朱家道

(貴州盤江精煤股份有限公司，貴州 盤州 553537 )

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，東部地區(qū)淺表層的礦體已基本開采完。為了能更好的利用礦區(qū)的資源，現(xiàn)階段礦區(qū)深部的開采變得越來越普遍[1-2]。在開采礦區(qū)深部煤礦資源的過程中，高應(yīng)力軟巖的支護設(shè)計顯得尤為重要[3]。此類圍巖由于其獨特的地質(zhì)原因，導(dǎo)致其圍巖的變形大、支護結(jié)構(gòu)易變形[4]。傳統(tǒng)的支護方式很難保證深部巷道長時間的穩(wěn)定性能，還容易引發(fā)坍塌事故，導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失[5]。

以往學(xué)者針對軟巖巷道的支護設(shè)計有過相關(guān)的研究[6-8]。楊仁樹等[9]以實際的巷道工程為例，針對其圍巖變形破壞機理進行了分析，結(jié)果表明：工程地質(zhì)條件、支護結(jié)構(gòu)形式、圍巖承載力等都能夠很大程度上影響軟巖巷道圍巖的支護效果；趙勇等[10]采用數(shù)值模擬的方式分析了軟巖巷道的側(cè)壓系數(shù)對巷道變形破壞的影響，并提出了錨索和U型鋼結(jié)合的支護方案；王文杰等[11]基于FLAC軟件分析了軟巖巷道錨桿支護結(jié)構(gòu)受力特征及其變形破壞機理。當前學(xué)者的研究大都集中在某一特定軟巖巷道的支護方案分析，為了能夠更全面的了解巷道支護方案的特點，本文結(jié)合巖石破壞準則，分析了幾種常見的巷道支護方案，結(jié)合實際的巷道支護案例，模擬分析了高應(yīng)力深部軟巖巷道支護的最優(yōu)方案，為其他類似的深部巷道支護提供一定的參考依據(jù)。

1 高應(yīng)力深部軟巖巷道圍巖破壞機理

高應(yīng)力深部軟巖巷道圍巖的破壞機理主要有以下幾種：

1)礦區(qū)所處的工程地質(zhì)環(huán)境差，巷道圍巖的強度低。此種狀態(tài)下當開挖巷道時，圍巖會處于很高的應(yīng)力狀態(tài)下，對于支護結(jié)構(gòu)的要求高。同時，在高應(yīng)力的持續(xù)作用時間下，圍巖的塑性變形顯著加強，變形時間也變長，這樣就導(dǎo)致圍巖的破壞范圍和破壞程度變大。此種現(xiàn)場的產(chǎn)生極易導(dǎo)致巷道圍巖變形失穩(wěn)。

2)圍巖的變形不均勻，導(dǎo)致圍巖支護內(nèi)部的U型鋼支架很難起作用。圖1所示為模擬的某高應(yīng)力深部軟巖巷道圍巖位移分布圖。由圖1可見，巷道圍巖在水平和垂直方向上的位移明顯不一致。這種現(xiàn)象的發(fā)生很好地反映了巷道圍巖在開挖的過程中其受力變形的不對稱。

為了能夠解決圍巖的不均勻變形導(dǎo)致的破壞。一般情況下，在圍巖支護之前都會考慮事先注漿(圖2)。

圖1 巷道圍巖位移分布(圖中數(shù)字單位為kN·m)Fig.1 Distribution map of wall rock displacement in tunnel

注漿支護巷道圍巖可以在圍巖表面形成比較均勻的受力結(jié)構(gòu)，很好的抵抗其剪切和拉伸破壞，最大程度上防止圍巖受力不均勻。

3)巷道圍巖支護缺乏針對性。深部軟巖巷道在考慮其支護結(jié)構(gòu)過程中，需要充分利用圍巖的結(jié)構(gòu)特點，發(fā)揮圍巖的承載能力。由于巷道圍巖在破壞的過程中其范圍較廣，在使用錨桿支護巷道圍巖的過程中，錨桿的長度有限不能充分地加固巷道圍巖。圖3為模擬的不同預(yù)應(yīng)力條件下高應(yīng)力深部軟巖巷道圍巖支護應(yīng)力場分布情況。由圖3可見，錨桿和錨索針對圍巖的預(yù)應(yīng)力較低，同時兩者還不能實現(xiàn)有效的應(yīng)力疊加。這種錨桿結(jié)合錨索的支護結(jié)構(gòu)很難滿足深部軟巖巷道支護的承載力要求。

圖2 注漿支護斷面圖Fig.2 Grouting support section map

圖3 不同預(yù)應(yīng)力條件下巷道圍巖支護應(yīng)力場分布Fig.3 Distribution of stress field in tunnel surrounding rock support under different prestressing conditions

4)應(yīng)力環(huán)境。深部軟巖巷道開挖后，其自身承載力的應(yīng)力層與周圍的地質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力層互相疊加出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道的承載能力變差、應(yīng)力集中明顯。

5)水理作用。當高應(yīng)力深部軟巖巷道滲水嚴重時，其圍巖與水長時間接觸會降低圍巖的承載能力。對于圍巖中高嶺石含量較多的巷道，水的侵入會導(dǎo)致圍巖膨脹，最終圍巖會呈現(xiàn)破碎的形態(tài)。

2 巖體破壞準則

現(xiàn)階段學(xué)者在研究巖體破壞特征時，主要考慮的巖體力學(xué)參數(shù)有以下三種：反演分析法、人工合成巖體法和巖體分類法[12-14]。巖體破壞準則的表達式為公式(1)：

(1)

式(1)中：σ1、σ3分別為巖體在受力破壞時的最大和最小主應(yīng)力；σci、mb分別為巖體的抗壓強度、巖體的強度參數(shù)；s為巖體的強度參數(shù)；a為巖體的強度常數(shù)。其值具體計算見公式(2)、(3)、(4)：

(2)

(3)

(4)

其中：mi代表的是巖體的強度變量，在實際的計算過程中需要通過相應(yīng)的三軸抗壓試驗取得；D為巖體在開挖過程中的對周圍的影響系數(shù)，對于使用的挖掘機通常取0。

同時，根據(jù)Hoek-Brown曲線可以求得巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

(5)

(6)

式(5)、(6)中：σ3n=σ3,max/σci，σ3,max為巖體在所處環(huán)境下的最大圍壓。

3 巷道支護方案設(shè)計及數(shù)值模擬

本文采集了來自貴州盤江精煤股份有限公司山腳樹煤礦下的圍巖礦石。在巖體圍巖進行監(jiān)測之前，需要對巖石樣本進行單軸及變形實驗。首先，將采集得到的巖體樣本進行破碎和切割，最終制得50 mm×100 mm的標準構(gòu)件。然后將制得的巖石構(gòu)件進行加載實驗，觀測巖體的破壞狀況直至破壞。在巖石單軸抗壓實驗過程中，需要記錄試件不同應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變，最終得到的巖體單軸及變形結(jié)果見表1。

表1 巖樣單軸及變形實驗結(jié)果Table 1 List of uniaxial and deformation experiment results of rock samples

3.1 巷道支護方案設(shè)計

本文在考慮獨特的地質(zhì)條件下，選擇中空注漿錨索巷道支護方案。中控注漿錨索的直徑為21.6 mm，長8m，配用400 mm×400 mm×15 mm高強度拱形托盤，預(yù)緊力不得低于250 kN。每個斷面布置5套中空注漿錨索，排距1600 mm，每根錨索采用2支MSK2360快速樹脂藥卷加長錨固，使錨索能立即承載。中空注漿錨索注漿時機根據(jù)礦壓觀測確定，開始階段按滯后迎頭30m實施，水灰比為1∶1，注漿壓力為5 MPa～7 MPa。具體的二次錨桿強化支護和巷道錨桿、錨索布置見圖4、圖5。

圖4 二次錨桿(索)強化支護Fig.4 Secondary anchor (cable) reinforced support

圖5 巷道錨桿、錨索布置平面圖Fig.5 Layout plan map of tunnel anchor rod and anchor cable1—一次支護錨桿 2—二次支護錨桿 3—二次支護中空注漿錨索 4—注漿管

3.2 數(shù)值模擬分析

本文分析的山腳樹煤礦下的圍巖礦石由于處于深部軟巖巷道，因此在數(shù)值模擬計算過程中，主要是針對其支護結(jié)構(gòu)進行分析。本文的數(shù)值模擬軟件為FLAC軟件，建立的圍巖整體力學(xué)模型圖見圖6?？紤]到巷道周圍的邊界效應(yīng)，根據(jù)模型試驗理論的第一相似定理，本文選擇巷道的模型邊界取實際的巷道直徑5倍進行模擬試驗。模型的具體尺寸為50 m×20 m×60 m，總體的單元個數(shù)為52 600個，共包含58 965個相應(yīng)節(jié)點。在模擬高應(yīng)力深部軟巖巷道支護方案設(shè)計的過程中，為了能夠更好地貼合實際的開挖過程，模型中限制了前后左右的位移，巷道的底部也限制了其各個不同方向上的位移。

圖6 整體力學(xué)模型Fig.6 Whole mechanical model

本文在模擬巷道圍巖的支護過程中，主要考慮錨桿長度分別為2 m、2.3 m和2.7 m的三種方式。通過對比三種不同錨桿長度支護方案的豎向位移，分析其支護效果。圍巖巷道的頂端有位移監(jiān)測計，分別記錄不同支護條件下其位移的變化情況。具體的位移曲線見圖7。

4 結(jié)論

1)隨著巷道支護錨桿的長度逐步減小，深部高應(yīng)力軟巖巷道的最大豎向位移和變形逐漸增加。

2)對比錨桿長度為2.7 m、2.3 m和2 m的支護方案可知，2.3 m長的錨桿其支護效果較好，且能最大程度上節(jié)約支護的成本。

3)數(shù)字模擬分析和實際的工程實踐結(jié)果表明，中空注漿錨索巷道支護方案能夠較好地控制高應(yīng)力深部軟巖巷道圍巖的變形，保護圍巖的長期穩(wěn)定性。

圖7 巷道圍巖位移監(jiān)測圖Fig.7 Monitoring map of surrounding rock displacement in tunnel