基于FLAC3D的深部軟巖巷道變形破壞機理及加固技術(shù)研究

吳 標(biāo)，吳 彬，龔 琰，渠紅霞，李得建

(湖北正平水利水電工程質(zhì)量檢測有限公司，湖北 武漢 430000)

近年來，我國中東部礦井淺部煤炭資源開采殆盡，紛紛轉(zhuǎn)向深部煤炭資源開采[1-2]。在深部開采中，巷道的穩(wěn)定性受三高一擾動影響極大，開挖與日常維護異常困難，需多次的返修才可保證其正常使用，返修產(chǎn)生很大費用以及加大時間成本，嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益[3-4]。

在國內(nèi)，很多專家學(xué)者對深井軟巖巷道穩(wěn)定性控制方面攻堅克難。李為騰等[5]認(rèn)為深井軟巖巷道錨網(wǎng)噴支護是具有局限性的，具有一定剛度和強度的拱架是控制圍巖穩(wěn)定有效手段。王連國等[6]根據(jù)深部軟巖巷道失穩(wěn)、破壞特征的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，提出了以注漿錨索和注漿錨索為主體的深-淺耦合全斷面錨注支護體系?？导t普等[7]對深井巷道(超過1 000 m)支護的難題，研究不同支護方式與參數(shù)下超1 000 m深井巖巷圍巖變形、破壞特征，提出高預(yù)應(yīng)力、高強度錨桿與錨索及注漿聯(lián)合支護加固方式。柏建彪等[8]認(rèn)為提高圍巖強度、轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力以及采用合理的支護技術(shù),是控制深部巷道變形的基本方法。孫曉明等[9]認(rèn)為巷道變形破壞主要是由于支護體力學(xué)特性和圍巖力學(xué)特性在強度、剛度及結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)不耦合造成的，實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定性控制關(guān)鍵是要做到支護體和圍巖相耦合。

本文以趙樓煤礦深井軟巖巷道為研究對象，分析了該井-900 m井底車場巷道在原錨網(wǎng)噴支護環(huán)境下，巷道出現(xiàn)的大變形特征及其失穩(wěn)破壞機制，提出錨桿錨索+二次錨注耦合支護方案，從而實現(xiàn)對該軟巖巷道圍巖的有效控制。

1 工程概況

趙樓煤礦屬深井煤礦，位于巨野煤田中部區(qū)域，設(shè)計規(guī)模生產(chǎn)擴大到300萬t/a，-900 m處的井底車場巷道地質(zhì)條件為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖等，巷道圍巖體顯然出現(xiàn)軟弱、裂隙發(fā)育、吸水?dāng)U張的特點，宏觀表現(xiàn)達26.3 MPa的應(yīng)力值。這些因素導(dǎo)致原有支護失效，使得巷道穩(wěn)定性較差。另趙樓煤礦-900 m井底車場巷道的嚴(yán)重變形開挖后即發(fā)生，包括兩幫均嚴(yán)重收斂，底鼓嚴(yán)重等大變形現(xiàn)象。巷道斷面形狀設(shè)計為直墻半圓拱型，巷道寬5 000 mm，高3 950 mm，直墻段高1 450 mm。

2 巷道失穩(wěn)破壞機理分析

2.1 巷道圍巖強度

深井巷道支護受圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的影響嚴(yán)重。-900 m井底車場大巷圍巖主要有砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖，各巖石的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 圍巖參數(shù)

由表1可知趙樓煤礦深部巷道圍巖巖性較差，巖石強度較低，這使得巷道開挖后很快就產(chǎn)生較大的變形。此外巷道的開挖破壞了圍巖體的整體性，產(chǎn)生的松動裂隙延伸到圍巖深部，水在裂隙中不斷擴散，一方面降低了圍巖體的強度，加劇了圍巖體的松散破碎程度，另一方面由于巖體中含有親水性強的礦物，遇水后體積膨脹使巷道變形急劇增長。

2.2 地應(yīng)力

對巷道圍巖穩(wěn)定性的重要影響因素其中包括地應(yīng)力的大小、方向。趙樓煤礦井底車場巷道-900 m處原巖應(yīng)力場中水平應(yīng)力為主應(yīng)力，最大水平應(yīng)力26.3 MPa，方向為NE75～83°；另巷道垂直應(yīng)力達17.5 MPa。實測數(shù)據(jù)表明，水平應(yīng)力高于垂直應(yīng)力1.5倍，在較高的地應(yīng)力環(huán)境下，巷道圍巖體巖性指標(biāo)惡化，巷道兩幫所受載荷較大，圍巖內(nèi)出現(xiàn)擠壓、剪切破壞現(xiàn)象，引起塑性區(qū)和破裂區(qū)范圍的擴大，特別是巷道底板、頂肩部位碎裂嚴(yán)重。

2.3 斷面形狀

國內(nèi)目前的煤礦巷道的形式常采用梯形或直墻拱形，該類形式底板無法形成起拱作用，導(dǎo)致底鼓量較大。經(jīng)數(shù)值分析，相同因素下，直墻半圓拱的底鼓量最少是圓形巷道底鼓量的1/3。

有研究表明，巷道的頂?shù)装鍘r層性質(zhì)和支護狀況基本相同的條件下，只是巷道頂?shù)仔螤钌系牟町悾涂墒沟坠牧勘鹊装逑鲁亮吭龃?/3 左右[4]。趙樓煤礦巷道斷面形狀為直墻拱形，底鼓量是兩幫收斂值的2倍左右，此外該深部巷道變形后，自動趨向于圓形斷面發(fā)展趨勢。

3 新支護措施

3.1 支護方案確定

針對目前-900 m井底車場大巷在原有支護基礎(chǔ)上出現(xiàn)大變形特征及機理，基于增強圍巖自身強度和支護抗變形能力的主導(dǎo)思想，最終采取錨桿錨索+二次錨注耦合支護方式。首先采用錨桿錨索支護手段控制頂板下沉、兩幫及底板的擠壓變形，所選錨桿的原則是其長度要大于圍巖塑性區(qū)半徑，確保其錨固點處于巷道變形破壞區(qū)域外的相對堅固的穩(wěn)定巖層內(nèi)，使錨固力和錨固點達到穩(wěn)定的作用，使圍巖變形量大大減少，避免巷道失穩(wěn)和冒頂事故的發(fā)生。與錨桿相比，預(yù)緊力錨索具有深錨固、錨固力大的優(yōu)點，其著力點能夠處于完整性較好的圍巖深層彈性區(qū)巖體中，充分地發(fā)揮其懸吊作用，并通過深部圍巖強度來實現(xiàn)對淺部圍巖的支護，分擔(dān)作用在錨桿上的拉力和剪應(yīng)力，避免錨桿在發(fā)揮錨固作用前出現(xiàn)拉斷、剪斷的現(xiàn)象。這樣錨桿錨索在錨固區(qū)內(nèi)就會形成相互銜接、相互疊加的具有一定支護強度的圍巖承載支護體系[10]。然后通過錨桿注漿的方式提高頂板、兩幫圍巖強度，從而保證巷道圍巖和整個支護系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2 支護參數(shù)選擇

1) 錨桿：錨桿采用直徑22 mm的高強樹脂錨桿，長度為2 200 mm，錨桿材質(zhì)不低于HRB400。采用加長錨固的形式，錨固長度為1 200 mm，幫部和底板錨桿錨固力不小于170 kN，頂板錨桿錨固力不小于150 kN，錨桿托盤采用高強方球型托盤，錨桿間排距為800 mm×800 mm。

2) 錨索：巷道兩幫對稱處布置6根直徑為22 mm、長為7 000 mm的錨索，間排距為1 600 mm×1 600 mm，錨索預(yù)緊力大于150 kN，錨索托盤采用鼓形托盤，具體如圖1(a)所示。

圖1 新支護材料及參數(shù)圖(mm)

3) 金屬網(wǎng)與噴漿：用D6 mm的冷拔鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)孔大小為80 mm×80 mm，每個網(wǎng)面的搭接長度為100 mm。噴漿材料：單一普通硅酸鹽水泥漿液，噴漿料配比為水泥∶黃沙∶石子∶速凝劑=1∶2 ∶2∶0.04，采用P·C32.5級普通硅酸鹽水泥，噴層厚度為100 mm，強度C20。

4) 錨注加固支護參數(shù)：在巷道兩幫和底板布置間排距為1 800 mm×1 800 mm的中空高強注漿錨桿，注漿深度分別為4 000 mm(兩幫)和3 500 mm(底板)，具體如圖1(b)所示。注漿材料采用水泥-水玻璃漿液，注漿壓力為1.5～2.5 MPa，注漿時間為25～30 min。

3.3 新支護方案的數(shù)值分析

由圖2(a)分析得到，水平位移變化在兩幫淺部圍巖到深部圍巖幅度較小，深部圍巖某處位置位移最終減小為零。兩幫圍巖位移變形分布呈碟型對稱特點。左幫圍巖水平位移量56.8 mm，右?guī)?4.2 mm。由圖2(b)分析得到，巷道頂?shù)装宕怪蔽灰谱冃纬氏锏乐行幕境蕦ΨQ的特點。其中巷道頂板下沉量為65 mm，底鼓量為64 mm。兩幫、頂?shù)装宓奈灰屏刻幱诳刂品秶鷥?nèi)。

從圖3可以看到，兩幫的垂直應(yīng)力峰值區(qū)距巷道周邊較近，基本呈現(xiàn)出對稱分布，新支護完成后，巷道在垂直應(yīng)力峰值35.5 MPa(2倍原巖應(yīng)力)和水平應(yīng)力峰值情況下不會產(chǎn)生破壞，這是由于隨著巷道支護強度和圍巖強度的不斷加大，改善了巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，其自承能力得到了充分的發(fā)揮，使得垂直應(yīng)力峰值區(qū)向巷道幫部方向靠近，圍巖內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)增加，促進了巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖3 巷道應(yīng)力場云圖

4 現(xiàn)場試驗

為了檢驗該支護方案的效果，在該巷道試驗段布置一個監(jiān)測斷面，采用十字交叉法布置方式，測點分別位于巷道的頂板、底板、兩幫4個位置，每個測站的距離為50 m，主要是監(jiān)測巷道在錨桿錨索+二次錨注耦合支護方式下的圍巖表面位移，結(jié)果如圖4所示。在觀測前20 d內(nèi)，巷道表面位移急劇增加，圍巖變形量較大，在其后的20～40 d的觀測期時間內(nèi)，巷道表面位移緩慢增加。40 d觀測期間，巷道表面位移曲線平穩(wěn)，圍巖表面趨于穩(wěn)定，巷道兩幫與頂?shù)装逦灰谱兓€平穩(wěn)一致。

圖4 巷道位移量-時間關(guān)系曲線圖

5 結(jié) 語

1) 該深井軟巖巷道失穩(wěn)破壞因素主要是水的作用、高地應(yīng)力、指向性失穩(wěn)破壞及支護不當(dāng)?shù)?，初期破壞形式主要是大變形、支護結(jié)構(gòu)失效、圍巖連續(xù)性變形等特點。

2) 提出錨桿錨索+二次錨注耦合支護方式，并通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D對其支護效果進行分析，結(jié)果表明：采用該方案后，巷道頂板下沉量為65 mm，底鼓量為64 mm，左幫圍巖水平位移量達到56.8 mm，右?guī)瓦_到54.2 mm，且能承受較大圍巖壓力。

3) 現(xiàn)場試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，采用錨桿錨索+二次錨注耦合支護方式后，巷道兩幫最終位移量達到125.4 mm，頂?shù)装遄罱K位移量達到98 mm。巷道圍巖變形得到了有效的控制，支護系統(tǒng)安全可靠，為類似深井高應(yīng)力軟巖巷道支護提供了參考。