深井大斷面軟巖硐室加固技術(shù)研究

尹殿平

（1.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221008；2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)有限公司，山西 太原 030002）

深井大斷面軟巖硐室加固技術(shù)研究

尹殿平1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221008；2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)有限公司，山西 太原 030002）

某礦二水平埋深850 m，新副井馬頭門及周邊硐室采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)碹支護(hù)，均出現(xiàn)了不同程度的破壞。采用FLAC數(shù)值模擬分析深井軟巖硐室的變形與破壞機(jī)理后，提出并采用錨注加固支護(hù)-圍巖承載結(jié)構(gòu)，同時對支護(hù)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償支護(hù)。井下應(yīng)用中圍巖變形得到有效控制，取得了良好的加固效果。

深井；硐室；結(jié)構(gòu)補(bǔ)償

1 工程概況

某礦二水平深部開采埋深850m左右，井底車場馬頭門（凈斷面：寬×高=5200 mm×6970 mm），馬頭門上部主要巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖，底板下部主要巖性為砂質(zhì)泥巖，圍巖強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性較差。井底車場于2008年7月初開始施工，馬頭門現(xiàn)有支護(hù)為一次支護(hù)錨網(wǎng)索噴，二次鋼筋混凝土碹的永久支護(hù)，圖1為二水平井底車場及主要硐室的平面位置關(guān)系。馬頭門掘出不到一年時間，碹體開始出現(xiàn)裂紋，北側(cè)勺山墻嚴(yán)重開裂；新副井進(jìn)車線處巷道采用二次錨網(wǎng)支護(hù)，破壞主要表現(xiàn)為幫頂漿皮炸裂，幫部變形量兩幫收斂100mm～200mm，頂板漿皮炸裂、脫落，頂部變形嚴(yán)重，變形量在300mm左右。

圖1 二水平井底車場巷道布置圖

2 馬頭門支護(hù)變形破壞機(jī)理

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，采用FLAC數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型對某礦二水平深井馬頭門采用錨網(wǎng)碹支護(hù)失穩(wěn)破壞機(jī)理進(jìn)行了深入研究。

2.1 模擬方案與參數(shù)

為使模型較好地反映馬頭門圍巖變形的實(shí)際狀況，建立的模型具有如下特點(diǎn)：采用應(yīng)變軟化模型，真實(shí)反映深部巖體的變形特性；模擬中錨桿選用cable單元進(jìn)行模擬，錨桿錨固方式為端部加長錨固，真實(shí)反映現(xiàn)場錨桿與圍巖之間的相互作用關(guān)系；為分析錨網(wǎng)支護(hù)和碹體支護(hù)的作用關(guān)系，以及碹體破壞狀況，采用有限單元處理碹體，并在碹體與圍巖之間建立接觸面，對碹體進(jìn)行準(zhǔn)確全面地分析。

建立平面應(yīng)變模型尺寸（長×寬）為：100m×73.75m，共劃分13400個有限單元，從而保證模擬精度。模型中直墻半圓拱型為該礦二水平馬頭門斷面，尺寸為寬×高=5200mm×6970mm。某礦二水平標(biāo)高為－800 m，加上地面標(biāo)高，埋深達(dá)到了850 m，根據(jù)靜水壓力理論，側(cè)壓系數(shù)λ=1，模型采用靜水應(yīng)力場。模型的左、右及下邊界均為位移約束邊界，頂邊界施加等效上覆800m巖層的自重應(yīng)力，計20MPa垂直應(yīng)力。

結(jié)合某礦已測試的二水平巖塊強(qiáng)度，以及掘進(jìn)過程中揭露的圍巖狀況，采用巖體強(qiáng)度參數(shù)分析軟件RocLab，綜合選取模擬巖體參數(shù)，如表1所示。

碹體的力學(xué)參數(shù)取自《混凝土結(jié)構(gòu)計算手冊》，具體參數(shù)見表2。

碹體與圍巖的界面參數(shù)Ks和Kn參數(shù)如表3。為系統(tǒng)分析深井大斷面硐室錨網(wǎng)碹支護(hù)失穩(wěn)機(jī)理及其影響因素，針對某礦二水平深井地質(zhì)條件，建立模型分析錨網(wǎng)支護(hù)和錨網(wǎng)碹支護(hù)硐室圍巖應(yīng)力分布、圍巖位移特征。為分析錨網(wǎng)支護(hù)與圍巖形成的組合拱和碹體的變形規(guī)律，在模型中碹體內(nèi)部和距巷道圍巖表面0m、0.5m、1.0m、1.5 m、2.5 m和3.5 m處設(shè)置相應(yīng)的觀測線。巷道開挖后，單次計算時步為500步，共分10次。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 碹體力學(xué)參數(shù)

表3 碹體與巖體界面的力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

錨網(wǎng)索碹支護(hù)圍巖變形規(guī)律。圖2顯示了支護(hù)計算不同時步時，幫部不同深度的圍巖位移量。由圖中可見，計算500時步時，即支護(hù)初期，幫部碹體位移量和圍巖表面位移量基本相當(dāng)，表明巷道表面和碹體接觸關(guān)系良好，且?guī)筒侩S著距底板距離的增大，幫高不同位置的圍巖距巷道表面相同深度圍巖變形量大小相當(dāng)。隨著計算時步的增加，硐室圍巖變形量繼續(xù)增大，在幫部出現(xiàn)隨著幫部距底板距離的增大，碹體和硐室圍巖表面位移均呈非線性增加，且隨拱部圍巖變形進(jìn)一步增大，幫部不同位置圍巖變形的非線性、非均勻的程度增大。在計算2000時步時，與支護(hù)初期不同，幫部碹體距離底板約1.0m處至起拱線之間碹體變形量均高于圍巖表面位移量，圍巖表面與碹體之間產(chǎn)生不同程度的間隙，計算5000步時，間隙進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖3顯示了計算不同時步時，拱部不同深度的圍巖徑向位移量。由圖中可見，計算500時步時，支護(hù)初期隨著拱部與水平方向夾角的增大，拱部不同位置的圍巖距巷道表面相同深度位移量相當(dāng)。隨著計算時步增加，硐室圍巖變形量增加，在拱部與水平方向夾角不同的位置，拱部圍巖也呈現(xiàn)非線性、非均勻變形，隨著拱部圍巖變形進(jìn)一步增大，拱部圍巖變形非均勻、非線性程度增大。隨著計算時步的增加，拱部碹體和拱部圍巖表面徑向變形量始終相當(dāng)，說明巷道拱部圍巖表面和碹體接觸始終良好，未出現(xiàn)間隙，拱部碹體對圍巖始終提供較好的支護(hù)。

圖2 馬頭門幫部圍巖變形量

圖3 馬頭門拱部圍巖變形量

如圖4所示為采用錨網(wǎng)碹支護(hù)，計算500和10 000時步時，碹體內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育情況。由圖可見在支護(hù)初期，巷道圍巖變形小，碹體內(nèi)整體呈現(xiàn)較大的塑性區(qū)，在幫部出現(xiàn)局部小范圍的拉破壞區(qū)，隨著巷道圍巖表面進(jìn)一步變形，碹體承受的載荷進(jìn)一步增加，計算10000步時巷道拱頂局部已經(jīng)出現(xiàn)壓剪破壞，而且?guī)筒坷茐牡膮^(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，碹體的起拱線附近和碹體幫角外側(cè)都出現(xiàn)拉破壞。由于碹體幫部出現(xiàn)大范圍的拉破壞，幫部碹體的承載能力急劇下降，雖然由于此時碹體與圍巖表面存在間隙，幫部承受的載荷較小，但由于幫部已經(jīng)失穩(wěn)破壞導(dǎo)致幫部的承載能力降低，且巷道拱部圍巖變形加劇，拱部承受的載荷進(jìn)一步增加，拱部的高載荷傳遞給側(cè)墻導(dǎo)致幫部破壞進(jìn)一步加劇，碹體支護(hù)整體出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

圖4 碹體內(nèi)塑性區(qū)分布示意圖

2.3 大斷面軟巖硐室失穩(wěn)機(jī)理

通過對錨網(wǎng)碹支護(hù)硐室失穩(wěn)破壞的數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，深井大斷面軟巖硐室支護(hù)失穩(wěn)原因有以下幾點(diǎn)：

1）錨網(wǎng)碹支護(hù)僅從加大支護(hù)強(qiáng)度出發(fā)，采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)和鋼筋混凝土碹，支護(hù)強(qiáng)度并不低，但從高強(qiáng)錨網(wǎng)與圍巖形成的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來看，支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。

2）鋼筋混凝土碹屬于一種被動支護(hù)，當(dāng)錨網(wǎng)支護(hù)與圍巖形成的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，碹體才開始承載，而對于直墻半圓拱巷道錨網(wǎng)支護(hù)形成的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)在支護(hù)承載過程中巷道表面存在不均勻變形，導(dǎo)致碹體承受不均勻載荷，同時碹體較高的側(cè)墻支護(hù)形成的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，兩方面共同作用導(dǎo)致錨網(wǎng)碹支護(hù)巷道失穩(wěn)破壞。

3）混凝土碹體支護(hù)屬剛性支護(hù)，圍巖有小的變形，碹體就可能開裂，高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)加混凝土碹體支護(hù)，并未耦合為一個整體，兩者在支護(hù)過程中，存在分次承載，各個擊破的問題，不能完全發(fā)揮由各個支護(hù)體組成的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)整體的承載能力。

3 馬頭門加固方案

根據(jù)馬頭門圍巖可能的移動變形和馬頭門現(xiàn)有二次支護(hù)承載特性，采用錨索對二次支護(hù)形成的承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償。即先采用注漿錨桿對鋼筋混凝土碹進(jìn)行壁后充填注漿，使原有的一次支護(hù)和二次支護(hù)耦合為一個共同的承載結(jié)構(gòu)，然后采用錨索對這一承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，保證馬頭門長期穩(wěn)定。采用該支護(hù)方案后，通過4個月的觀測，馬頭門頂?shù)装逦从忻黠@變形，總變形量在18mm左右，兩幫變形總量稍大，約為26mm；頂?shù)装遄冃纹骄俾试?.15mm/d，兩幫變形平均速率在0.23mm/d。由此可見，采用新型支護(hù)技術(shù)后，巷道的兩幫位移速度在40 d左右圍巖變形基本處于穩(wěn)定，圍巖總變形量不大，圍巖移動變形得到有效控制。

4 結(jié)論

馬頭門采用該加固方案的四個月后，圍巖變形量在允許范圍內(nèi)。實(shí)踐證明，采用注漿錨桿對鋼筋混凝土碹進(jìn)行壁后充填注漿，使原有的一次支護(hù)和二次支護(hù)耦合為一個共同的承載結(jié)構(gòu)，然后采用錨索對這一承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，完全可以保證馬頭門長期穩(wěn)定。這對采用類似支護(hù)方式的大斷面硐室有很好的指導(dǎo)意義。

[1] 陳炎光,陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[2] 謝文兵.軟巖硐室失穩(wěn)和錨注加固機(jī)理[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，1998.

[3] 車發(fā)家,謝文士.深井大斷面硐室圍巖穩(wěn)定的數(shù)值模擬研究[J].煤炭技術(shù)，2008，（10）.

Chamber Supporting for Soft Rock of Deep Well Large Section

YIN Dian-ping1，2
(1.China University of Mining and Technology,Xuzhou Jiangsu221008; (2.Xinzhou Coal Co.,Shanxi Coal Transport and Marketing Group,Xinzhou Shanxi 034000)

At850m of the second level burial depth,various destructions appeared at the new auxiliary shaft and surrounding chambers,due to the traditional bolts arching support.After FLAC numerical simulation and analysis of deformation and failure mechanism of the deep well soft rock chambers,the author presents the bolting and grouting support-surrounding rock support structure.In the meantime,the structure is supported with structure compensation.The surrounding rocks'deformation is effectively controlled and the better supporting effect is achieved.

deep well;chamber;structure compensation

TD353.6

A

1672-5050（2010）10-0032-04

2010-07-30

尹殿平（1952—），男，山西懷仁人，在讀工程碩士，高級工程師，從事采煤技術(shù)研究與管理工作。

劉新光