高曉耕，賀 文

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013； 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

我國礦山開采深度目前已超過千米，受深部高地應力、高地溫、高巖溶水壓等因素影響，地下工程圍巖將表現(xiàn)出明顯的非線性變形特征[1-3]。同時，隨著井下設(shè)備朝大型化、集約化和智能化方向發(fā)展，大斷面硐室的需求越來越多[4-5]。大斷面硐室開挖擾動明顯，普遍存在圍巖變形劇烈、支護困難和穩(wěn)定性差等問題[4]。若硐室所處地質(zhì)條件復雜，圍巖穩(wěn)定性控制存在較大挑戰(zhàn)。目前，關(guān)于深井大斷面硐室圍巖穩(wěn)定性的研究成果主要集中在圍巖變形破壞機理和圍巖支護控制兩個方面。機理研究方面，楊仁樹等[6]分析了復雜巖層大斷面硐室群圍巖變形破壞特征和機理，提出硐幫煤柱和底板圍巖是加固支護的重點；張同俊等[7]通過數(shù)值模擬分析了深部大斷面硐室圍巖應力演化及變形破壞規(guī)律，指出拱角部位應力集中現(xiàn)象明顯，是圍巖變形控制關(guān)鍵位置；董宗斌[8]現(xiàn)場分析超大斷面硐室圍巖破壞類型，指出強幫支護對硐室穩(wěn)定性的重要作用。支護控制研究方面，蔣華等[9]研究了強采動應力對大斷面硐室圍巖變形破壞的影響，提出注漿加固和注漿錨索聯(lián)合加固方案；王述紅等[10]較早研究了淺埋大斷面硐室穩(wěn)定性，指出初期柔性支護以適應圍巖變形的重要性；韋寒波等[11]介紹了大斷面膠帶驅(qū)動機硐室開挖和支護設(shè)計，指出錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護的有效性。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，程燕學[12]提出“錨噴注”聯(lián)合支護技術(shù)控制大斷面絞車房圍巖變形過大問題；謝永存等[13]針對復合頂板硐室圍巖變形特征，提出了“高強錨桿+雙層鋼筋梯子梁+錨索+鋼筋網(wǎng)”的聯(lián)合支護方案。綜上分析，深部大斷面硐室開挖及支護是一個動態(tài)施工過程，硐室開挖階段應減小施工擾動，盡量保證圍巖自身穩(wěn)定性。開挖完成后應立即初噴并盡快二次襯砌，避免圍巖破壞范圍較大。本文分析毛坪鉛鋅礦盲豎井大斷面注漿硐室圍巖變形破壞特征，提出采取“錨網(wǎng)索噴”聯(lián)合支護技術(shù)控制圍巖變形，取得了良好的支護效果，為類似工程提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)特征

1.1 工程概況

云南馳宏鋅鍺股份有限公司毛坪鉛鋅礦位于彝良縣毛坪鎮(zhèn)，該礦河西找探礦盲混合井井筒凈徑Φ5.5 m，井口標高+920 m，井底標高-50 m，設(shè)計井深970 m。盲混合井井筒主要穿越石炭系中統(tǒng)威寧組地層，其中包含厚層灰?guī)r、白云巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，地下水活動痕跡明顯。為避免盲豎井井筒涌水量大，采用井下預注漿技術(shù)進行堵水加固[14]，保障井筒安全快速掘進。常規(guī)井筒地面預注漿技術(shù)地面作業(yè)，采用大型鉆探與注漿設(shè)備，具有施工效率高、堵水效果可靠等優(yōu)點[14-15]。盲豎井井下預注漿堵水若繼承地面預注漿技術(shù)優(yōu)點，需要將地面大型鉆探與注漿設(shè)備搬運至井下作業(yè)，因此就需要在井下開掘大斷面注漿硐室。如圖1所示，盲豎井設(shè)計6個井下預注漿鉆孔，沿井筒四周布置3個大型注漿硐室。注漿硐室最大開掘空間長×寬×高為9.0 m×9.2 m×16.0 m，屬超大斷面硐室。

圖1 盲豎井注漿硐室布置Fig.1 Layout of the grouting chamber for blind shaft

1.2 地質(zhì)條件

盲豎井注漿硐室布置在石炭系宰格組白云巖地層中，圍巖巖性為灰白色細晶白云巖，RQD值為25%～75%，巖石堅固系數(shù)f為3.0～5.0。地層受北西、南東方向擠壓，圍巖鄰近斷層破碎帶，存在多組交叉節(jié)理裂隙，完整性相對較差。同時，硐室埋深較大，地應力高[16]，開挖卸荷后圍巖變形迅速，初始變形速率較大。因此，大斷面注漿硐室開挖及支護施工難度較大，冒頂、片幫危險性高。

2 圍巖穩(wěn)定性模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

為了得到大斷面注漿硐室圍巖應力水平和變形破壞特征，采用FLAC3D軟件建立注漿硐室圍巖穩(wěn)定性分析模型(圖2)，模型長×高為120 m×116 m，注漿硐室為梯形斷面結(jié)構(gòu)。模型上邊界和水平邊界施加應力邊界條件，根據(jù)測試結(jié)果，豎直應力大小為覆巖的自重應力，取11.7 MPa；水平主應力取12.14 MPa[16]。模型底部邊界為固定垂直位移約束，本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型。

圖2 硐室圍巖變形數(shù)值分析模型Fig.2 Numerical simulation model for surrounding rock of the chamber

2.2 模擬結(jié)果分析

初始應力迭代平衡后，開始注漿硐室的模擬開挖分析。圖3(a)為硐室圍巖壓應力云圖，從圖中可以看出，硐室圍巖邊角部位存在明顯的壓應力集中現(xiàn)象，最小主應力出現(xiàn)在硐室底角位置，為33.6 MPa。最大主應力云圖如圖3(b)所示，硐室開挖卸荷后，圍巖拉應力出現(xiàn)在硐室邊界的中間部位，由于硐室高度大，硐壁中部拉應力范圍較大，控制不當易發(fā)生片幫事故。 圍巖塑性破壞范圍詳見圖4，硐室邊角部位剪切破壞深度較大，最大為3.5 m。拉伸破壞主要發(fā)生在硐壁中部，最大破壞深度為1.8 m。根據(jù)圍巖應力及破壞特征，得到圍巖變形控制的關(guān)鍵部位為注漿硐室的頂?shù)装暹吔遣课缓晚媳谥胁?，開挖過程中應盡量減小圍巖擾動，加強臨時支護并及時二次襯砌。

3 開挖與支護對策

3.1 總體方案

由于注漿硐室斷面較大，為了便于施工并減小開掘擾動，采用導洞分層開挖方案。如圖5所示，共分4層開挖(編號Ⅰ～Ⅳ)，硐室開掘順序為：底部導硐→反掘溜井→硐頂開挖及臨時支護→分層開挖及臨時支護→永久支護?？紤]硐室跨度7.0 m較大，為減小圍巖暴露面積，頂部開挖分兩部步進行開挖和支護。臨時支護為錨噴支護，及時封閉圍巖，充分調(diào)動圍巖的自承載能力。二次支護采用“先讓后抗、讓抗結(jié)合、多次支護的圍巖穩(wěn)定新技術(shù)，支護形式具體為“錨網(wǎng)索噴”聯(lián)合支護。

圖3 硐室圍巖應力云圖Fig.3 Stress nephogram for the surrounding rock

圖4 圍巖塑性區(qū)分布Fig.4 Distribution of the plastic zone in surrounding rock

圖5 硐室分層開挖示意圖Fig.5 Sketch map of stage excavation for the chamber

3.2 硐頂開挖與支護方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，硐頂中部存在拉應力破壞趨勢，兩頂角剪切破壞深度大。為避免一次開挖裸巷跨度大，硐頂開挖與支護分三步進行。第一步：開掘硐頂一側(cè)至邊墻，進行錨噴臨時支護和“錨網(wǎng)索噴”永久支護；第二步：按照硐室設(shè)計位置刷擴右側(cè)硐頂至邊墻，采用同樣的支護方案；第三步：根據(jù)圍巖變形情況補打頂角錨桿、錨索，同時埋設(shè)起吊錨索，便于后續(xù)井下注漿鉆機安裝作業(yè)。硐頂支護示意圖見圖6，錨桿采用Φ20 mm螺紋鋼高強錨桿，長3.0 m，間距0.8 m，排距1.0 m。 錨索選用Φ15.2 mm預應力鋼絞線，長7.5 m，錨索垂直于硐室斷面布置，間距2.2 m，排距2.0 m，安裝預應力為150 kN。

圖6 硐頂支護剖面圖Fig.6 Support profile for roof of the chamber

3.3 硐壁及硐底支護方案

硐頂開挖及支護完成后，自上而下分層進行開挖。硐室兩幫臨時支護為“錨噴”支護，永久支護為“錨網(wǎng)索噴”聯(lián)合支護。鑿巖爆破時采取光面爆破技術(shù)盡量減輕對圍巖的破壞，掘至設(shè)計邊界立即進行臨時支護。由于硐室高度大，數(shù)值模擬結(jié)果表明開挖卸荷后，硐壁易出現(xiàn)拉應力集中區(qū)，為避免拉伸破壞導致圍巖片幫，硐壁支護增加預應力錨索，調(diào)動深部圍巖承載。錨桿采用Φ20 mm高強度螺紋鋼錨桿，長2.5 m，間排距1.0 m×1.0 m。初噴厚度為50 mm，強度等級為C20。預應力錨索施做完成后，復噴至設(shè)計厚度。

由于注漿硐室為井下注漿作業(yè)場所，如圖7所示，鉆機基礎(chǔ)設(shè)置在硐底中部，泥漿池設(shè)置在硐室邊墻一角。注漿作業(yè)需存儲鉆探泥漿、注漿漿液，要求硐底不能出現(xiàn)滲漏。同時，漿液和泥漿析出水易造成圍巖軟化，對支護不利。因此，硐底需采用鋼筋混凝土襯砌支護，襯砌厚度450 mm，強度等級為C40?？紤]硐室底角壓應力集中明顯，易發(fā)生剪切破壞，底角設(shè)置預應力錨索，并采用混凝土襯砌筑邊墻。

4 支護效果分析

圖7 硐底布置Fig.7 Layout of the floor of the chamber

圖8 硐室圍巖變形監(jiān)測曲線圖Fig.8 Displacement monitoring curve of the surrounding rock

為了保證注漿硐室長期穩(wěn)定性，布設(shè)頂板離層儀、表明收斂和多點位移計監(jiān)測硐室圍巖變形動態(tài)。頂板沉降及兩幫移近量連續(xù)監(jiān)測了200 d，圖8為圍巖典型變形曲線圖。 從變形曲線斜率可以看出，圍巖初始變形速率較大，隨時間推移逐步放緩。 圍巖頂板變形于120 d后趨于穩(wěn)定，頂板累計下沉96.44 mm；兩幫圍巖于80 d左右趨于穩(wěn)定，其中,左幫收斂值42.78 mm，右?guī)褪諗恐?6.62 mm；兩幫移近量為79.4 mm，小于頂板變形值。150 d后，頂板月沉降量不超過2 mm，兩幫移近量在1 mm以內(nèi)，表明硐室圍巖變形趨于穩(wěn)定。同時硐室內(nèi)無滲水現(xiàn)象，“錨網(wǎng)索噴”聯(lián)合支護取得了較好的支護效果。

5 結(jié) 論

針對井下注漿硐室斷面大、圍巖破碎的問題，采用了“溜井出渣、分層開挖、及時支護”的思路和關(guān)鍵部位控制技術(shù)，有效控制了圍巖的收斂變形，支護效果良好，確保了井下注漿實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)，可為類似大斷面硐室支護提供有效參考。

1) “溜井出渣、分層開挖”施工方法步驟簡單，效率高，可較大程度減小對圍巖的擾動破壞，臨時“初噴”及時封閉圍巖，二次“錨網(wǎng)索噴”充分調(diào)動了圍巖的自承載能力。

2) “錨網(wǎng)索噴”聯(lián)合支護作為一種主動支護形式，能夠有效控制大斷面硐室硐壁的圍巖變形，防止硐壁中部拉應力破壞造成圍巖片幫。

3) 硐底錨索和鋼筋混凝土襯砌明顯提高了支護結(jié)構(gòu)的整體性能和承載能力，避免硐底邊角的剪切破壞，較好地滿足了硐室長期穩(wěn)定和防滲等要求。