圍巖變形控制研究范文
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《長江科學(xué)院院報》2016年第一期
摘要:
由于巖石在高礦壓條件下具有較大塑性變形，深部軟巖巷道變形與破壞特征較為復(fù)雜，巷道的穩(wěn)定性控制變得非常棘手，因此選擇合適的巷道支護(hù)方法尤其重要。以具有上述地質(zhì)賦存條件的邢村煤礦為工程背景，根據(jù)支護(hù)理論分析與數(shù)值分析，基于FLAC3D有限差分軟件，系統(tǒng)研究了支護(hù)參數(shù)對于圍巖變形、應(yīng)力和塑性區(qū)分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明:對于軟巖破碎巷道，采用復(fù)合支護(hù)方法比傳統(tǒng)單一支護(hù)，具有顯著支護(hù)效果，更能有效控制巷道變形，從而為控制軟巖破碎巷道變形提供一定的研究基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:
軟巖破碎巷道;高應(yīng)力復(fù)合支護(hù);圍巖變形;塑性區(qū);邢村煤礦
我國煤炭資源豐富，隨開采深度不斷增大，絕大多數(shù)煤礦都存在深部軟巖巷道。對于處在深部的軟巖而言，其力學(xué)特性相比淺部軟巖有顯著的變化，主要體現(xiàn)在:深部圍巖延性明顯增大，物性流變和擴(kuò)容流變增強(qiáng)［1－2］，圍巖抗剪強(qiáng)度低且具有脹縮性［3］。深部軟巖巷道圍巖破壞機(jī)制很復(fù)雜，巷道開挖后圍巖應(yīng)力釋放，應(yīng)力重新分布。圍巖內(nèi)擠、從外向內(nèi)破碎，巷道圍巖周圍松動圈范圍過大［4］，形成破壞塑性區(qū)，主要體現(xiàn)在:“頂板－兩幫－底板”的剪切破壞，三者相互關(guān)聯(lián)相互耦合，牽一發(fā)而動全身［5－7］。對于這種復(fù)雜地質(zhì)條件，支護(hù)時應(yīng)該充分利用和發(fā)揮圍巖自承載能力和支護(hù)體系承載能力，隨著開采深度加深，單一支護(hù)效果不理想，而復(fù)合支護(hù)技術(shù)能有效控制圍巖變形，確保圍巖穩(wěn)定。本文通過分析巖體力學(xué)特征與復(fù)合支護(hù)機(jī)制，結(jié)合數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)際工程背景，提出最佳支護(hù)方案。
1工程背景及地質(zhì)條件
邢村煤礦位于鞏義市魯莊鎮(zhèn)邢村。該礦為NE—SW向，東西長約2．0km，南北寬0．67～1．05km，礦區(qū)面積1．687km2，煤層平均厚度2．71m。區(qū)內(nèi)上覆巖層大部分被第四系巖層覆蓋，地質(zhì)剖面圖如圖1所示。其巖層主要由黏土、砂巖層構(gòu)成，缺少關(guān)鍵持力層［8］。黏土吸水易膨脹、抗剪強(qiáng)度低，巷道開挖后極易發(fā)生臨空面圍巖流變現(xiàn)象，造成圍巖塑性變形大，松動圈擴(kuò)大，導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)松散，造成冒頂、空幫，給支護(hù)帶來一定困難。沿空留巷距離地表431m，工藝采用后退式開采。邢村煤礦地質(zhì)條件惡劣，其巷道圍巖特性屬于典型的軟巖破碎圍巖，必須對巷道圍巖破壞機(jī)制及巷道復(fù)合支護(hù)原理研究，分析圍巖變形機(jī)制及有效支護(hù)手段。
2圍巖變形破壞及支護(hù)原理數(shù)值模擬
2．1圍巖破壞機(jī)制深部巷道在自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、開采擾動等作用下，頂?shù)装迤茐男问街饕獮閺澙茐摹Ｏ锏纼蓭陀捎谙锏理敯搴偷装宓膽?yīng)力傳遞，應(yīng)力向兩側(cè)分散，表現(xiàn)為剪切破壞，而巷道周圍的圍巖由于應(yīng)力重分布，主要破壞形式為剪切破壞，局部有拉伸破壞趨勢。圍巖內(nèi)部是否發(fā)生拉伸破壞應(yīng)根據(jù)圍巖的抗拉強(qiáng)度σt判斷，而實(shí)際上除了巷道圍巖臨空面的邊界點(diǎn)，其他處圍巖主要發(fā)生剪切破壞。根據(jù)摩爾－庫倫準(zhǔn)則判斷圍巖某點(diǎn)是否破壞，即圍巖某點(diǎn)能夠承受最大剪應(yīng)力。由于軟巖破碎巷道的力學(xué)特性，圍巖的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ都很小，圍巖臨空面較易發(fā)生剪切破壞。因此為發(fā)揮圍巖自身承載力，應(yīng)提高圍巖黏聚力和內(nèi)摩擦角。
2．2各種單一支護(hù)原理數(shù)值模擬對于軟巖破碎巷道開挖初期宜用網(wǎng)噴支護(hù)。混凝土在強(qiáng)大噴射力下，填充到巷道表面破碎裂隙中，使破碎區(qū)膠結(jié)，圍巖的整體性大幅度增強(qiáng)，從而提高圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角。利用FLAC3D的梁單元來近似模擬噴層對巷道圍巖的加固效果，模擬參數(shù)見表1和表2。分別取金屬網(wǎng)噴前后頂、底板中點(diǎn)、幫部中點(diǎn)的位移作為衡量巷道穩(wěn)定性評價指標(biāo)。金屬網(wǎng)噴支護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算模型見圖2，模型尺寸(長×寬×高)為170m×50m×100m，模型中巖層屬性參數(shù)見表1。邊界條件為上部上覆巖層自重應(yīng)力邊界，兩側(cè)約束水平位移，下部約束豎直位移。對巷道進(jìn)行邊開挖邊金屬網(wǎng)噴支護(hù)，開挖結(jié)束后觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖3所示。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn):經(jīng)金屬網(wǎng)噴后的圍巖檢測線上的位移均明顯減小，但金屬網(wǎng)噴對圍巖的加固效果隨著表層臨空面向內(nèi)逐漸降低。當(dāng)沿檢測線深入達(dá)3m后加固效果不明顯，可見金屬網(wǎng)噴對圍巖加固最佳效果在淺層臨空面。全長錨桿的錨固劑可以提高鉆孔附近圍巖的力學(xué)性能，可以有效避免由圍巖破碎引起的脫錨，而且全長錨桿在承受拉應(yīng)力同時，還可以由桿體分擔(dān)圍巖的剪應(yīng)力。對于全長錨桿模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬模型及圍巖參數(shù)與上述相同。區(qū)別于端部錨桿錨固力平均分布于自由端，全長錨桿錨固力分布不均勻;錨固力呈中間大兩端小的趨勢，在圍巖中形成錐形壓縮區(qū)，如圖4(a)所示。圖4(b)為錨桿圍巖z向錨固分布，從圖4(b)可以看出，當(dāng)單根錨桿長3m時，圍巖受到壓力在距離錨固端大約1．5m時達(dá)到最大壓力，大約為18kN，此位置錨桿錨固效果最好，預(yù)應(yīng)力損失大約10%。隨著朝z方向繼續(xù)延伸，圍巖受到壓力逐漸減小，錨固效果逐漸變差;圍巖所受壓力整體分布趨勢為先增大后減小，當(dāng)最大錨固力正好處在松動圈上時錨固效果最好。對巷道進(jìn)行邊開挖邊錨桿支護(hù)，頂、底板及幫部布置間距800mm。如圖4(c)所示，合適的錨桿間距能夠在巷道圍巖四周形成均勻壓縮帶，可以有效防止巷道松動圈繼續(xù)擴(kuò)大造成過大的塑性變形，同時提高壓縮帶區(qū)域圍巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角，使圍巖充分發(fā)揮自承載力，圍巖穩(wěn)定性增加。分別取頂、底板中點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)觀察圍巖變形與錨桿長度及無錨桿時圍巖變形對比，如圖4(d)所示。當(dāng)無錨桿支護(hù)時，頂、底板位移分別達(dá)到11．75，10．92cm，隨錨桿長度增加，變形量逐漸減小，但當(dāng)錨桿長度達(dá)到3m后，錨桿對圍巖變形的限制效果逐漸減小。對于高應(yīng)力軟巖巷道，若巷道圍巖破碎嚴(yán)重，可先采用淺層注漿加固，即可以防止冒頂、空幫，又能提高圍巖力學(xué)性能，再用金屬網(wǎng)噴與錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)。后期待圍巖塑形變形基本得到控制后，可用混凝土襯砌或U型伸縮支架進(jìn)行巷道支護(hù)，進(jìn)一步提高巷道穩(wěn)定性。
3復(fù)合支護(hù)方案數(shù)值模擬及評價
由上述研究可見，各種單一支護(hù)對于軟巖破碎圍巖變形均具有一定控制性，只是單一支護(hù)對于地質(zhì)復(fù)雜巷道變形控制力稍顯不足。因此對于此類巷道支護(hù)方案如下:巷道開挖后，首先對巷道表層軟巖破碎區(qū)用硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行淺孔充填注漿，經(jīng)檢測注漿前后圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表3;再采用金屬網(wǎng)噴與錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)。巷道頂、底板分別各布置5根M24－22mm、長度3000mm的預(yù)應(yīng)力全長錨固樹脂錨桿，錨桿預(yù)緊力為120kN。另外配合2套17．8mm、長度6500mm的頂部補(bǔ)強(qiáng)錨索，錨索預(yù)緊力為200kN。頂、底板及幫部錨桿布置間距為800mm。頂板錨索布置間距為2500mm。錨桿、錨索排距1000mm。錨桿參數(shù)見表4。復(fù)合支護(hù)的圍巖模型大小、巖層物理力學(xué)參數(shù)與上述各個單一支護(hù)數(shù)值模擬圍巖模型一致。煤層工作面長度100m，預(yù)留10m保護(hù)煤柱。首先對巷道進(jìn)行邊開挖邊復(fù)合支護(hù)，巷道開挖結(jié)束后，再進(jìn)行工作面的開挖。從距離工作面45m處開始每5m記錄觀測點(diǎn)(頂板與底板中點(diǎn)、兩幫中點(diǎn))的位移大小，繪制隨工作面開挖圍巖觀測點(diǎn)位移折線圖;邊界條件與上述模擬一致。進(jìn)行支護(hù)后的圍巖塑性區(qū)效果如圖5所示。錨桿、錨索與圍巖結(jié)合緊密，且錨固力分布均勻，工作狀態(tài)良好。復(fù)合支護(hù)后圍巖塑性區(qū)范圍很小，滿足變形控制要求。巷道四角應(yīng)力集中現(xiàn)象基本消失;巷道頂、底板由于彎拉應(yīng)力引起的塑性區(qū)范圍明顯減小。經(jīng)檢測，注漿后圍巖破碎區(qū)的強(qiáng)度得到顯著提高，臨空面經(jīng)網(wǎng)噴支護(hù)后變形量也減小。由圖5數(shù)值模擬觀測點(diǎn)位移折線圖得出，當(dāng)工作面離巷道45m時，開采擾動對巷道影響很小，巷道圍巖變形量小，支護(hù)效果不明顯;但隨著工作面推進(jìn)，開采擾動不斷增大，圍巖變形量逐漸增大，支護(hù)效果逐漸體現(xiàn)出來。當(dāng)距離巷道10m時停止開挖，此時巷道圍巖變形量最大，而支護(hù)效果也達(dá)到最好，圍巖變形量滿足安全生產(chǎn)要求，得到較好控制。與圖3、圖4等單一支護(hù)圍巖位移圖對比，經(jīng)過復(fù)合支護(hù)后，巷道圍巖監(jiān)測點(diǎn)變形量均比各單一支護(hù)小，圍巖變形控制效果得到很大程度的改善。通過支護(hù)前、后各個監(jiān)測點(diǎn)位移折線圖對比，頂板的位移變形控制較為明顯，約為30%，對于底板位移變形控制大約為25%，對于右?guī)臀灰谱冃慰刂拼蠹s20%。
4結(jié)論
(1)巷道圍巖破壞形式為:頂、底板臨空面發(fā)生彎拉破壞，從臨空面向內(nèi)延伸發(fā)生剪切破壞。矩形巷道圍巖四角處同時有剪切應(yīng)力與彎拉應(yīng)力，因此巷道四角處容易產(chǎn)生較大塑性變形，圍巖總體破壞形式為剪切破壞。圍巖的支護(hù)與加固應(yīng)主要提高圍巖抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。(2)對于高應(yīng)力軟巖巷道圍巖金屬網(wǎng)噴支護(hù)，其支護(hù)效果主要是限制臨空面位移及對破碎表面的膠結(jié)加固;提高巷道表面圍巖強(qiáng)度，并隨圍巖深度加深，支護(hù)效果逐漸減弱至消失;最大有效支護(hù)深度約3m，屬于淺層加固。(3)對于預(yù)應(yīng)力全長樹脂錨桿，錨桿錨固力并不是均勻分布于錨桿內(nèi)部。錨桿對圍巖最大錨固力集中在桿體中部，并向兩邊遞減，最佳錨固效果分布在桿體中部。存在一個最佳錨固長度，當(dāng)錨桿長度大于此長度后，繼續(xù)增加錨桿長度對圍巖錨固效果影響變小。(4)對于高應(yīng)力軟巖巷道，普通單一支護(hù)很難達(dá)到較好的支護(hù)效果。復(fù)合支護(hù)可以形成多種支護(hù)耦合作用，能充分發(fā)揮各種支護(hù)對圍巖變形的控制效果。復(fù)合支護(hù)的支護(hù)效果隨著圍巖變形量的增加越來越好。
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作者：付強(qiáng) 趙玉成 徐慧 何東旭 甄亞斌 單位：中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室 力學(xué)與建筑工程學(xué)院 菏澤學(xué)院 資源與環(huán)境系