齊消寒　張東明

(1.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院；2.煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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深部破碎軟巖巷道松動(dòng)圈確定及支護(hù)

齊消寒1，2張東明1，2

(1.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院；2.煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

摘要深部礦井巷道掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)力逐漸升高，節(jié)理裂隙發(fā)育，錨噴支護(hù)中錨固深度不能達(dá)到圍巖穩(wěn)定范圍，錨固端處于松動(dòng)圈破碎巖體內(nèi)，錨固力極低或喪失。為此，提出利用現(xiàn)場(chǎng)物探和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，判斷松動(dòng)圈范圍，確定穩(wěn)定、完整巖體深度，優(yōu)化錨索支護(hù)設(shè)計(jì)，采用錨網(wǎng)索與U型鋼支架協(xié)同支護(hù)，以控制破碎軟巖巷道支護(hù)失效的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞松動(dòng)圈破碎軟巖巷道支護(hù)數(shù)值模擬

長(zhǎng)期以來(lái)，在煤礦生產(chǎn)中,巷道支護(hù)一直是影響生產(chǎn)進(jìn)度的重要環(huán)節(jié)，尤其是破碎軟巖巷道的支護(hù)。隨著煤炭開(kāi)采深度的增加，巷道圍巖壓力增大，出現(xiàn)底鼓、變形，穩(wěn)定性差，巷道的維護(hù)極為困難，支護(hù)費(fèi)用直線上升，嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)。因此，迫切需要探索較為準(zhǔn)確地判斷巷道圍巖松動(dòng)圈范圍的方法，以采用科學(xué)合理的支護(hù)方式對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生[1]。

1深部破碎巷道松動(dòng)圈形成原因分析

巷道掘進(jìn)破壞了巖石的原始應(yīng)力狀態(tài)，造成的直接應(yīng)力變化是：巷道徑向應(yīng)力減小為零，切向出現(xiàn)應(yīng)力集中，臨近巖壁的巖石由原來(lái)的三向受力狀態(tài)變?yōu)榻苾上蚴芰?，巖體強(qiáng)度降低。當(dāng)巖石應(yīng)力集中值大于其強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)破斷、開(kāi)裂。這種破裂由淺及深，逐步向圍巖深處擴(kuò)展，直至達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。此時(shí)圍繞開(kāi)挖巷道形成一個(gè)破裂區(qū)，即巷道松動(dòng)圈。而深部破碎巷道由于圍巖應(yīng)力大，巖體強(qiáng)度低，因而表現(xiàn)得尤為強(qiáng)烈。松動(dòng)圈從內(nèi)到外依次為破裂穩(wěn)定區(qū)(R0≤r≤Rj)、破裂劇烈區(qū)(Rj≤r≤Rs)、彈性區(qū)(Rs≤r≤+∞)[2]。如圖1所示。

2松動(dòng)圈范圍探測(cè)與數(shù)值模擬

地質(zhì)雷達(dá)作為一種無(wú)損探測(cè)技術(shù)，使用方便，探測(cè)成本低廉且探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，在工程中得到廣泛應(yīng)用。因此將其用于巷道松動(dòng)圈探測(cè)，可為巷道支護(hù)提供合理準(zhǔn)確的參數(shù)[3]。

2.1工程概述

某礦地面標(biāo)高465～920 m，巷道標(biāo)高256～273 m，用作運(yùn)煤、材料及運(yùn)送上下班人員。巷道揭露地層主要為峨眉山組和宣威組下段，宣威組下段巖石硬度系數(shù)4～6，玄武巖硬度系數(shù)大于10。巷道采用錨噴支護(hù)，但由于支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，使用過(guò)程中出現(xiàn)圍巖斷裂失穩(wěn)、變形過(guò)大等現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)巷道頂板下沉量約0.5 m，底鼓約0.32 m。

圖1　巷道圍巖應(yīng)力分布及物理力學(xué)狀態(tài)

2.2地質(zhì)雷達(dá)工作原理

針對(duì)本次檢測(cè)工程特點(diǎn)，采用SIR-20型地質(zhì)雷達(dá),工作頻率400 Hz天線配合使用。該設(shè)備分辨率高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)。

地質(zhì)雷達(dá)主要借助電磁波在不同介質(zhì)中傳播的差異性，完成不同巖層的探測(cè)。其原理如圖2所示，雷達(dá)記錄見(jiàn)圖3。

由于電磁發(fā)射方向與界面垂直且收發(fā)天線距離很小，所以反射系數(shù)可寫(xiě)為

(1)

圖2　雷達(dá)工作原理

圖3　雷達(dá)記錄示意

不同介質(zhì)介電常數(shù)不同，因此當(dāng)電磁波到達(dá)時(shí)，會(huì)在界面處產(chǎn)生反射回波信號(hào)。根據(jù)水、空氣、混凝土及巖石的介電差異性，在裂縫部分呈現(xiàn)強(qiáng)烈的反射[4]。

2.3地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)與成果分析

利用地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損探測(cè)技術(shù)對(duì)某支護(hù)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行探測(cè)。在巷道磧頭前方，選取兩個(gè)典型斷面，探測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4　雷達(dá)探測(cè)灰度

從圖4(a)可知，第一個(gè)斷面巷道圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，左拱腰至拱頂電磁波反射較強(qiáng)，拱頂向上延伸5～10 m處有較大離層出現(xiàn)，10～12.5 m存在較多貫通裂隙，探測(cè)區(qū)域圍巖破碎，松動(dòng)圈高度自拱頂向上延伸至12.5 m左右。

從圖4(b)可知，第二個(gè)斷面巷道圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，整個(gè)斷面電磁波反射均較強(qiáng)烈，5～10 m 出現(xiàn)明顯離層，13～15 m存在小型裂隙，探測(cè)區(qū)域圍巖破碎。從反射波判斷，松動(dòng)圈發(fā)育高度自拱頂向上延伸至15 m。

圖4兩個(gè)探測(cè)斷面的反射面都比較多，反映出巖體后方裂隙較多，這可能與軟巖變形較大有關(guān)。圍巖體內(nèi)的破裂斷面較多，斷面四周出現(xiàn)的斷碎區(qū)域非常明顯。斷面一有兩處明顯的離層，估計(jì)未來(lái)斷面會(huì)出現(xiàn)類似的破碎區(qū)域，施工過(guò)程中應(yīng)注意巖體的變形，并及時(shí)處置。

2.4FLAC3D數(shù)值模擬確定塑性區(qū)范圍

本次采用FLAC3D有限差分程序?qū)ΜF(xiàn)有支護(hù)條件下巷道穩(wěn)定性進(jìn)行模擬。

2.4.1三維模型建立與模擬過(guò)程

(1)巖石巖性假設(shè)。假設(shè)巖石為各向同性、均質(zhì)、符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，本構(gòu)模型采用較成熟的摩爾-庫(kù)倫模型。

(2)模型尺寸簡(jiǎn)化。根據(jù)255 m南機(jī)軌運(yùn)輸大巷位置及勘探線地質(zhì)剖面圖，選取模型沿走向長(zhǎng)70 m，巖層傾角12°，走向長(zhǎng)20 m，豎直方向自巷道向下延伸35 m、向上延伸35 m，35 m以上載荷為命令，施加垂直向下均布荷載。建立的幾何模型如圖5所示。

圖5　幾何模型

(3)巷道結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)255 m南機(jī)軌運(yùn)輸大巷設(shè)計(jì)尺寸，將巷道簡(jiǎn)化為實(shí)體，取巷道高4 m，寬4.8 m，截取巷道磧頭前方長(zhǎng)50 m的區(qū)域進(jìn)行模擬。

(4)邊界條件。為盡量接近真實(shí)物理場(chǎng)狀態(tài)，沿傾斜方向邊界X向施加輥軸支撐邊界條件，約束x方向運(yùn)動(dòng)，允許y和z向運(yùn)動(dòng)；沿走向方向邊界Y向施加輥軸支撐，約束y向運(yùn)動(dòng)，巖體可作x和z向運(yùn)動(dòng)；垂直方向只在下表面施加z向輥軸支撐，約束z向運(yùn)動(dòng)，上表面施加均勻應(yīng)力。

(5)模型參數(shù)。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，得到研究區(qū)域各巖層的巖性，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化后得到相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

2.4.2數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

當(dāng)?shù)叵聨r體受到人類工程活動(dòng)影響后，原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，原巖應(yīng)力場(chǎng)中臨近巷道開(kāi)挖區(qū)各點(diǎn)的應(yīng)力大小、方向、水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的比值等都發(fā)生變化，即巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布達(dá)到新的平衡。在達(dá)到新平衡的過(guò)程中，某些區(qū)域的巖體發(fā)生損傷、變形、斷裂和移動(dòng)。圖6、圖7為巷道圍巖塑性區(qū)和垂直位移云圖。

圖6　巷道圍巖塑性區(qū)

圖7　巷道圍巖垂直位移云圖

塑性區(qū)是荷載產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)巖石極限承載力，使其局部產(chǎn)生不可恢復(fù)變形的屈服區(qū)域。從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看(圖6)，巷道塑性區(qū)域?yàn)?0～15 m，數(shù)值模擬得到巷道圍巖頂板最大變形量0.423 m，底鼓0.3 m，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況接近。

3破碎軟巖巷道支護(hù)對(duì)策

從地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，松動(dòng)圈外邊界深度范圍為10～12.5 m，松動(dòng)圈范圍大、節(jié)理裂隙密集、裂隙雜亂密集，應(yīng)屬于不穩(wěn)定狀態(tài)。此類圍巖支護(hù)形式必須具備以下特點(diǎn)：支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有限制圍巖過(guò)大變形的能力；采用主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合的方式，充分利用圍巖的自穩(wěn)能力，使圍巖自主形成梁、殼、拱等結(jié)構(gòu)，避免松動(dòng)圈變形，垮落；實(shí)現(xiàn)全斷面支護(hù)，及時(shí)封閉圍巖，防止圍巖發(fā)生過(guò)大變形或坍塌事故[5]。

根據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)物探判斷松動(dòng)圈范圍，確定穩(wěn)定完整的巖體深度，提出錨網(wǎng)索與U型鋼支架協(xié)同支護(hù)的方式，以控制破碎軟巖巷道支護(hù)失效的問(wèn)題。

3.1初次支護(hù)

巷道開(kāi)挖之后，巖石的原始應(yīng)力平衡被破壞，會(huì)以應(yīng)力釋放和快速形變的形式達(dá)到新的平衡，在破壞和大形變發(fā)生之前，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。第一次支護(hù)包括：噴射混凝土、立鋼拱架、打錨索、聯(lián)網(wǎng)、復(fù)噴混凝土，盡快封底，形成封閉式支護(hù)，以求圍巖自穩(wěn)。

3.2端錨加固

初次襯砌之時(shí)，在相鄰鋼拱架之間布置端錨預(yù)應(yīng)力錨索，如圖8所示。根據(jù)12～5 m松動(dòng)圈，設(shè)計(jì)端錨預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)度為18 m，在15～18 m段注漿，0～15 m段處于松動(dòng)圈內(nèi)，不用注漿。其布置方式如圖9所示(具體布置參數(shù)需進(jìn)一步試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)確定)。

圖8　端錨預(yù)應(yīng)力錨索錨固示意

圖9　端錨預(yù)應(yīng)力錨索布置示意

圖10　錨索-U型鋼支護(hù)后圍巖塑性區(qū)

圖11　支護(hù)后垂直位移

在利用建立的FLAC3D模型模擬錨索-U型鋼支護(hù)條件下的巷道開(kāi)挖，從數(shù)值模擬結(jié)果(如圖10和圖11)可知，支護(hù)后，塑性區(qū)范圍5～7.5 m；拱頂最大沉降量為0.07 m，底鼓0.08 m。巷道的變形和破壞得到了控制。

4結(jié)論

通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬試驗(yàn)，確定松動(dòng)圈范圍為從巖壁向深部延伸10～12.5 m，松動(dòng)圈范圍大、節(jié)理裂隙密集、雜亂，屬不穩(wěn)定狀態(tài)。采用主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合的方式，充分利用圍巖的自穩(wěn)能力，使圍巖自主形成梁、殼、拱等結(jié)構(gòu),避免松動(dòng)圈的變形，垮落；實(shí)現(xiàn)全斷面支護(hù)，及時(shí)封閉圍巖，防止圍巖過(guò)大變形或坍塌事故的發(fā)生；使用錨網(wǎng)索與U型鋼支架協(xié)同支護(hù)，控制了破碎軟巖巷道的支護(hù)失效問(wèn)題。從數(shù)值模擬效果可知，該支護(hù)方式很好地控制了巷道變形。

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(收稿日期2015-09-16)

Identification and Supporting of the Broken Zone in Fractured Soft Rock Surrounding a Deep Roadway

Qi Xiaohan1,2Zhang Dongming1,2

(1. College of Resource and Environmental Science, Chongqing University;2. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control)

AbstractIn the process of roadway drivage in deep mine, the stress is increased gradually, the joint fissures are developed. The anchorage depth can not reach the range of stability of surrounding rock, the anchor end is located in a loose circle broken rock mass, the anchoring force is extremely low or loss. In order to solve the above roadway supporting problem, the geophysical prospecting method and numerical simulation method is adopted to determine the loose circle range and the depth of stability and integrity rock mass, and optimize the design of the anchor rope supporting. The collaborative supporting method of anchor wire rope and U-shape steel bracket is adopted to control the supporting failure problems of soft rock roadways.

KeywordsLoose circle, Broken soft rock roadways, Supporting, Numerical simulation

齊消寒(1987—)，男，400044 重慶市沙坪壩區(qū)沙正街174號(hào)。