富水弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖變形破壞特征分析

賈俊超，劉 陽

(1.中赟國際工程有限公司，河南 鄭州 450000； 2.河南省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000)

弱膠結(jié)軟巖作為一種不良地質(zhì)體，在我國西部礦區(qū)煤系地層中普遍存在[1-2]。由于它具有強(qiáng)度低、膠結(jié)性差、遇水易泥化崩解等特點(diǎn)，故常常導(dǎo)致在其內(nèi)部修建的巷道圍巖變形量大，支護(hù)困難，甚至出現(xiàn)冒頂、坍塌等事故，嚴(yán)重威脅煤礦安全高效開采[3-5]。

為研究弱膠結(jié)軟巖巷道科學(xué)合理的支護(hù)方式，近年來，眾多煤炭科技工作者們進(jìn)行了大量有益的研究工作，取得了很多具有代表性的成果。王進(jìn)學(xué)等[6]提出錨桿錨索耦合支護(hù)設(shè)計方案，并利用FLAC對巷道支護(hù)的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值計算，計算結(jié)果表明，對巷道底板塑性區(qū)域內(nèi)的滑移體進(jìn)行關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)可以有效控制巷道底鼓的發(fā)生和發(fā)展。張德寶等[7]以東勝井田某礦主斜井弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)工程為研究對象，通過室內(nèi)試驗分析弱膠結(jié)軟巖遇水軟化機(jī)理，通過理論計算，提出全斷面錨網(wǎng)噴架支護(hù)方案并給出具體支護(hù)參數(shù)。李清等[8]通過研究楊家村礦弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖變形機(jī)制，指出直墻半圓拱形巷道與錨網(wǎng)索噴支護(hù)技術(shù)能有效改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖承載能力；郝育喜等[9]結(jié)合沙吉海煤礦現(xiàn)場實際對巷道變形破壞機(jī)理進(jìn)行研究，提出恒阻大變形錨桿+鋼筋網(wǎng)+混凝土噴層+恒阻大變形錨索+底角注漿錨管的支護(hù)方案；孫振偉等[10]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等手段，對弱膠結(jié)軟巖巷道底鼓變形機(jī)理進(jìn)行研究，提出連續(xù)抗滑樁支護(hù)的新方式。

上述研究成果為弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制提供了寶貴意見，但這些研究卻很少考慮地下水滲流對弱膠結(jié)軟巖性質(zhì)的影響。為此，本文以色連二礦12307矩形回風(fēng)巷為工程背景，考慮采空區(qū)積水下滲對弱膠結(jié)軟巖強(qiáng)度的影響，采用FLAC3D對新舊2種方案(舊方案為錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，新方案為“鋼筋網(wǎng)+全錨索+混凝土地坪”聯(lián)合支護(hù))下弱膠結(jié)軟巖巷道的應(yīng)力、變形、塑性區(qū)等分布特征進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。研究可為實際巷道施工提供指導(dǎo)，也可為其他類似工程支護(hù)方案比選提供借鑒。

1 工程概況

色連二礦12307矩形回風(fēng)巷凈寬5.0 m、凈高2.6 m，平均埋深320 m。其周邊20 m范圍內(nèi)巖層由上往下依次為弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖、裂隙較為發(fā)育的細(xì)砂巖和中砂巖、弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖、煤巖、弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖以及粉砂巖，如圖1所示[11-12]。巷道舊支護(hù)方案為錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，如圖2所示。頂板以及兩幫錨桿均采用直徑20 mm、長2.5 m的螺紋鋼錨桿，間排距分別設(shè)為880 mm×900 mm和750 mm×900 mm；頂錨索采用直徑17.8 mm、長7.3 m的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距設(shè)為1.6 m×1.8 m；金屬網(wǎng)則采用10號菱形金屬網(wǎng)。

圖1 巷道周邊地層分布Fig.1 Stratum distribution map around roadway

圖2 巷道舊支護(hù)方案設(shè)計Fig.2 Design of old roadway supporting scheme

由于受第1層砂質(zhì)泥巖上方12206采空區(qū)積水的影響，12307巷道頂板中細(xì)砂巖富含巖層裂隙水，致使巷道掘進(jìn)期間頂?shù)装迳百|(zhì)泥巖因淋水而產(chǎn)生泥化以及膨脹現(xiàn)象，最終造成周邊錨桿索突出，金屬網(wǎng)撕裂，頂?shù)装遄冃螄?yán)重，給煤礦安全開采帶來嚴(yán)重困難。為此，針對12307巷道圍巖變形破壞原因，礦上提出了如圖3所示的“鋼筋網(wǎng)+全錨索+混凝土地坪”的新支護(hù)方案，在該支護(hù)方案中，頂板采用“橫向M鋼帶+縱向槽鋼梁+鋼筋網(wǎng)噴射混凝土+長短錨索”聯(lián)合支護(hù)，長錨索采用直徑21.3 mm、長8.3 m的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距設(shè)為1.4 m×1.8 m，短錨索采用直徑17.8 mm、長5.3 m的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距設(shè)為880 mm×900 mm；兩幫采用“縱向槽鋼梁+鋼筋網(wǎng)噴射混凝土+短錨索”聯(lián)合支護(hù)，錨索采用直徑17.8 mm、長5.3 m的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距設(shè)為750 mm×900 mm；底板采用混凝土地坪封底。

圖3 巷道新支護(hù)方案設(shè)計Fig.3 New supporting design of roadway

2 巷道開挖數(shù)值模擬模型

為研究新舊兩種支護(hù)方案對12307回風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定性的影響，采用FLAC3D建立如圖4所示的三維巷道開挖數(shù)值模擬模型。該模型長55 m、寬60 m、高48 m，共劃分為243 600個單元和255 529個節(jié)點(diǎn)。模型力學(xué)邊界條件定義為底面固定、四周水平位移約束，頂面施加垂直應(yīng)力7.2 MPa。模型水力邊界則定義為底面以及四周不透水，頂面施加水壓0.6 MPa。

圖4 巷道開挖數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model of roadway excavation

不同巖層采用摩爾—庫侖模型進(jìn)行模擬，其破壞準(zhǔn)則如式(1)所示，當(dāng)考慮圍巖滲水對弱膠結(jié)軟巖強(qiáng)度影響時[13-15]，減小弱膠結(jié)軟巖的天然內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角值(表1)。此外，為研究采空區(qū)積水對巷道的影響，設(shè)置巖體水力模型為各向同性滲透模型進(jìn)行滲流模擬，流固耦合方程見式(2)。

表1 巷道周邊不同巖層的力學(xué)與滲透參數(shù)Tab.1 Mechanical and permeability parameters of different rock formations around roadway

(1)

式中，f為屈服函數(shù)；σ1和σ3分別為最大和最小主應(yīng)力；c為圍巖黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

(2)

式中，k為滲透率；g為重力加速度；υ為水的黏度系數(shù)；ρf為流體的密度；Kf為孔隙流體的體積彈性壓縮模量；Ks為多孔介質(zhì)骨架固體顆粒的體積彈性壓縮模量。

進(jìn)行巷道開挖模擬時，設(shè)置巷道掘進(jìn)進(jìn)尺為3 m，采用cable單元模擬錨桿和錨索；采用shell單元模擬金屬網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土以及混凝土地坪；采用beam單元模擬W鋼帶和槽鋼梁[16-18]；不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parametersof supporting structure

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖剪應(yīng)力分布規(guī)律

當(dāng)巷道向前掘進(jìn)36 m后，新舊2種支護(hù)方案下巷道圍巖的剪應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 剪應(yīng)力分布Fig.5 Shear stress distribution

舊支護(hù)方案下，由于其支護(hù)強(qiáng)度不足，導(dǎo)致巷道頂?shù)装迳百|(zhì)泥巖在巷道開挖后破壞嚴(yán)重，其承載力急劇下降，表現(xiàn)為剪應(yīng)力在整個巖層內(nèi)都基本為0；同時，淺部應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移而在頂?shù)装逵矌r層(粉砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖)范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力集中區(qū)，其最大剪應(yīng)力達(dá)到近7.0 MPa，由最大剪應(yīng)力集中位置往頂?shù)撞可钐帲瑖鷰r剪應(yīng)力又逐漸衰減為0。相比于頂?shù)装?，巷道兩幫同樣也會在距巷表約5.0 m的位置出現(xiàn)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，但因煤巖抗剪強(qiáng)度降低，其最大剪應(yīng)力集中值僅為3.8 MPa；而在淺部出現(xiàn)剪應(yīng)力降低的區(qū)域，因煤巖在破壞后仍具有一定的承載能力，其剪應(yīng)力基本保持在0.7～2.1 MPa。

新支護(hù)方案下，由于采用全錨索的方式將巷道淺部弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖懸吊于深部硬巖層中，同時對巷道表面進(jìn)行了鋼筋網(wǎng)噴射混凝土封閉處理，有效地控制住了砂質(zhì)泥巖在破壞后的吸水膨脹軟化現(xiàn)象。因此，巷道頂?shù)装迳百|(zhì)泥巖在巷道開挖后仍保持有較高的承載能力，此時，巷道圍巖在頂?shù)装咫m然仍會產(chǎn)生剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，但其集中值則降低至5.2 MPa，同時，淺部砂質(zhì)泥巖剪應(yīng)力也基本維持在1.4～3.5 MPa。而巷道兩幫剪應(yīng)力則不會產(chǎn)生明顯的集中現(xiàn)象，且其在淺部與深部均相對較小，約為1.8 MPa。

3.2 巷道圍巖位移分布規(guī)律

當(dāng)巷道向前掘進(jìn)36 m后，新舊2種支護(hù)方案下巷道圍巖的總位移分布如圖6所示。可以看出，巷道開挖后，舊支護(hù)方案下圍巖最大位移出現(xiàn)在巷道表面的中心位置(在巷道頂板、底板、兩幫分別為630、410、155 mm)，并由淺部往圍巖深處逐漸減小，當(dāng)距巷道表面距離達(dá)到3 m以上時，圍巖位移就基本為0。而新支護(hù)方案下巷道圍巖發(fā)生位移的區(qū)域面積明顯減小，同時其最大位移在頂板、底板以及兩幫分別減小至37.0、31.2、9.8 mm，比舊支護(hù)方案下分別減小了94.1%、92.4%以及93.7%。這說明新支護(hù)方案明顯改善了弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖的受力變形特征，有利于保證巷道的掘進(jìn)安全。

圖6 總位移分布Fig.6 Total displacement distribution

不同掘進(jìn)距離下弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖表面的徑向位移變化曲線如圖7所示。由圖7可知，不同掘進(jìn)距離下，新舊2種方案的巷道圍巖表面徑向位移均大致呈拋物線形式分布(在中心位置最大，往兩側(cè)則逐漸遞減為0)。當(dāng)巷道向前掘進(jìn)9 m后，巷道頂板、底板以及兩幫圍巖在舊支護(hù)方案下產(chǎn)生的最大徑向位移分別為331.2、348.0、146.9 mm；而新支護(hù)方案下則分別為33.4、21.0、9.0 mm。隨著巷道的繼續(xù)向前掘進(jìn)，巷道頂板、底板以及兩幫圍巖在舊支護(hù)方案下產(chǎn)生的最大徑向位移將不斷增大且增大幅度逐漸減小，至巷道向前掘進(jìn)36 m后，它們將增長至481.3、406.1、150.8 mm；而新支護(hù)方案下，巷道圍巖表面徑向位移則基本保持不變。這說明舊支護(hù)方案下巷道頂?shù)装迦跄z結(jié)砂質(zhì)泥巖難以在淋水條件下保持自身的穩(wěn)定，其位移將隨著巷道的向前掘進(jìn)而不斷增長，最終導(dǎo)致巷道表面支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂破壞甚至失效，威脅煤礦安全生產(chǎn)；而新支護(hù)方案下巷道圍巖則能夠在巷道開挖后迅速保持穩(wěn)定，其徑向位移始終處在一個可控范圍內(nèi)，是安全可靠的。

圖7 弱膠結(jié)軟巖巷道表面位移變化曲線Fig.7 Surface displacement curve of weakly cemented soft rock roadway

3.3 巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

當(dāng)巷道向前掘進(jìn)36 m后，新舊2種支護(hù)方案下巷道圍巖的塑性區(qū)分布如圖8所示。

圖8 塑性區(qū)分布Fig.8 Plastic zone distribution

舊支護(hù)方案下巷道圍巖塑性屈服面積較大，其塑性區(qū)破壞深度在頂板、底板以及兩幫分別為5.9、4.0、6.0 m，這意味著舊支護(hù)方案下巷道圍巖將發(fā)生大面積屈服破壞而產(chǎn)生眾多導(dǎo)水裂隙通道，導(dǎo)致頂?shù)装逯屑?xì)砂巖裂隙水通過這些導(dǎo)水裂隙通道向巷道內(nèi)滲流，進(jìn)一步加劇弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖的泥化和膨脹，致使巷道頂?shù)装灏l(fā)生大變形破壞現(xiàn)象；此外，由于巷道圍巖塑性區(qū)深度超過了錨桿的錨固長度，會使錨桿因錨固力不足而難以有效發(fā)揮自身的支護(hù)作用，淺部圍巖則因此發(fā)生松動而出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象。新支護(hù)方案下，巷道圍巖塑性屈服面積減小，其在頂板、底板以及兩幫的破壞深度分別為2.0、1.5、1.1 m，比舊支護(hù)方案減小了66.1%、62.5%、82.7%?？梢?，新支護(hù)方案能夠有效控制弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖的泥化，從而保證巷道圍巖的開挖穩(wěn)定，是合理可靠的。

3.4 巷道圍巖剪應(yīng)變分布規(guī)律

當(dāng)巷道向前掘進(jìn)36 m后，新舊2種支護(hù)方案下巷道圍巖的剪應(yīng)變分布如圖9所示。

圖9 巖剪應(yīng)變分布Fig.9 Shear strain distribution

舊支護(hù)方案下，巷道圍巖在開挖后的剪應(yīng)變相對較大(達(dá)到0.2以上)，尤其是在頂?shù)装迦跄z結(jié)砂質(zhì)泥巖部位；此時，巷道圍巖剪應(yīng)變在頂?shù)装鍦\部呈現(xiàn)明顯的“乂”形分布特征，其2條最大剪應(yīng)變帶由巷道兩側(cè)角點(diǎn)處以一定的弧度向圍巖深部延伸并交匯于巷道頂部中心距巷表約1.8 m的位置。這意味著處于最大剪應(yīng)變帶的巖體將發(fā)生嚴(yán)重的剪切破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的巖體因大面積滲水而泥化嚴(yán)重，致使巷道頂板大面積下沉而發(fā)生冒頂，同時巷道底鼓也較明顯。新支護(hù)方案下，巷道圍巖剪應(yīng)變?nèi)灾饕邪l(fā)生在巷道頂?shù)装宓娜跄z結(jié)砂質(zhì)泥巖內(nèi)，但此時圍巖最大剪應(yīng)變很小(僅為0.02)且出現(xiàn)在巷道頂?shù)装宓谋砻嬷行奈恢?。這意味著，在新支護(hù)方案下，巷道頂?shù)装迳百|(zhì)泥巖剪切破壞程度較輕，不會產(chǎn)生明顯的導(dǎo)水裂隙通道，從而能夠有效阻止上方中細(xì)砂巖裂隙水下滲，保證巷道的掘進(jìn)安全。

4 圍巖變形破壞機(jī)制分析

由圖5—圖9可知，舊支護(hù)方案下12307弱膠結(jié)軟巖巷道變形破壞以頂板下沉、底板隆起以及片幫剝落為主，其變形破壞機(jī)制如下：巷道埋深325 m，圍巖在開挖前處于高應(yīng)力狀態(tài)，而在開挖后，其應(yīng)力重新分布導(dǎo)致巷道頂?shù)装迳百|(zhì)泥巖層因應(yīng)力高度集中而進(jìn)入塑性狀態(tài)，形成松動破壞區(qū)并出現(xiàn)導(dǎo)水裂隙通道。這時，巷道頂部砂巖裂隙水將通過這些導(dǎo)水裂隙通道進(jìn)入巷道內(nèi)，使得巷道頂?shù)撞可百|(zhì)泥巖層發(fā)生不同程度的淋水現(xiàn)象，其內(nèi)部黏土礦物質(zhì)遇水發(fā)生膨脹崩解，導(dǎo)致周邊錨索網(wǎng)支護(hù)強(qiáng)度降低或局部失效，進(jìn)而巷道頂?shù)装遄冃螌㈦S淋水時間而持續(xù)增長，宏觀表現(xiàn)為頂板下沉嚴(yán)重甚至冒頂、底板鼓起開裂等。而對于巷幫煤體，其應(yīng)力狀態(tài)在巷道開挖后由三向轉(zhuǎn)變?yōu)槎颍诩袘?yīng)力作用下，巷道幫部煤體將發(fā)生變形破壞，出現(xiàn)兩幫移近、片幫剝落等現(xiàn)象?？梢姡跄z結(jié)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制的關(guān)鍵在于減小弱膠結(jié)軟巖的破壞范圍和程度，減少其導(dǎo)水裂隙通道數(shù)量以及與裂隙水的接觸時間。因此，針對富水弱膠結(jié)軟巖巷道，采用全錨索技術(shù)提高巷道支護(hù)強(qiáng)度、采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土封閉弱膠結(jié)軟巖巷道表面是較為科學(xué)合理的。

為分析驗證“鋼筋網(wǎng)+全錨索+混凝土地坪”聯(lián)合支護(hù)對巷道圍巖控制效果，在12307巷道掘進(jìn)期間對其表面位移進(jìn)行了觀測，得到了如圖10所示的位移變化曲線。由圖10可知，巷道掘進(jìn)12 d后，整個巷道圍巖變形量趨于穩(wěn)定，此時，巷道頂?shù)装逡平坎坏?1 mm，兩幫移近量不到22 mm，說明整個巷道圍巖在新支護(hù)方案下得到了有效控制。

圖10 表面位移變化曲線Fig.10 Surface displacement curve

5 結(jié)論

本文對錨桿索網(wǎng)以及“鋼筋網(wǎng)+全錨索+混凝土地坪”2種方案下弱膠結(jié)軟巖巷道的應(yīng)力、變形、塑性區(qū)等進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了以下研究成果。

(1)舊支護(hù)方案下，巷道頂?shù)装迳百|(zhì)泥巖剪應(yīng)力在整個巖層內(nèi)都基本為0，而在頂?shù)装逵矌r層范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力集中區(qū)，其最大剪應(yīng)力達(dá)到近7.0 MPa；新支護(hù)方案下，弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖在頂?shù)装咫m然仍會產(chǎn)生剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，但其集中值則降低至5.2 MPa，同時，淺部砂質(zhì)泥巖剪應(yīng)力也基本維持在1.4～3.5 MPa。

(2)舊支護(hù)方案下弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖位移將隨著巷道的向前開挖而持續(xù)增長，最終其在巷道頂板、底板、兩幫出現(xiàn)的最大位移可分別達(dá)630、410、155 mm；新支護(hù)方案下，弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖位移將在巷道開挖后迅速保持穩(wěn)定，其在頂板、底板以及兩幫產(chǎn)生的位移將比舊支護(hù)方案分別減小94.1%、92.4%以及93.7%。

(3)舊支護(hù)方案下弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖塑性區(qū)破壞深度在頂板、底板以及兩幫分別為5.9、4.0、6.0 m；而新支護(hù)方案下巷道圍巖在頂板、底板以及兩幫的破壞深度則分別為2.0、1.5、1.1 m。

(4)舊支護(hù)方案下巷道圍巖剪應(yīng)變最大可達(dá)0.2以上，且在頂?shù)装鍦\部呈現(xiàn)明顯的“乂”形分布特征，而新支護(hù)方案下巷道圍巖剪應(yīng)變則僅為0.02，出現(xiàn)在巷道頂?shù)装宓谋砻嬷行奈恢谩?/p>