劉京鑠，蒲成志，范金星，劉華平

(1.湖南水利水電職業(yè)技術學院，長沙 410131; 2.中南大學 資源與安全工程學院,長沙 410083)

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深部巷道圍巖松動圈厚度測試及支護體變形機制分析

劉京鑠1，蒲成志2，范金星1，劉華平1

(1.湖南水利水電職業(yè)技術學院，長沙 410131; 2.中南大學 資源與安全工程學院,長沙 410083)

基于聲波測試技術對金川二礦區(qū)深部巷道圍巖松動圈進行了現(xiàn)場測試，通過對測試結果進行的分析和研究，得到了金川深部巷道圍巖松動圈厚度的基本特征.借助FLAC3D數(shù)值分析程序建立了隨機裂隙網絡模型，分析了金川深部礦區(qū)巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律.結合現(xiàn)場圍巖變形收斂規(guī)律及支護體變形特征，基于噴錨網支護體與巷道圍巖相互作用的力學機理，研究分析了金川深部巷道雙層噴錨網支護結構的變形機制.

巷道圍巖;松動圈;聲波法;噴錨網支護;變形機制

礦山井巷開挖后，巷道周邊圍巖應力狀態(tài)將重新分布，根據(jù)圍巖應力特征，大致可分為3個應力區(qū)，由井巷壁面向圍巖深部依次為[1]：由于巖體破壞導致應力釋放而出現(xiàn)的應力降低區(qū)；因擠壓致密而產生的應力升高區(qū)；未受擾動影響的原巖應力區(qū).巷道圍巖出現(xiàn)的應力降低區(qū)就是圍巖松動范圍(即松動圈).董方庭[2]認為巷道掘進過程中松動圈形成過程中產生的碎脹力是支護體的主要支護對象，這一假設解決了圍巖彈塑性變形理論無法解決實際工程問題的弊端，并由此建立了基于松動圈厚度的圍巖松動圈支護理論.而工程中對于圍巖松動圈范圍的確定，主要包括理論推導法、經驗法及物理測試技術，目前聲波法是公認的測試圍巖松動圈比較成熟的方法[3].

金川深部巷道圍巖收斂變形大、持續(xù)時間長，表現(xiàn)出明顯的碎脹蠕變特性，這表明現(xiàn)有支護體并沒有有效限制圍巖松動圈向巖體內部擴展，圍巖應力釋放導致的巖體碎脹變形使得碎脹應力增大，并將支護體向臨空面擠壓變形.本文基于金川深部巷道圍巖松動圈測試結果，得到巷道圍巖松動圈厚度的基本分布特征，并借助于FLAC3D數(shù)值分析程序，研究了圍巖塑性變形范圍隨巷道開挖時間而變化的特征規(guī)律，最后結合現(xiàn)場巷道圍巖收斂變形規(guī)律，分析了支護體的變形機理.

1 聲波法測試圍巖破壞范圍原理

由于巖體中聲波的波速會隨介質裂隙發(fā)育、密度降低、聲阻抗增大而降低，隨應力增大、密度增大而增加.因此，測得的聲波波速高則說明圍巖的完整性好，波速低則說明圍巖存在裂隙，圍巖有破壞發(fā)生.因此，對同一性質圍巖巖體來說，測得的聲波波速高則圍巖完整性好，波速低說明圍巖存在裂縫，圍巖發(fā)生了破壞.采用聲波測試儀器測出距圍巖表面不同深度的巖體波速值，作出深度和波速曲線，然后再根據(jù)有關地質資料可推斷出被測試巷道的圍巖松動圈厚度.

圖1 單孔一發(fā)雙收探頭布置示意圖

圖1所示單孔一發(fā)雙收探頭測試工作示意圖，發(fā)射探頭在鉆孔中發(fā)射聲波，在孔壁周圍產生滑行波沿著鉆孔壁傳播，在測試過程中，當首波傳播到接收探頭1時，將超聲波轉換成電能，使控制器翻轉，計數(shù)門開啟，計數(shù)器開始計時.當滑行波繼續(xù)傳播到接收探頭2時，控制器翻轉回來，將計數(shù)門關閉，計數(shù)器停止計數(shù)，顯示聲波在接收探頭1與接收探頭2之間巖體中傳播的時間讀數(shù)t，根據(jù)下式計算聲波波速v為：

(1)

式中：L1為接收探頭1到發(fā)射探頭的距離；

L2為接收探頭2到發(fā)射探頭的距離；

2 現(xiàn)場測試及結果分析

2.1 現(xiàn)場測試

根據(jù)一發(fā)雙收探頭外徑尺寸及堵水器容許膨脹變形情況，確定選用直徑為50 mm的鉆頭打設鉆孔，孔深則根據(jù)現(xiàn)有釬桿資源，設計長度為3.00 m；為能夠全面反映巷道斷面圍巖破壞范圍，設計如圖2所示的鉆孔布置方案，為保證測試工作順利進行，鉆孔要求進尺無彎斜、壁面光滑無浮石；鉆孔所用風水管暫不撤出工作面，留作測試工作中使用.

現(xiàn)場測試實驗選擇有代表性的兩個斷面進行，分別為：958分斜坡道和978探礦道，其中958分斜坡道屬于返修完工后巷道，978探礦道為新掘進巷道.

測試過程中，首先用風管吹凈鉆孔中浮石及巖屑，保證測試工作能夠安全進行；然后將一發(fā)雙收探頭與輸水管連接，并將采集聲波數(shù)據(jù)線緊密粘貼于水管外壁，以防進出鉆孔時數(shù)據(jù)線被劃傷；接著用輸

水管將聲波探頭置入鉆孔底部，并預先向鉆孔內注水；隨后向堵水器中鼓入氣體，使其膨脹并發(fā)揮堵水作用；觀測聲波接收器顯示波形變化情況，待波形穩(wěn)定后即可以進行采樣、保存等操作；最后停止注水，并放出堵水器中氣體，將輸水管連同聲發(fā)射探頭一起向外拔出20 cm至下一測點位置，重復進行上述操作，直至所有鉆孔測試完畢.

圖2 巷道斷面鉆孔布置示意圖

2.2 測試結果與分析

根據(jù)聲波法測試原理，需要得到每個鉆孔中聲波傳播速度發(fā)生明顯變化的位置，并據(jù)其來判定圍巖破壞的范圍與松動圈厚度；應用聲波測試數(shù)據(jù)處理程序，根據(jù)公式1對各個鉆孔的測試數(shù)據(jù)整理后，得到聲波在鉆孔不同深度處的速率.測試工作中以水作為探頭與圍巖的耦合介質，而聲波在水中的傳播速度為1.45 km/s，空氣中聲速為0.34 km/s，現(xiàn)場測試環(huán)境為聲波在水巖混合介質中傳播，此時聲速受巖石節(jié)理發(fā)育程度和耦合水充填狀況影響較大.

表1 958分斜坡道各鉆孔聲速統(tǒng)計表

表2 978探礦道各鉆孔聲速統(tǒng)計表

注：限于鉆孔質量，部分位置無法進行測試，且測試深度受鉆孔深度影響.

表1與2分別為金川深部巷道圍巖松動圈測試數(shù)據(jù)處理結果，根據(jù)測試結果，可以得到金川深部巷道圍巖松動圈厚度呈現(xiàn)如下規(guī)律：底板厚度約為1.0～1.5 m，兩幫厚度約為2.0～2.5 m，拱頂厚度約為2.0～2.3 m.

3 巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律的數(shù)值計算[4]

應用蒙特卡洛法建立二維隨機分布裂隙網絡模型，并將其以FLAC3D格式的文件輸出，以金川深部地應力條件對隨機裂隙網絡模型施加應力邊界條件，基于程序自帶的改進伯格斯流變模型進行蠕變條件下巷道穩(wěn)定性分析，并編制fish語句，實時監(jiān)控巷道周邊模型單元的塑性變形狀態(tài)，隨時將發(fā)生塑性屈服的單元劃入屈服群組中，并視該群組所包含的網格單元視為松動圈區(qū)域.

根據(jù)金川深部巷道雙層噴錨網支護參數(shù)，數(shù)值模型中錨桿長度設計為2.5 m，預應力0 kN，錨桿類型設計為端部錨固式，其中錨固長度為0.5 m，并在數(shù)值計算過程中，不考慮爆破施工對巷道圍巖的影響，且認為雙層噴錨網支護是開挖后瞬時施工，并有效加固巷道圍巖.計算過程中，每隔一定時間步保存一次計算結果，并編制fish程序調取保存文件中發(fā)生塑性屈服的單元數(shù)量.

圖3 錨桿長度為2.5 m、預應力為0時圍巖松動圈擴展分布圖

圖3所示為不同時間步下巷道周邊塑性屈服區(qū)分布情況.根據(jù)圖中所示情況可以發(fā)現(xiàn)，巷道底板塑性區(qū)范圍明顯小于兩幫及頂板，而兩幫與頂板塑性屈服范圍基本相同，這與現(xiàn)場測試深部巷道圍巖松動圈厚度分布特征相符合.

表3 預應力為0 kN時巷道圍巖屈服單元隨歷時統(tǒng)計表

表3所示為不同時間步條件下發(fā)生塑性屈服的單元數(shù)量.根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：支護前期塑性屈服單元數(shù)量增長顯著，且在一個月內即發(fā)生了較大范圍單元的塑性屈服現(xiàn)象，后期塑性屈服單元增長緩慢，但是并未出現(xiàn)明顯停止的跡象，這與金川深部圍巖收斂變形時間長、蠕變特征明顯相符.

4 金川深部支護體變形機理分析

金川深部巷道圍巖變形破壞情況調查發(fā)現(xiàn)：金川深部巷道圍巖支護方式普遍選擇雙層噴錨網支護，巷道返修周期半年至一年不等，返修前巷道兩幫內收、頂板下沉、底板隆起現(xiàn)象明顯，部分巷道甚至收斂變形至不足1 m2.在發(fā)生大體積破裂變形的雙層噴錨網支護結構上發(fā)現(xiàn)：拱頂支護體發(fā)生相互侵入型破壞現(xiàn)象，并在拱頂兩側出現(xiàn)混凝土噴層剝離冒落現(xiàn)象；底板有顯著底臌痕跡；尋找支護結構上錨桿破壞情況發(fā)現(xiàn)，部分錨桿端部鋼墊板并無明顯破壞變形，且有少量錨桿發(fā)生彎曲并被拔出支護體外.

在噴錨網組合支護結構中，錨桿形成的錨固層組合拱是支護的主要承載結構，金屬網的作用是維護該組合拱的存在，防止它因巖塊冒落而失效[5].然而，如果錨桿形成的錨固層組合拱無法有效承受圍巖碎脹變形力，或錨桿并未有效深入穩(wěn)定巖層中，不能提供足夠的徑向壓力以限制圍巖應力向圍巖深部遷移，將致使噴錨網支護體失效[6].這兩個造成錨桿錨固失效的原因與錨桿支護參數(shù)息息相關，包括：錨桿錨固力與預應力、錨桿長度與間距.

根據(jù)觀察到的巷道圍巖變形破壞及支護結構變形情況，結合噴錨網支護變形機理及數(shù)值計算結果，基于現(xiàn)場測試得到的巷道圍巖松動圈厚度分布特征規(guī)律，可以判斷金川深部巷道支護結構失效原因.由于金川礦區(qū)的形成屬于侵入型礦床，加上地區(qū)構造應力復雜，使得礦區(qū)深部圍巖水平應力(構造應力)較大，巷道圍巖表現(xiàn)出顯著蠕變變形特性.實測數(shù)據(jù)顯示，巷道圍巖松動圈厚度較大，表現(xiàn)出明顯的工程軟巖變形特征，此時松動圈內破碎巖層施加在支護結構上的碎脹力較大，因此需要具有較大剛度且能夠允許發(fā)生少量變形的支護結構來保持巷道穩(wěn)定性，礦區(qū)現(xiàn)在普遍使用的雙層噴錨網支護能夠滿足這些條件.

但是在失穩(wěn)巷道段發(fā)現(xiàn)的錨桿錨空失效情況表明，錨桿錨固力不足以提供足夠剪應力抵抗碎脹力對支護結構的擠壓作用，即錨桿錨固力不足.造成這一現(xiàn)象的原因有一下三個原因：①錨固劑強度不夠，造成錨固力不足；②錨桿長度不夠，造成錨桿并未有效錨固在穩(wěn)定巖層中；③錨桿預應力不足，造成錨桿群形成的組合拱承載力較低.由于錨桿的支護作用失效，使得圍巖應力逐漸向深部遷移，造成松動圈范圍不斷擴大，這樣施加在噴錨網支護體上的碎脹力不斷增大，進一步惡化支護體工作環(huán)境.

5 結 論

(1)聲波法測試金川深部巷道圍巖松動圈厚度發(fā)現(xiàn)：巷道底板松動圈范圍最小(不足1.5 m)，兩幫及拱部松動圈范圍較大(2.0～2.5 m)，且兩幫稍大于拱部，這與礦區(qū)地應力分布特征相吻合，證明應用聲波法測試金川深部礦區(qū)松動圈厚度是可行的.

(2)基于金川深部地應力特征建立了隨機裂隙網絡模型，計算結果表明巷道圍巖支護前期塑性區(qū)擴展速度較快，持續(xù)一個月時間后，擴展速度放緩，但是蠕變變形特征顯著.

(3)結合噴錨網支護作用機理與巷道圍巖變形破壞及支護結構變形特征的現(xiàn)場調查結果，分析得到造成金川深部支護結構變形的主要原因是錨固失效，從而造成錨桿群不能有效限制圍巖應力向深部遷移而導致松動圈范圍持續(xù)擴大.

[1] 陳慶發(fā), 張世雄, 王官寶, 等. 傾斜薄層巖體巷道圍巖松動圈測試研究[J]. 礦山壓力與頂板管理, 2005(2): 61-63.

[2] 董方庭, 宋宏偉, 郭志宏, 等. 巷道圍巖松動圈支護理論[J]. 煤炭學報, 1994,19(1):21-32.

[3] 楊旭旭, 王文慶, 靖洪文. 圍巖松動圈常用測試方法分析與比較[J]. 煤炭科學技術, 2012,40(8): 1-5.

[4] 劉業(yè)科. 水巖作用下深部巖體的流變特性與損傷演化研究[D]. 長沙：中南大學, 2012.

[5] 徐基根, 田素川, 孫 康, 等. 大變形軟巖巷道錨網支護失效機理研究[J]. 山西焦煤科技, 2011(9): 7-10.

[6] 謝文兵, 楊 超, 錢 勛, 等. 軟巖巷道中錨桿支護失效的機理[J]. 礦山壓力與頂板管理1999(2):11-12.

Test of Relaxation-zone of Surrounding Rock on Deep Area and Deformation Mechanism Analysis of Supporting Structure

LIU Jing-shuo1, PU Cheng-zhi2,FAN Jin-xing1, LIU Hua-ping1

(1.Hunan Technical College of Water Resources Hydro Power, Changsha 410131, China ; 2. School of Resources and Safety Engineering, Central South University，Changsha 410083, China)

Based on the sonic wave technology, the field test of relaxation-zone of surrounding rock is made on the deep area of the NO.2 mining district of Jinchuan. By the analysis and research on the testing results, the characteristic of the thickness of relaxation-zone on the deep area of Jinchuan is obtained. The stochastic fracture network is established by the program FLAC3D. Then the development law of plastic zone of surrounding rock on the deep area of Jinchuan is analyzed. The deformation mechanism of double-bolting-wire mesh-shotcreting support of surrounding rock on the deep area of Jinchuan is studied on the basis of mechanics mechanism of bolting-wire mesh-shotcreting support and surrounding rock, combining with the deformation characteristics of surrounding rock and supporting structure.

surrounding rock; relaxation-zone sonic wave technology; bolting-wire mesh-shotcreting support; deformation mechanism

2014-12-20

國家自然科學基金資助項目(51174228); 湖南省教育廳科技資助項目(14C0746).

劉京鑠(1979-)，男，博士研究生，講師,研究方向：巖土工程.

TU 45

A

1671-119X(2015)02-0086-05