深部軟巖小角度斜交巷道綜合控制技術及其應用

陳 剛

(天津大學建筑工程學院, 天津 300350)

在井下工程中經(jīng)常會出現(xiàn)兩條或多條巷道水平相交的情況,由于巷道交叉的影響,工作臨空面增大,附近圍巖會發(fā)生應力疊加效應,導致巷道圍巖受擾動變形、松散破碎[1-2]。尤其是位于深部軟弱、破碎地層的巷道,巖體本身的大變形、高地壓特性已經(jīng)增大了巷道的支護難度,再加上交叉點施工的復雜擾動,極易誘發(fā)支護體系的局部或整體失穩(wěn),對巷道結(jié)構(gòu)的有效支護及安全運營帶來了巨大挑戰(zhàn)[3]。

現(xiàn)階段,井巷工程中對于交岔部位的治理方式主要以局部加強為主[4],多位專家、學者關于深部交叉巷道支護及穩(wěn)定性措施等方面開展過針對性的研究。這些研究,或以數(shù)值仿真及模型試驗等手段對新掘巷道不同工序情況的應力狀態(tài)及變形特性進行研究[5-7],或基于現(xiàn)場實踐探討高地壓、圍巖強度等地質(zhì)因素對巷道穩(wěn)定性的影響[8-9]?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn),目前有關立體交叉或平面大角度交叉巷道的加固研究較多[5-10],但對于小角度斜交巷道存在中間巖柱情況的穩(wěn)定性控制鮮有深入探討。由于巷道設計條件不同,相交部位的應力集中程度必然有所差異,這將導致不同交匯方式所需采取的加強范圍有所不同?，F(xiàn)有研究表明[11],相交部位角度過小不利于巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,巖柱變形有向尖頂端偏移的趨勢。

針對小角度斜交巷道開挖穩(wěn)定性及支護問題,依托潘四東礦地質(zhì)環(huán)境復雜的1203下順槽聯(lián)絡巷與主運大巷斜交工程,通過分析巷道施工引起的中間巖柱變形機理,提出兩種針對性的掘進支護方案,基于不同工況的數(shù)值仿真分析,研究了不同加固措施下的圍巖變形特性及加固效果。

1 斜交巷道失穩(wěn)機理

1.1 交岔部位拱頂失穩(wěn)

為了減少深部圍巖應力集中現(xiàn)象,充分發(fā)揮拱頂上部巖體的承載能力,軟巖巷道大多選用直墻拱形結(jié)構(gòu)[12]。如圖1所示,如果兩條斜交巷道在交岔部位貫通,形成較大范圍臨空面,受深部高地壓、施工擾動等因素影響,不能形成受力合理的承載拱結(jié)構(gòu),難以向兩側(cè)圍巖穩(wěn)定傳遞壓力,將在巷道頂板交匯部位發(fā)生應力集中,引起支護系統(tǒng)出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞。所以,在斜交巷道交匯區(qū)域,必須對上部拱結(jié)構(gòu)進行合理加強,確保上部巖體結(jié)構(gòu)的完整性,使頂板荷載穩(wěn)定傳遞至兩側(cè)圍巖,防止頂板出現(xiàn)非線性的較大沉降變形。

圖1 斜交巷道相對位置示意圖

1.2 斜交區(qū)域巖柱失穩(wěn)

兩條巷道從斜交中心逐漸分離,巷道中間銳角夾角一側(cè)存在一個近似三棱柱狀的巖柱體(圖1),承受兩側(cè)巷道上方的大部分覆巖重量,中間巖柱的整體承載性能對軟巖巷道的穩(wěn)定至關重要。巷道施工期間,中間巖柱由于硐室作業(yè)的多次擾動,在兩側(cè)臨空面巖土逐漸清移的過程中,側(cè)面約束力逐漸減小,應力狀態(tài)從初始穩(wěn)定狀態(tài)漸變?yōu)椴环€(wěn)定的雙向受力狀態(tài)。由于巖柱側(cè)向束縛的缺失,其向兩側(cè)巷道內(nèi)部的橫向變形得以發(fā)展,引起局部應力集中程度逐漸增大。隨著巖柱體的橫向變形逐漸發(fā)展,導致其出現(xiàn)豎向壓縮,并最終表現(xiàn)為過大的豎向位移,誘發(fā)巖柱碎裂、塌落等失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 斜交巷道加固控制措施

斜交巷道的預留巖柱是不規(guī)則的棱柱體,在有限的作業(yè)空間內(nèi)反復受到施工擾動,引起巖體邊緣出現(xiàn)塑性損傷[13]。所以,約束中間巖柱邊緣的橫向變形,防止其向巷道內(nèi)部發(fā)展,是有效增強斜交部位穩(wěn)定性的關鍵措施。具體來說,是通過加強支護措施來提高巖柱體的整體性,使臨空的巷道邊墻形成有約束的整體結(jié)構(gòu)。

2.1 鋼桁架支護

采用長錨索和U型棚構(gòu)成的立體鋼架體系,是一類高強度、大剛度的主被動結(jié)合支護措施,如圖2所示。其借助長錨索與深部圍巖的相互作用,通過錨梁將U型棚緊拉至圍巖臨空面,再利用錨索被動加固及U型棚自身剛性閉合的優(yōu)點,使得圍巖壓力均勻傳遞至巷道兩側(cè)。

圖2 空間鋼架組合體系示意圖

在加固形式上,U型棚屬于剛性加固措施、錨索屬于柔性加固方式。施工時,先實施剛性支護、后進行錨索加固,當巷道表明的圍巖變形達到棚架的剛性變形界限,嵌固于深部巖體的錨索開始產(chǎn)生拉錨效應,將巷道結(jié)構(gòu)受到的深部地壓傳遞至更深處,增強巷道結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性。

2.2 對穿錨索加固

圖3 巖柱對穿錨索加固示意圖

斜交部位的中間巖柱直接承受兩側(cè)硐室上方的荷載,且處于不穩(wěn)定的雙向受力狀態(tài)。為了改善軟弱巖柱體的受力性能、提高巖體的整體結(jié)構(gòu)性,采用施作超高預應力對穿錨索的方法來提供水平約束力。如圖3所示,從銳角巖柱一側(cè)打設多排水平深孔對穿錨索,索端利用鎖具嵌固在斜交巷道的表面,并通過錨梁對中間巖柱施加緊固力。通過控制水平預應力的量值,來約束巖柱兩側(cè)的橫向變形,達到間接降低豎向位移、增強整體承力性能的目的。

3 工程案例

深部軟弱破碎巖體的損傷致災因素較多,不同的加固措施對巷道的穩(wěn)定性控制效果存在一定差異,針對潘四東礦新掘聯(lián)絡巷斜交主運大巷的工程實際,進行深部軟巖的穩(wěn)定性控制應用研究,分析斜交巷道中間巖柱的安全性。

3.1 工程概況

潘四東礦坐落在安徽省淮南市西北部,西距蚌埠50 km,東距阜陽90 km。礦區(qū)處于褶皺沖斷帶的東西向逆沖構(gòu)造區(qū),煤礦井田以北東—南西向帶狀展開。潘四東礦1203下順槽聯(lián)絡巷位于1203工作面和主運大巷之間,聯(lián)絡巷埋深約527 m,截面形式呈直墻拱形結(jié)構(gòu),墻高2.13 m,拱高2.42 m,斷面寬4.85 m。

1203下順槽聯(lián)絡巷與主運大巷之間的夾角僅25°,且巷道揭露地層以粉細砂巖、泥質(zhì)砂巖為主,其成巖壓密時間短,巖石松軟破碎、強度低且裂隙發(fā)育,屬于特殊的深部高應力軟巖地質(zhì),對巷道的掘進安全具有關鍵影響。聯(lián)絡巷深度主要地層力學參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學參數(shù)

潘四東礦先期選用普通錨網(wǎng)噴支護,但受不良地質(zhì)因素的影響,錨桿支護難以發(fā)揮顯著優(yōu)點。為了避免壁后圍巖應力均布性差,引起兩線交岔部位發(fā)生顯著應力集中,根據(jù)潘四東礦的實際工程狀況,在新掘斜交工程實施前,提出兩種加固措施,以加快巷道的自穩(wěn)、減小圍巖的變形。分別為：①錨網(wǎng)噴+鋼桁架支護方案；②錨網(wǎng)噴+U型棚+巖柱對穿錨索加固方案。

3.2 數(shù)值仿真模型

基于有限差分軟件建立潘四東礦1203下順槽聯(lián)絡巷與主運大巷斜交部位的仿真計算模型,探討上述兩類支護措施的加固控制效果。構(gòu)建的斜交巷道仿真模型如圖4所示。

圖4 斜交巷道仿真計算模型

為減少模型邊界效應對斜交部位施工的影響,斜交范圍以外預留3倍以上洞寬的巷道長度,最終的三維模型尺寸X×Y×Z=45 m×90 m×30 m,共78 930個單元、96 312個節(jié)點。模型計算采用修正M-C彈塑性模型,將上部地層視為模型上邊界的施加荷載,底部邊界固定,四周進行水平約束。

3.3 計算結(jié)果分析

不同支護方案下,斜交巷道擴大端圍巖變形情況如圖5所示,不難得出如下結(jié)果。

(1)采用錨網(wǎng)噴+鋼桁架支護方案(方案1),巖柱兩側(cè)巷道均發(fā)生以頂沉、底臌為主的變形,變形最大約 58 mm；中間巖柱豎向壓縮沉降達到 55 mm,與兩側(cè)巷道拱頂變形量值基本相同,說明中間巖柱難以承受上部地層荷載,已經(jīng)出現(xiàn)局部塑性區(qū)貫通現(xiàn)象,發(fā)生較嚴重的變形損傷,無法滿足巷道的安全運營要求。

(2)采用錨網(wǎng)噴+U型棚+對穿錨索的綜合加固方案(方案2)進行治理后,兩側(cè)巷道拱頂沉降范圍較方案1明顯降低,僅出現(xiàn)輕微的底板隆升現(xiàn)象,巷道結(jié)構(gòu)最大變形僅約20 mm；擴大端處圍巖壓縮變形約 14 mm,較方案1減少了74.5%,結(jié)構(gòu)變形控制效果顯著,且兩巷道間未出現(xiàn)塑性范圍貫通的趨勢,說明采用對穿錨索技術能夠確保巖柱的整體穩(wěn)定性,提高深部圍巖抑制非線性流變變形的能力。

圖5 斜交巷道開挖引起的位移場云圖

為了深入分析中間巖柱的變形情況,斜交巷道施工計算過程中,分別提取巖柱尖頂端及擴大端的變形數(shù)據(jù),繪制豎向位移曲線如圖6所示。

圖6 斜交巷道開挖引起的巖柱豎向位移

采用支護方案1工況下,巖柱的豎向變形曲線如圖6(a)所示,能夠看出,兩線巷道開始施工前期,銳角巖柱尖頂端及擴大端的變形基本穩(wěn)定,二者變形范圍7～13 mm,趨勢相近；隨著施工開挖推進,尖頂端變形急劇增加,至鋼桁架施工完成后,變形速率略有下降,但降低程度并不顯著；斜交巷道施工至20 d以后,中間巖柱兩端的變形逐漸趨穩(wěn),此時尖頂端及擴大端的變形量值均超過45 mm。說明采用錨網(wǎng)噴+鋼桁架的支護方案能夠在一定程度上抑制中間巖柱的變形發(fā)展,但是其控制效果仍有待提高。

采用支護方案2工況下,巖柱的豎向變形曲線如圖6(b)所示,能夠發(fā)現(xiàn),隨著開挖工作面推進,巖柱尖頂端及擴大端的變形呈震蕩增加的趨勢,在一個開挖進尺內(nèi),當巖柱變形快速發(fā)展時,隨著對穿錨索的施工,變形曲線短期內(nèi)變得平緩；待下一進尺施工后,又呈現(xiàn)相近的規(guī)律；斜交巷道開挖完成后,巖柱兩端的變形均未超過15 mm。說明,中間巖柱在對穿錨索加固下,具有較好的結(jié)構(gòu)整體性,采用該方案可為銳角巖柱提供水平緊固力,改善巖柱的受力狀態(tài)。

4 實測驗證分析

在潘四東礦新掘聯(lián)絡巷斜交主運大巷施工時,首先進行主運大巷非交岔部位的開挖,主運大巷根據(jù)原支護方案,采用普通錨網(wǎng)噴+預應力錨索支護。待主巷二襯強度達到要求、工作面推進至交岔區(qū)域時,分別向兩側(cè)同時進行主運大巷和聯(lián)絡巷的開挖。通過前述分析,斜交巷道采用“錨網(wǎng)噴+U型棚+對穿錨索”的綜合加固方案,U型棚選用40U型鋼,間距0.6 m；根據(jù)所夾巖體的結(jié)構(gòu)和尺寸,對穿錨索的設計間排距取2.5 m×2.5 m。

現(xiàn)場施工時,對主運大巷斜交部位的拱頂豎向位移和邊墻水平位移進行實時監(jiān)測,繪制實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比曲線,如圖7所示。

圖7 實測位移及計算數(shù)據(jù)對比

可以發(fā)現(xiàn),施工初期開挖范圍較小,由于中間巖柱的托舉作用,巷道結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,拱頂變形小于邊墻的變形；在作業(yè)面向巖柱深處推進的過程中,拱頂和邊墻的變形量均逐漸增大,且由于巖柱開挖、上部地層擾動,拱頂?shù)奈灰谱兓鼮閯×?巷道施工完成后,頂板的穩(wěn)定沉降約17 mm,邊墻的穩(wěn)定位移約13 mm；對比實際監(jiān)測曲線與模擬曲線發(fā)現(xiàn),巷道拱頂及側(cè)墻的數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致,僅在巷道施工前期存在較小偏差,表明數(shù)值計算的可靠性。

5 結(jié)論

(1)深部軟弱地層中不可避免出現(xiàn)兩條或多條巷道小角度斜交的情況,由于深部巖體具有高地壓、大變形、巖性劣等典型的地質(zhì)特性,加上交叉點施工引起的應力疊加效應,導致巷道圍巖受擾動變形、松散破碎,如不進行及時、有效的高強支護,極易誘發(fā)支護體系的局部或整體失穩(wěn),給礦井開拓和采礦運輸帶來極大的挑戰(zhàn)。

(2)通過對小角度斜交巷道失穩(wěn)機理的深入分析,認為交岔部位頂板臨空以及巖柱壓縮變形是引起斜交巷道破壞的主要因素。新掘巷道交岔部位不能形成受力合理的承載拱結(jié)構(gòu),且隨著工作面推進中間巖柱的側(cè)向約束逐漸缺失,從初始穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向應力狀態(tài),所以,提升斜交部位穩(wěn)定性的關鍵是加強支護來提高巖柱的整體性。

(3)依托潘四東礦1203下順槽聯(lián)絡巷與主運大巷斜交工程,基于主、被動支護相協(xié)調(diào)的原則,提出了兩種針對性的加強支護措施,通過建立數(shù)值仿真模型,分析了不同支護措施下的圍巖變形特性及加固效果,最終選擇錨網(wǎng)噴+U型棚+對穿錨索的綜合處理方案。通過實測數(shù)據(jù)分析,采用對穿錨索技術進行巖柱加固,能夠有效改善圍巖的受力狀態(tài),控制巷道的拱頂沉降及邊墻位移,驗證了新掘斜交巷道處理方案的可行性。