巖強(qiáng)度,通過注漿使錨桿和錨固后的破碎區(qū)協(xié)同作用,形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu).

2)關(guān)鍵區(qū)域強(qiáng)力控制.在高水平應(yīng)力作用下,塑性區(qū)呈“蝶形”形態(tài),蝶葉部位分別位于巷道頂板兩肩(最大尺寸)及底板拱腳位置處.蝶葉部位作為潛在的破碎區(qū)域,隨著巷道服務(wù)年限的推移,一旦變形速率進(jìn)入不穩(wěn)定階段,蝶葉部位進(jìn)入破碎階段,巷道穩(wěn)定性迅速降低.在巷道上方及頂板兩肩處安裝高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索,底板拱腳安裝45°高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨桿,采用“錨桿+錨索”支護(hù)結(jié)構(gòu)提高圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦力,遏制塑性區(qū)的惡性擴(kuò)展.

4.2 控制效果

4.2.1 支護(hù)方案

如圖10所示,針對巷道穩(wěn)定性控制對策,采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力“錨桿+錨索”錨注支護(hù),具體支護(hù)參數(shù)如下:

錨桿長度的確定:錨桿長度L≥0.8+0.05+1.41=2.26 m,同時考慮到掘進(jìn)過程中其他因素,對比當(dāng)前使用錨桿型號,則應(yīng)選用Φ25 mm×2 600 mm的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨桿.

錨桿間排距確定:為保證支護(hù)系統(tǒng)有足夠的承載能力以承受頂板破壞的“靜載荷”.按靜載荷對錨桿密度計算H= 錨桿長度×圍巖容重×1 m2=7.02 t,H為每平方米錨固長度內(nèi)靜載荷;K=(每排錨桿數(shù)×錨桿屈服強(qiáng)度)÷(巷道寬度×排距)= 10.7 t,K為巷道支護(hù)系統(tǒng)每平方米提供的支護(hù)強(qiáng)度,錨桿間距取1 200 mm.

錨桿采用Φ25 mm×2 600 mm厚壁無縫鋼管滾絲預(yù)應(yīng)力注漿錨桿,間排距1 200 mm ×1 400 mm.

錨索支護(hù)參數(shù):錨索采用Φ22 mm×7 300 mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索,間排距1 200 mm ×1 400 mm.

注漿:采用新型預(yù)應(yīng)力注漿復(fù)合料,425硅酸鹽水泥.按水灰比0.5∶1.0在水中加入425硅酸鹽水泥,同時加水泥量8%的預(yù)應(yīng)力注漿復(fù)合料添加劑,邊加入邊攪.注漿時,每排自兩幫最下部的中空錨注錨索(桿)開始、逐根向上進(jìn)行.

圖10 支護(hù)方案

4.2.2 數(shù)值模擬對比分析[19]

通過數(shù)值模擬計算6 000步對上述支護(hù)方案進(jìn)行驗證,圖11為巷道位移云圖,圖12為巷道變形曲線圖.由圖12可以看出,該支護(hù)方案在數(shù)值模擬計算至3 000步時,巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定,其中,頂?shù)装遄冃尉闯^50 mm,兩幫變形不超過25 mm.數(shù)值模擬結(jié)果驗證了所提支護(hù)方案足以支護(hù)該巷道.

圖11 巷道位移

圖12 巷道變形曲線

4.2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

如圖13所示為注漿支護(hù)后的巷道情況,在3個月的觀測期內(nèi),所維修巷道的表面變形基本為零,3年內(nèi)的巷道表面變形最大處僅僅為15 mm,與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,從工程上驗證了所提支護(hù)方案的可行性,真正實現(xiàn)了巷道維修后的零修復(fù),為煤礦的安全生產(chǎn)提供了最基本的保障.

圖13 現(xiàn)場效果

5 結(jié)論

1)塑性區(qū)擴(kuò)展范圍最終大于錨固范圍是造成圍巖變形破壞的主要原因.

2)巷道兩肩和拱腳處首先破壞,以剪切破壞為主,其中頂板破碎帶高度可達(dá)1.41 m,為錨桿型號的選取和參數(shù)的設(shè)計提供了理論依據(jù).

3)根據(jù)高水平應(yīng)力下的巷道變形特點,提出“強(qiáng)化最大破壞深度圍巖強(qiáng)度,巷道關(guān)鍵區(qū)域強(qiáng)力控制”原則的巷道穩(wěn)定性對策,旨在通過提高破碎圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦力,賦予破碎圍巖再次承載能力,達(dá)到巷道圍巖整體穩(wěn)定的目的.

4)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力“錨桿+錨索”聯(lián)合錨注支護(hù)控制技術(shù)可以有效控制圍巖變形.