軟巖大變形巷道破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù)

　　摘要：針對(duì)軟巖大變形巷道圍巖控制難題，以象山礦井南一石門(mén)為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)取樣、物理相似模擬和FLAC3D數(shù)值計(jì)算，分析了巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，掌握了巷道各階段圍巖基本變形規(guī)律，得出巷道變形表現(xiàn)為四周收斂，具有明顯的軟巖特征，變形速度達(dá)3 -4 mm/d.研究發(fā)現(xiàn)：巷道底板極限平衡區(qū)最大深度為3. 57 m，兩幫極限平衡區(qū)最大深度為1.86 m，頂板極限平衡拱高度為4. 26 m.基于上述分析，結(jié)合“自穩(wěn)平衡圈理論”，提出合理的巷道支護(hù)方案，采用直墻圓弧拱帶反拱優(yōu)化斷面，確定了全斷面采用錨桿錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)噴漿支護(hù)，對(duì)圍巖極其破碎階段進(jìn)行注漿，頂錨桿長(zhǎng)度2.4 m，錨索長(zhǎng)度6m;幫錨桿長(zhǎng)度2.4 m，錨索長(zhǎng)度4m;底板采用長(zhǎng)度1.5 m的注漿錨桿，全斷面采用金屬網(wǎng)噴漿封閉。該研究方案已被礦區(qū)采納。

　　關(guān)鍵詞：石門(mén);軟巖;變形規(guī)律;破壞機(jī)理;自穩(wěn)平衡圈理論

　　《廣西電力建設(shè)科技信息》以馬列主義、毛澤東思想、鄧小平理論和“三個(gè)代表”重要思想為指導(dǎo)，全面貫徹黨的教育方針和“雙百方針”，理論聯(lián)系實(shí)際，開(kāi)展教育科學(xué)研究和學(xué)科基礎(chǔ)理論研究，交流科技成果，促進(jìn)學(xué)院教學(xué)、科研工作的發(fā)展，為教育改革和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

　　O 引言

　　巷道圍巖是由頂板、兩幫和底板共同組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中往往容易忽視三者之間的相互作用關(guān)系，這種關(guān)系在軟巖巷道支護(hù)中表現(xiàn)得更加顯著。何滿潮院士深入分析了軟巖變形的力學(xué)特征，得出以轉(zhuǎn)化復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制為重心的軟巖巷道支護(hù)方法[1-3]。董方庭等通過(guò)研究巷道圍巖松動(dòng)破壞特性，提出了圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論[4-6]。康紅普等分析了巷道支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系，認(rèn)為錨桿支護(hù)能最大限度保持圍巖的完整性，能夠避免有害變形的出現(xiàn)[7-8]。侯朝炯研究得出巷道圍巖錨桿加固后，其承載強(qiáng)度峰值得到提高，且強(qiáng)度峰值隨錨桿密度增大，形成了一整套圍巖加固支護(hù)理論[9-12]。楊本生等提出了高應(yīng)力軟巖巷道雙殼支護(hù)理論和軟巖巷道底鼓控制對(duì)策[13 -14]。馬念杰等提出巷道圍巖蝶形破壞概念，給出了巷道周?chē)?ldquo;蝶葉塑性區(qū)”理論公式[15-16]。黃慶享基于巷道“頂板一兩幫一底板”相互影響共同形成極限平衡圈的理念，提出了巷道圍巖極限平衡圈支護(hù)理論，確定了整環(huán)支護(hù)的原則，為確定巷道圍巖加固范圍和計(jì)算錨桿、錨索長(zhǎng)度提供理論依據(jù)[17-21]。

　　以象山煤礦南一軌道石門(mén)支護(hù)為研究背景，通過(guò)測(cè)定圍巖物理力學(xué)參數(shù)，實(shí)測(cè)巷道變形規(guī)律，結(jié)合物理模擬和數(shù)值計(jì)算，揭示了石門(mén)變形破壞機(jī)理，確定了合理的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，研究結(jié)果得到礦區(qū)采納，為石門(mén)支護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。1南一石門(mén)概況和圍巖力學(xué)性質(zhì)

　　象山礦井南一(軌道)石門(mén)為穿層巷道，巖層傾角為2度-7度，蓋山厚度為497 -662 m.巷道揭露圍巖主要為鋁土泥巖、7#煤和泥質(zhì)粉砂巖，地質(zhì)剖面如圖1所示。

　　巷道斷面為直墻拱形，掘進(jìn)斷面寬度4.8 m，高度3.1 m(墻高1.2 m，拱高1.9 m)。巷道原有支護(hù)采用10.7 IT12U型金屬支架(29#U型鋼)配合噴漿進(jìn)行支護(hù)，支架排距600 mm，噴漿厚度100mm.巷道變形破壞嚴(yán)重，需要多次采取擴(kuò)幫拉底、替換U型支架的措施來(lái)維持巷道的穩(wěn)定。石門(mén)多次拉底后，圍巖破碎，支護(hù)困難。

　　分別在距離南一石門(mén)口80，100，180，220，260和300 m處取巖樣6組，測(cè)定圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果見(jiàn)表1.圍巖巖性主要為K2灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖，圍巖干抗壓強(qiáng)度平均為32 MPa，泥巖水軟化系數(shù)0.4左右，遇水軟化明顯。

　　2 巷道圍巖變形規(guī)律

　　2.1 南一石門(mén)返修段總體巷道變形規(guī)律

　　南一石門(mén)返修段全長(zhǎng)約307 m，巷道返修l a后沿軸向全長(zhǎng)的累計(jì)變形分布，如圖2所示。

　　總體而言，石門(mén)底鼓、兩幫移近、頂板下沉都比較嚴(yán)重，表現(xiàn)為四周變形特征，特別是頂板遇到煤層、底板為泥巖的地段變形尤為嚴(yán)重。巷道每年需返修2次，累計(jì)頂板下沉和底鼓量達(dá)50 - 100cm，兩幫移近量達(dá)150 -220 cm以上。

　　2.2 南一石門(mén)變形速度

　　為了掌握石門(mén)變形速度，分別選擇距離石門(mén)口145，153，233，306 m共4個(gè)典型變形斷面布置測(cè)站，觀測(cè)了80 t1的頂?shù)缀蛢蓭鸵平繑?shù)據(jù)。

　　測(cè)站1巷道變形規(guī)律如圖3所示，巷道兩幫最大移近量20 mm，移近速度0.25 mm/d;頂?shù)鬃畲笠平?20 mm，移近速度1.5 mm/d，主要為頂?shù)滓平?/p>

　　測(cè)站2巷道變形規(guī)律如圖4所示，兩幫最大移近量為100 mm，變形速度1.2 mm/d;巷道頂?shù)鬃畲笠平?2 mm，變形速度1.1 mm/d，巷道頂?shù)缀蛢蓭妥冃蜗喈?dāng)。

　　測(cè)站3巷道變形規(guī)律如圖5所示，兩幫最大移近量為120 mm，變形速度4 mm/d;頂?shù)鬃畲笠平?0 mm，變形速度2 mm/d，兩幫移近大于頂?shù)滓平?/p>

　　測(cè)站4巷道變形規(guī)律如圖6所示，80 d兩幫最大移近量為280 mm，其中北幫182 mm，南幫98mm，北幫較大。頂板最大下沉量265 mm，底鼓量與頂板下沉量相當(dāng)。巷道兩幫移近速度為3.5mm/d，頂?shù)滓平俣葹?.6 mm/d，巷道變形速度較快。

　　總體上，巷道變形表現(xiàn)為四周收斂，具有明顯的軟巖特征，變形速度達(dá)3 -4 mm/d，如圖7所示。

　　3 巷道變形破壞的物理模擬

　　3.1 物理相似模型設(shè)計(jì)

　　取具有代表性的石門(mén)巷道中部斷面為對(duì)象，按照幾何相似比1：25，容重相似比1：3，時(shí)間相似比1：5，應(yīng)力相似比1：37.5，模擬范圍為25 m×22.5 m.相似模型寬×高×厚=100 cm×90 cm×12 cm，巷道位于模型中央，模型巷道底板距離模型下邊界為34 cm(原型8.5 m)。模型巷道寬度為19.2 cm(原型4.8 m)，墻高4.8 cm(原型1.2 m)，弧高7.6 cm.

　　實(shí)驗(yàn)選取河沙為骨料，石膏和大白粉為膠結(jié)材料，云母粉為分層及構(gòu)造裂隙材料。模型未鋪設(shè)到地表，采用2個(gè)5t油缸進(jìn)行加載到相似原巖應(yīng)力0. 38 MPa。設(shè)計(jì)加載由0.22倍至1.33倍原巖應(yīng)力，模擬巷道受動(dòng)壓影響的變形破壞規(guī)律。

　　3.2 圍巖變形破壞特征

　　加載到原巖應(yīng)力后，巷道出現(xiàn)明顯底鼓，底板破壞深度160 cm，底鼓量20 cm，巷道頂?shù)滓平繛?2 cm，兩幫移近量24 cm，如圖8所示。

　　加載到1. 22倍原巖應(yīng)力，模擬采動(dòng)影響，巷道頂板裂隙高度473 cm，頂?shù)滓平?9 cm，兩幫移近量32 cm，巷幫破壞深度123Cm，如圖9所示。

　　4 南一石門(mén)支護(hù)方案

　　4.1 巷道圍巖破壞范圍計(jì)算

　　根據(jù)實(shí)測(cè)和物理模擬，巷道圍巖表現(xiàn)為四周變形，圍巖裂隙區(qū)大體呈卵形，圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)可按照極限平衡圈支護(hù)理論進(jìn)行[17-19]。

　　南一石門(mén)巷道寬度W0 =5.0 m，巷道高度H=3m，圍巖內(nèi)摩擦角φ=35度，根據(jù)極限平衡圈理論。

　　巷道底板最大破壞深度y1為

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算，南一石門(mén)頂板極限平衡拱高度4.9m，考慮l m的錨固段長(zhǎng)度，頂板錨索長(zhǎng)度可取6m.兩幫破壞深度1.8 m，兩幫錨桿與頂板錨桿長(zhǎng)度取2.4 m.

　　4.2 巷道合理支護(hù)方案設(shè)計(jì)

　　綜上分析，提出象山礦南一石門(mén)支護(hù)方案如圖10所示。巷道采用直墻圓弧拱帶反拱優(yōu)化斷面，巷道寬度5.0 m，直墻高度1.6 m，頂拱高1.4m，底板反拱0.6 m.

　　全斷面采用錨桿錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)噴漿支護(hù)，對(duì)圍巖十分破碎階段進(jìn)行注漿，頂錨桿長(zhǎng)度2.4 m，間排距0.6 m;幫錨桿長(zhǎng)度2.4 m，排距0.6 m;采用錨索加強(qiáng)頂板和兩幫支護(hù)，頂板錨索長(zhǎng)度6m，間距Im，排距1.2 m，兩幫錨索長(zhǎng)度4m，排距1.2 m;底板采用長(zhǎng)度1.5 m的注漿錨桿，間距0.8 m，排距0.6 m;全斷面采用金屬網(wǎng)噴漿封閉。

　　5 巷道錨網(wǎng)索支護(hù)效果對(duì)比

　　5.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

　　采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)南一石門(mén)無(wú)支護(hù)、原支護(hù)和優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比模擬。巷道埋深為600 m，模型尺寸為XxYx2=25 mx25 m×22.5 m，巷道斷面為半圓弧拱形，寬度4.8 m，墻高1.2 m，頂板弧高1.9 m.模型上部施加原巖應(yīng)力為14.4 MPa，左右邊界x方向固定，前后邊界y方向固定，下邊界z方向固定，如圖Il所示。

　　5.2 巷道原支護(hù)與優(yōu)化支護(hù)模擬

　　5.2.1 南一石門(mén)巷道變形對(duì)比

　　原支護(hù)條件下：頂板下沉量為28 cm，巷道最大底鼓量為65 cm，頂?shù)鬃畲笠平?3 cm;巷道兩幫腳發(fā)生破壞，兩幫移近量40 cm.巷道頂板和兩幫變形量較小，兩幫腳內(nèi)收與底鼓嚴(yán)重(圖12)。

　　優(yōu)化支護(hù)條件下：巷道頂板下沉量減小41%，底鼓量降低82.5%，頂?shù)滓平拷档?9%，巷道兩幫移近量降低88%，巷道底鼓得到有效控制。

　　5.2.2 巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比

　　原支護(hù)條件下：巷道底板拉應(yīng)力區(qū)最大，水平應(yīng)力主要集中在巷道兩肩(圖13)，最大為13.6MPa;垂直應(yīng)力主要集中在巷道兩幫(圖14)，最大為15.6 MPa.巷道破壞主要在底板和幫腳。

　　優(yōu)化支護(hù)條件下：巷道垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力集中范圍明顯減小，圍巖應(yīng)力分布趨于均勻。

　　5.2.3巷道圍巖塑性區(qū)對(duì)比

　　原支護(hù)條件下：巷道兩幫和兩幫腳主要為剪切破壞，巷道底板主要是拉破壞。巷道頂板剪切破壞深度為1m，兩幫剪切破壞深度為2.5 m，巷道底板拉破壞深度1.8 m.

　　優(yōu)化支護(hù)條件下：采用錨網(wǎng)索優(yōu)化支護(hù)后，巷道兩幫塑性區(qū)深度減少80%，最大為0.5 m;底板塑性區(qū)深度減少61%，最大為0.7 m;巷道周?chē)苄詤^(qū)明顯減小，巷道變形得到有效控制。

　　采用優(yōu)化方案進(jìn)行物理模擬驗(yàn)證，加載到1. 33倍原巖應(yīng)力時(shí)，達(dá)到充分采動(dòng)影響，巷道極限平衡圈內(nèi)圍巖得到有效加固，如圖16所示。

　　6 結(jié)論

　　1)巷道圍巖以泥巖為主，強(qiáng)度低，水軟化系數(shù)達(dá)0. 37 -0. 66.巷道圍巖軟弱，由于底板未得到有效支護(hù)，首先出現(xiàn)底鼓，是巷道變形破壞嚴(yán)重的主要原因。

　　2)南一石門(mén)底鼓、兩幫移近、頂板下沉，表現(xiàn)為四周變形。巷道返修后持續(xù)變形，兩幫移近速度平均2.3 mm/d，最大4 mm/d;頂?shù)滓平俣绕骄鶠?.1 mm/d，最大3.5 mm/d.

　　3)結(jié)合物理模擬實(shí)驗(yàn)和“極限自穩(wěn)平衡圈理論”計(jì)算，得到巷道底板最大破壞深度為3. 57 m，巷幫破壞深度1.8 m，極限平衡拱高度4.9 m.

　　4)合理的巷道斷面為直墻半圓拱帶底板反拱，根據(jù)極限平衡圈理論確定的錨噴支護(hù)方案，具有良好效果。該方案已被礦區(qū)采納。

　　參考文獻(xiàn)( References)

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