深部圍巖蠕變特性及支護(hù)技術(shù)研究

滕飛飛,連相宇,孫 躍

(安徽省核工業(yè)勘查技術(shù)總院,安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著淺層礦產(chǎn)資源的逐步減少,深層礦產(chǎn)資源開采規(guī)模逐漸增多,但深部開采面臨著高地應(yīng)力的影響,通常會(huì)導(dǎo)致圍巖大變形失穩(wěn)的工程問題。因此,關(guān)于深部巷道圍巖穩(wěn)定性機(jī)理及支護(hù)措施研究是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。

丁增等[1]基于FLAC3D數(shù)值模擬,依托恒大煤礦2233工作面進(jìn)風(fēng)巷圍巖煤樣為研究對(duì)象,探討了深部圍巖蠕變特性對(duì)巷道穩(wěn)定性影響。研究結(jié)果表明,Burgers本構(gòu)模型對(duì)于預(yù)測(cè)煤樣蠕變具有較好的精度,圍巖采用支護(hù)結(jié)構(gòu)后,巷道在第3個(gè)月后進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段。陶志剛等[2]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),討論了深部高應(yīng)力下大跨度隧道炭質(zhì)板巖變形規(guī)律。研究結(jié)果表明,采用NPR錨網(wǎng)索耦合支護(hù)后,可以有效減小圍巖最大變形量,并進(jìn)一步推導(dǎo)了炭質(zhì)板巖蠕變特征與板巖層理角度及含水率相關(guān)性。鄧勝?gòu)?qiáng)等[3]改進(jìn)了Weertman模型,深入研究了炭質(zhì)巖隧道圍巖蠕變特性。結(jié)果表明,改進(jìn)模型可以預(yù)測(cè)隧道圍巖蠕變變形隨溫度的變化規(guī)律。王明年等[4]依托二郎山隧道,采用數(shù)值有限元深入分析了高地應(yīng)力軟巖隧道蠕變特性。結(jié)果表明,圍巖初期的變形速率與隧道埋深呈正相關(guān),開挖完成的2～3個(gè)月為隧道變形的穩(wěn)定期。汪濤等[5]基于Burgers三維損傷蠕變模型對(duì)巷道圍巖的流變特性進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。結(jié)果表明,當(dāng)巖石所受應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí),巖體將進(jìn)入加速蠕變階段,并進(jìn)一步采用拉普拉斯方程得到圓形巷道圍巖變形規(guī)律的解析解。劉欽等[6]基于室內(nèi)三軸壓縮實(shí)驗(yàn),研究了軟弱破碎圍巖隧道炭質(zhì)頁(yè)巖蠕變特性。推導(dǎo)了炭質(zhì)頁(yè)巖蠕變的黏彈塑性應(yīng)變軟化模型,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。王永剛和任偉中[7]采用理論推導(dǎo)分析了軟弱圍巖的蠕變損傷特性,提出采用粘彈塑性理論預(yù)測(cè)軟弱圍巖的蠕變規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上給出了最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。左清軍等[8]基于數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)研究了富水泥質(zhì)板巖隧道圍巖蠕變特性。結(jié)果表明,泥質(zhì)板巖的蠕變變形和蠕變率隨著含水率的增大而增大。此外,蠕變參數(shù)隨含水率的增大而呈指數(shù)減小。張梅花等[9]基于流變數(shù)值模擬研究了高地應(yīng)力下均質(zhì)混合巖的蠕變特性。結(jié)果表明,采用改進(jìn)的Burger’s模型能較好地預(yù)測(cè)均質(zhì)混合巖的蠕變變形,改進(jìn)模型可為豎井工程穩(wěn)定性及失穩(wěn)分析進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。

本文綜合采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬研究了深部高應(yīng)力圍巖蠕變特性并在此基礎(chǔ)上提出了最佳的支護(hù)方案。本文的研究可為相似工程的施工及設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義。

1 研究方法

1.1 地應(yīng)力測(cè)試

本文采樣點(diǎn)位于某礦區(qū)深度1 500 m處的巖石進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)分析。原巖應(yīng)力測(cè)量采用套孔應(yīng)力解除法。在1 500 m埋深處布置三個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖1),注意的是,測(cè)點(diǎn)布置時(shí)應(yīng)盡量避開斷層帶、破碎帶等不連續(xù)軟弱面。

圖1 地應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算得到埋深1 500 m處3個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力空間分量和地應(yīng)力主應(yīng)力分量見表1和表2。其中測(cè)點(diǎn)方向規(guī)定為:南北為x軸,東西為y軸,鉛錘向?yàn)閦軸。結(jié)果表明,各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化規(guī)律表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性。其中,1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力方向傾角比較接近分別為15.6°和18.7°。各測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力分量大小平均值為43 MPa、21 MPa和20 MPa。綜合以上分析可知,研究區(qū)1 500 m處的地應(yīng)力主要應(yīng)水平應(yīng)力為主,且最大主應(yīng)力的傾角較小。

表1 測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力空間分量 MPa

表2 測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力主應(yīng)力分量 MPa

1.2 支護(hù)時(shí)機(jī)

由前文的分析可知,研究區(qū)1 500 m處地應(yīng)力的最大值接近43 MPa,且隨著開挖深度的進(jìn)一步增大,將可能導(dǎo)致地應(yīng)力進(jìn)一步增大,可能導(dǎo)致圍巖變形及蠕變問題。因此為了保證工程正常進(jìn)行需采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)。本節(jié)將重點(diǎn)分析最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。

進(jìn)一步對(duì)巖樣開展室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn),采用分級(jí)加載方式進(jìn)行,加載強(qiáng)度按照規(guī)范要求。最終巖樣強(qiáng)度值按照單軸抗壓強(qiáng)度的60%作為最終強(qiáng)度。圖2為不同荷載工況下蠕變?cè)囼?yàn)曲線結(jié)果。

圖2 不同荷載下蠕變?cè)囼?yàn)曲線

為了得到支護(hù)的最佳時(shí)機(jī),本文采用開爾文模型對(duì)研究區(qū)巖樣在不同應(yīng)力水平下的蠕變變形進(jìn)行分析,其蠕變方程為:

(1)

式中:ε為應(yīng)變,無(wú)量綱;η為黏性參數(shù),GPa·h;E1和E2為試樣的楊氏模量,GPa;σ0為圍巖應(yīng)力,MPa;t為巖石開始發(fā)生蠕變的時(shí)間,h。

公式(1)中的參數(shù)主要采用Matlab擬合得到,具體值見表3所示。

表3 開爾文模型擬合參數(shù)

根據(jù)各擬合參數(shù)可以進(jìn)一步得到不同應(yīng)力狀態(tài)下的巖樣達(dá)到穩(wěn)定蠕變需要的時(shí)間,最終得到在不同應(yīng)力狀態(tài)下,巖石達(dá)到穩(wěn)定變化速率的時(shí)間為20 h、10 h、16 h和16 h。

2 支護(hù)方法及參數(shù)優(yōu)化

2.1 支護(hù)方案

本次模擬主要考慮選用噴射混凝土、錨桿以及網(wǎng)噴進(jìn)行支護(hù)。模擬中巖體采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則;錨桿和混凝土的模型計(jì)算參數(shù)為:錨桿抗拉強(qiáng)度為480 MPa,伸長(zhǎng)率大于21%。混凝土噴射厚度為80 mm;錨桿長(zhǎng)度和直徑分別為1.8 m和42 mm,錨桿間排距為0.7 m×0.7 m;錨網(wǎng)噴支厚度和長(zhǎng)度分別為0.8 m,和1.8 m,直徑為42 mm,間排距同樣為0.7 m×0.7 m。具體的計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 開爾文模型擬合參數(shù)

2.2 模型建立及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)實(shí)際工程建立數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示,其中模型寬度為20 m,高度為20 m,巷道尺寸為寬度2.2 m,高度為4.5 m。整體模型趨于大于巷道直徑的3倍以上。根據(jù)前文所測(cè)地應(yīng)力情況,對(duì)模型施加相應(yīng)的應(yīng)力邊界條件。

圖3 不同荷載下蠕變?cè)囼?yàn)擬合曲線

2.3 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

計(jì)算了研究區(qū)不同3類圍巖下的巷道支護(hù)情況如圖4,得到研究區(qū)不同巖性開挖后頂板、底板及兩幫的位移變化情況,并給出了塑性區(qū)體積大小。其中圖中A為不支護(hù),B為混凝土支護(hù),C為錨桿支護(hù),D為網(wǎng)噴支護(hù)。結(jié)果表明,根據(jù)豎向位移變化情況,三種支護(hù)方式優(yōu)劣性分別為:錨噴支護(hù)最好,混凝土支護(hù)次之,錨桿支護(hù)最差,這是由于網(wǎng)噴支護(hù)在混凝土和錨桿的聯(lián)合下可以更好的控制拱頂沉降。具體來(lái)看,由圖4(a)得到,該組圍巖容許極限位移量小于20 mm,因此可采用混凝土支護(hù);圖4(b)得到,該組圍巖容許極限位移量在20～50 mm,可采用網(wǎng)噴支護(hù);圖4(c)得到,該組圍巖兩幫和底板位移較大,應(yīng)優(yōu)先采用網(wǎng)噴支護(hù)。

圖4 巷道變形及塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)本文的研究,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)埋深1500m巷道進(jìn)行分段支護(hù)發(fā)現(xiàn),支護(hù)后巷道頂板未見巖塊掉落,頂板及幫部位移均未超過規(guī)范規(guī)定的安全界限,支護(hù)效果明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

本文綜合采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和FLAC數(shù)值模擬,研究了圍巖蠕變特性研究及支護(hù)方案優(yōu)化,得到如下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),最大主應(yīng)力值為45.8 MPa,方向呈北北西和北北東,應(yīng)力大小排序由大到小為x最大,z次之和y最小。

(2)進(jìn)行了室內(nèi)巖石蠕變曲線,采用開爾文模型對(duì)研究區(qū)巖樣在不同應(yīng)力水平下的蠕變變形進(jìn)行分析,最終得到在不同應(yīng)力狀態(tài)下,試驗(yàn)巖楊達(dá)到穩(wěn)定變化速率的時(shí)間為20 h、10 h、16 h和16 h,利用此法可得到不同巖性巷道支護(hù)的最佳時(shí)機(jī)。

(3)數(shù)值模擬對(duì)比分析了不同支護(hù)方式的優(yōu)劣效果。其中大塘組圍巖容許極限位移量小于20 mm,可采用混凝土支護(hù);擺佐組圍巖容許極限位移量在20～50 mm,可采用網(wǎng)噴支護(hù);馬坪組圍巖兩幫和底板位移較大,應(yīng)優(yōu)先采用網(wǎng)噴支護(hù)。