軟弱破碎帶巷道開(kāi)挖圍巖破裂演化規(guī)律及支護(hù)技術(shù)研究

余一松,李華華，朱志根，劉家明

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

引 言

在礦山地下工程中，軟弱破碎帶是一種典型的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，在長(zhǎng)期地質(zhì)構(gòu)造作用和地應(yīng)力作用下，表現(xiàn)出高度不均勻性和非線性特征[1-2]，對(duì)巷道開(kāi)挖穩(wěn)定性及安全性具有重要影響。許多學(xué)者在軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)工程穩(wěn)定性影響方面開(kāi)展了大量研究。李天珍等[3]對(duì)俄霍布拉克煤礦地下開(kāi)采進(jìn)行了分析，研究了采動(dòng)邊界與采礦擾動(dòng)、垮落、裂隙擴(kuò)展等相互關(guān)系和影響，以及動(dòng)態(tài)圍巖自有邊界數(shù)學(xué)特征和基本力學(xué)特征。李英杰等[4]利用自主研發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)軟弱破碎隧道圍巖進(jìn)行了相似模擬研究，發(fā)現(xiàn)拱腰圍巖漸進(jìn)變化為V形楔形體，裂紋逐漸由拱腰擴(kuò)展至拱頂，圍巖應(yīng)力區(qū)也隨破壞發(fā)生漸進(jìn)性調(diào)整。賈蓬等[5]利用RFPA非線性模擬方法，建立了軟弱結(jié)構(gòu)面的非線性模型，模擬了在不同傾角軟弱層條件下隧道圍巖的變形變化規(guī)律和破壞模式，闡述了軟弱結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。李連崇等[6]對(duì)含軟弱夾層地下巖層硐室開(kāi)挖過(guò)程中圍巖破裂損傷過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，分析了不同軟弱夾層位置、地應(yīng)力大小等對(duì)圍巖損傷破壞過(guò)程的影響，指出軟弱夾層對(duì)地下硐室圍巖損傷模式具有重大影響，側(cè)壓系數(shù)對(duì)圍巖的非均勻性破巖起到主導(dǎo)作用。張志強(qiáng)等[7]研究了不同結(jié)構(gòu)面和地下工程距離條件下地下硐室圍巖的變形移動(dòng)規(guī)律，分析了不同圍巖類型下不良結(jié)構(gòu)面對(duì)硐室穩(wěn)定性的影響。郭富利等[8]結(jié)合地下工程圍巖三軸試驗(yàn)結(jié)果，研究了軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖破壞程度的影響，分析了堡鎮(zhèn)隧道軟弱結(jié)構(gòu)面區(qū)域內(nèi)圍巖變形破壞特征，并建立了力學(xué)模型，揭示了軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖破壞的作用機(jī)理。劉泉聲等[9]針對(duì)顧橋煤礦的軟弱破碎圍巖，開(kāi)展了該地質(zhì)條件下巷道變形移動(dòng)規(guī)律研究，提出了分布聯(lián)合支護(hù)方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，探討了支護(hù)措施的選取與巷道圍巖物理力學(xué)特征、地應(yīng)力分布等的相互關(guān)系。臺(tái)啟民等[10]開(kāi)展了軟弱破碎圍巖下隧道支護(hù)研究，分析了不同隧道圍巖變形條件下隧道支護(hù)參數(shù)的選取，提出了超前支護(hù)形式和參數(shù)的確定方法。

鑒于軟弱破碎帶非線性特征和復(fù)雜性，常用的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、相似材料模擬或統(tǒng)計(jì)分析等方法，具有其固有的局限性，難以反映工程圍巖變形破裂的全過(guò)程，更無(wú)法對(duì)其復(fù)雜的非線性特征進(jìn)行描述，而且初始參數(shù)的選取對(duì)研究結(jié)果影響較大。本文基于巖石的非均勻性特性，以山西某礦山為工程背景，采用損傷力學(xué)和統(tǒng)計(jì)理論的單元本構(gòu)模型，運(yùn)用巖石真實(shí)破裂過(guò)程分析軟件RFPA，對(duì)具有不同傾角的軟弱破碎帶對(duì)巷道開(kāi)挖的穩(wěn)定性影響進(jìn)行了細(xì)觀數(shù)值模擬研究，揭示不同傾角軟弱破碎帶下巷道開(kāi)挖圍巖破裂演化規(guī)律，為復(fù)雜地質(zhì)條件下井巷施工和支護(hù)提供理論支持。

1 工程概況及模型構(gòu)建

礦區(qū)主要覆巖為砂質(zhì)泥巖、砂巖、礫巖等，厚度為10～25 m，主要巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，彈性模量最高達(dá)45 300 MPa，平均值為32 000 MPa；抗壓強(qiáng)度為50～155 MPa，內(nèi)摩擦角最小為33.5°，最大為42.5°。

表1 主要巖層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦區(qū)地層分布特性和工程情況，建立區(qū)域巖層非均質(zhì)細(xì)觀模型，見(jiàn)圖1，模擬范圍為100 m×100 m。

圖1 區(qū)域巖層非均質(zhì)細(xì)觀模型

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

礦區(qū)巷道建立在第4巖層中，從第二步開(kāi)始開(kāi)挖，每增加一步，巷道的開(kāi)挖進(jìn)度為10 m，軟弱破碎帶與巷道軸線的夾角是復(fù)雜地質(zhì)條件下影響巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)軟弱破碎帶傾角，本文共設(shè)置4種研究方案(見(jiàn)表2)。由表2可知，方案1無(wú)破碎帶，方案2～4破碎帶傾角分別為30°、45°、60°。

表2 數(shù)值模擬試驗(yàn)方案

根據(jù)模擬方案，建立不同方案的軟弱破碎帶模型，見(jiàn)圖2。

圖2 不同方案的軟弱破碎帶模型

2.2 邊界條件及初始應(yīng)力場(chǎng)分布

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)情況，水平巷道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖，邊界條件采用靜荷載。根據(jù)礦區(qū)應(yīng)力分布情況，設(shè)置x方向?yàn)? MPa側(cè)壓力加載，y方向?yàn)? MPa荷載加載，初始應(yīng)力場(chǎng)分布見(jiàn)圖3。由圖3可知，在均衡荷載作用下，初始最大主應(yīng)力為1.04～8.56 MPa，最小主應(yīng)力為0.726～6.55 MPa。

圖3 初始應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)條件和地應(yīng)力分布特征，針對(duì)不同傾角軟弱破碎帶，采用非均質(zhì)細(xì)觀模型，運(yùn)用RFPA數(shù)值分析軟件，開(kāi)展軟弱破碎帶對(duì)巷道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖穩(wěn)定性影響的模擬分析。

3.1 應(yīng)力分析

各方案最大主應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖4。由圖4可知:各方案巷道在開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在巷道兩端。方案1在巷道開(kāi)挖過(guò)程中，由于未受到軟弱破碎帶的影響，巷道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅在巷道中部頂板產(chǎn)生了局部破壞。方案2條件下，當(dāng)巷道開(kāi)挖推進(jìn)位置距離軟弱破碎帶較遠(yuǎn)(開(kāi)挖20 m)時(shí)，受破碎帶影響較小;當(dāng)開(kāi)挖至30 m時(shí)，巷道底板發(fā)生破壞，且隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，底板裂隙沿破碎帶傾向向深部擴(kuò)展；當(dāng)開(kāi)挖至70 m時(shí)，巷道中部變形量較大，端部頂板發(fā)生大面積破壞，與破碎帶共同構(gòu)成不穩(wěn)定三角區(qū)塊。方案3條件下，巷道在開(kāi)挖前30 m時(shí)，巷道及其圍巖情況與方案2較為相似，當(dāng)開(kāi)挖至40 m時(shí)，巷道整體失穩(wěn)，模型失效。方案4條件下，破裂區(qū)先從底板破碎帶開(kāi)始向深部發(fā)展，后由頂板破碎帶開(kāi)始向上部發(fā)展，且在開(kāi)挖至70 m時(shí)，巷道整體失穩(wěn)，模型失效。

圖4 各方案最大主應(yīng)力分布云圖

各方案不同開(kāi)挖步驟最大主應(yīng)力極值曲線見(jiàn)圖5。由圖5可知：各方案隨著巷道開(kāi)挖的推進(jìn)，巷道圍巖最大主應(yīng)力極值不斷增加，且增加的幅度呈現(xiàn)由小變大再變小的趨勢(shì)，基本上是在開(kāi)挖至巷道中部、接近破碎帶處應(yīng)力增加速度達(dá)到峰值。方案1由開(kāi)挖前的8.56 MPa增大至開(kāi)挖后的22.2 MPa，方案2由開(kāi)挖前的8.67 MPa增大至開(kāi)挖后的25.4 MPa，方案3最高達(dá)到18.1 MPa(開(kāi)挖至30 m)，方案4達(dá)到31.9 MPa(開(kāi)挖至60 m)。

圖5 各方案不同開(kāi)挖步驟最大主應(yīng)力極值曲線

各方案最小主應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6。由圖6可知：各方案巷道在開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在巷道頂?shù)装搴拖锏纼啥?。各方案隨著巷道開(kāi)挖的推進(jìn)，最小主應(yīng)力極值不斷增加，且在開(kāi)挖開(kāi)始時(shí)均出現(xiàn)不同程度的拉應(yīng)力區(qū)，區(qū)域內(nèi)最大拉應(yīng)力發(fā)生在方案4開(kāi)挖第3步時(shí)，拉應(yīng)力值為21.1 MPa。

圖6 各方案最小主應(yīng)力分布云圖

3.2 位移分析

巷道開(kāi)挖對(duì)工程圍巖體的穩(wěn)定性影響大，結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知：巷道開(kāi)挖從x=15處開(kāi)始，當(dāng)巷道開(kāi)挖時(shí)，巖層位移發(fā)生較大變化，且在巷道中部位移達(dá)到最大，在x=0處，開(kāi)挖位移為不開(kāi)挖位移的3倍；在中點(diǎn)x=50處，開(kāi)挖位移為不開(kāi)挖的7倍多。

圖7 巷道頂板圍巖有無(wú)開(kāi)挖條件下位移結(jié)果

不同方案巷道圍巖位移速度云圖見(jiàn)圖8，不同方案的軟弱破碎帶巷道頂板位移曲線對(duì)比見(jiàn)圖9。由圖8、圖9可知：軟弱破碎帶的存在對(duì)圍巖的變動(dòng)產(chǎn)生了較大影響，不同傾角的軟弱破碎帶對(duì)巷道頂板的位移影響程度不同；方案2～4的巷道開(kāi)挖圍巖位移曲線基本在方案1圍巖位移曲線之上；方案3從第5步，即巷道推進(jìn)40 m時(shí)，發(fā)生工程整體破裂，模型失效。另外，方案2上覆巖層最終傾向于軟弱破碎帶；方案3破碎帶，到第5步時(shí)發(fā)生全部破裂；方案4巖體的破壞首先從軟弱破碎帶下部開(kāi)始，然后發(fā)展到上部，最終導(dǎo)致整個(gè)模型破裂。方案1的位移普遍大于其他3個(gè)方案，其次為方案3、方案4、方案1；比較特殊的是，當(dāng)方案4開(kāi)挖至巷道中部時(shí)，由于軟弱破碎帶的影響，發(fā)生巖層錯(cuò)動(dòng)。

圖8 不同方案巷道圍巖位移速度云圖

圖9 不同方案的軟弱破碎帶巷道頂板位移結(jié)果

3.3 軟弱破碎帶巷道施工控制措施

軟弱破碎帶對(duì)巷道穩(wěn)定性至關(guān)重要，軟弱破碎帶傾角、寬度、力學(xué)性質(zhì)等是巷道施工及穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵因素，針對(duì)不同地質(zhì)情況，采取不同的支護(hù)技術(shù)和控制措施，主要采用的措施包括超前地質(zhì)探測(cè)、超前支護(hù)、高強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)、分次支護(hù)等[11-13]。

1)超前地質(zhì)探測(cè)。針對(duì)軟弱破碎帶，開(kāi)展超前探測(cè)和地質(zhì)預(yù)報(bào)是保障巷道施工安全的一種有效措施。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法很多，分類不盡相同，地震法是當(dāng)前巷道中長(zhǎng)期超前預(yù)報(bào)的主流方法，主要采用的技術(shù)有TSP、TGP、TRT、TST等。根據(jù)不同的地質(zhì)情況，選擇不同的超前探測(cè)技術(shù)，開(kāi)展軟弱破碎帶的超前探測(cè)和預(yù)報(bào)，掌握其力學(xué)參數(shù)。

2)超前支護(hù)。在軟弱破碎帶基礎(chǔ)上，運(yùn)用超前錨桿、超前小導(dǎo)管、水平旋噴注漿、機(jī)械預(yù)切槽和超前管棚法等超前支護(hù)技術(shù)，其中超前錨桿、超前小導(dǎo)管、超前管棚法等是巷道施工過(guò)程中較為簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，用于加強(qiáng)掌子面前方圍巖體強(qiáng)度參數(shù)(見(jiàn)圖10)。由圖10可知：超前錨桿旨在作為超前預(yù)支護(hù)及加固巖體，需充分考慮巖體的結(jié)構(gòu)面特性和圍巖地質(zhì)情況，錨桿縱向兩排的水平投影應(yīng)有搭接，尾端一般焊接在鋼拱架上，以增強(qiáng)共同支護(hù)作用。超前小導(dǎo)管常與格柵鋼架共同組成支護(hù)系統(tǒng)，小導(dǎo)管具有超前管棚和注漿管雙重作用，通過(guò)注漿，加固軟弱圍巖。超前管棚是在工作面開(kāi)挖掘進(jìn)前上半斷面或全斷面周邊間隔一定距離實(shí)施水平鉆孔，鉆孔內(nèi)壓入鋼管而形成鋼管群體，為提高鋼管剛度常向管內(nèi)灌注混凝土或鋼筋籠混凝土，能有效控制軟弱圍巖的下沉松弛和坍塌。

圖10 超前支護(hù)示意圖

3)高強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)。針對(duì)軟弱破碎帶賦存特征，結(jié)合錨桿、錨網(wǎng)、鋼拱架和混凝土等支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，采用錨網(wǎng)噴、錨索與高強(qiáng)鋼帶聯(lián)合支護(hù)、全斷面注漿+底板錨桿(包括角錨桿)+U支架支護(hù)等技術(shù)，通過(guò)高強(qiáng)抗裂的混凝土，將錨索托盤緊壓在格柵內(nèi)側(cè)，使得錨桿、錨索、內(nèi)外層鋼筋網(wǎng)連接成整體，成為噴層的骨架，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性能。

4)分次支護(hù)。針對(duì)深部高應(yīng)力區(qū)域軟弱破碎帶、圍巖破碎、變形量大等問(wèn)題，采用一次性永久支護(hù)往往無(wú)法起到預(yù)期效果，需采用分次支護(hù)技術(shù)，如采用注漿錨桿超前支護(hù)、高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)+U型鋼+噴射混凝土一次支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨索二次支護(hù)、全斷面滯后注漿補(bǔ)強(qiáng)加固分步聯(lián)合支護(hù)等，通過(guò)錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償、錨網(wǎng)塑性變形控制作用，提高聯(lián)合支護(hù)體整體穩(wěn)定性及承載能力。

由于軟弱破碎帶的力學(xué)屬性、變形力學(xué)機(jī)制等特點(diǎn)，軟弱破碎帶區(qū)段巷道的支護(hù)需在掌握地質(zhì)條件的情況下合理運(yùn)用各支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)圍巖變形響應(yīng)機(jī)制，融合多支護(hù)方式形成圍巖-支護(hù)整體結(jié)構(gòu)，達(dá)到支護(hù)-圍巖共同承載的目的。

4 結(jié) 論

運(yùn)用RFPA軟件開(kāi)展不同傾角軟弱破碎帶條件下水平巷道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程中圍巖破裂演化數(shù)值模擬研究，主要得出如下結(jié)論：

1)隨著巷道開(kāi)挖，巷道圍巖最大主應(yīng)力極值不斷增加，且增加幅度呈現(xiàn)由小變大再變小的趨勢(shì)，基本上是在開(kāi)挖至巷道中部、接近軟弱破碎帶處應(yīng)力增加速度達(dá)到峰值。

2)受軟弱破碎帶影響，圍巖巖體破裂演化方式發(fā)生了改變。無(wú)軟弱破碎帶時(shí)，上覆巖層下沉為其主要破壞方式；當(dāng)存在軟弱破碎帶時(shí)，圍巖破裂首先開(kāi)始于軟弱破碎帶處，然后向周圍擴(kuò)展。

3)不同傾角軟弱破碎帶對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響程度不同，軟弱破碎帶傾角越小，造成巷道頂板位移越大，對(duì)水平巷道穩(wěn)定性的影響越大。