大斷面注漿硐室圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)

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(yīng)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(hù)困難和穩(wěn)定性差等問題[4]。若硐室所處地質(zhì)條件復(fù)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(jī)理和圍巖支護(hù)控制兩個方面。機(jī)理研究方面，楊仁樹等[6]分析了復(fù)雜巖層大斷面硐室群圍巖變形破壞特征和機(jī)理，提出硐幫煤柱和底板圍巖是加固支護(hù)的重點(diǎn)；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(yīng)力演化及變形破壞規(guī)律，指出拱角部位應(yīng)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(qiáng)幫支護(hù)對硐室穩(wěn)定性的重要作用。支護(hù)控制研究方面，蔣華等[9]研究了強(qiáng)采動應(yīng)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(hù)以適應(yīng)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(jī)硐室開挖和支護(hù)設(shè)計，指出錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)的有效性。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，程燕學(xué)[12]提出“錨噴注”聯(lián)合支護(hù)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(fù)合頂板硐室圍巖變形特征，提出了“高強(qiáng)錨桿+雙層鋼筋梯子梁+錨索+鋼筋網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)方案。綜上分析，深部大斷面硐室開挖及支護(hù)是一個動態(tài)施工過程，硐室開挖階段應(yīng)減小施工擾動，盡量保證圍巖自身穩(wěn)定性。開挖完成后應(yīng)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(hù)技術(shù)控制圍巖變形，取得了良好的支護(hù)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(biāo)高+920 m，井底標(biāo)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(yù)注漿技術(shù)進(jìn)行堵水加固[14]，保障井筒安全快速掘進(jìn)。常規(guī)井筒地面預(yù)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(diǎn)[14-15]。盲豎井井下預(yù)注漿堵水若繼承地面預(yù)注漿技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，需要將地面大型鉆探與注漿設(shè)備搬運(yùn)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(yù)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(xì)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(yīng)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(hù)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(yīng)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(yīng)力邊界條件，根據(jù)測試結(jié)果，豎直應(yīng)力大小為覆巖的自重應(yīng)力，取11.7 MPa；水平主應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象，最小主應(yīng)力出現(xiàn)在硐室底角位置，為33.6 MPa。最大主應(yīng)力云圖如圖3(b)所示，硐室開挖卸荷后，圍巖拉應(yīng)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(yīng)力范圍較大，控制不當(dāng)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(yīng)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浚_挖過程中應(yīng)盡量減小圍巖擾動，加強(qiáng)臨時支護(hù)并及時二次襯砌。

3 開挖與支護(hù)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(dǎo)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(dǎo)硐→反掘溜井→硐頂開挖及臨時支護(hù)→分層開挖及臨時支護(hù)→永久支護(hù)。考慮硐室跨度7.0 m較大，為減小圍巖暴露面積，頂部開挖分兩部步進(jìn)行開挖和支護(hù)。臨時支護(hù)為錨噴支護(hù)，及時封閉圍巖，充分調(diào)動圍巖的自承載能力。二次支護(hù)采用“先讓后抗、讓抗結(jié)合、多次支護(hù)的圍巖穩(wěn)定新技術(shù)，支護(hù)形式具體為“錨網(wǎng)索噴”聯(lián)合支護(hù)。

圖3 硐室圍巖應(yīng)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(hù)方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，硐頂中部存在拉應(yīng)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(hù)分三步進(jìn)行。第一步：開掘硐頂一側(cè)至邊墻，進(jìn)行錨噴臨時支護(hù)和“錨網(wǎng)索噴”永久支護(hù)；第二步：按照硐室設(shè)計位置刷擴(kuò)右側(cè)硐頂至邊墻，采用同樣的支護(hù)方案；第三步：根據(jù)圍巖變形情況補(bǔ)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(jī)安裝作業(yè)。硐頂支護(hù)示意圖見圖6，錨桿采用Φ20 mm螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，長3.0 m，間距0.8 m，排距1.0 m。 錨索選用Φ15.2 mm預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力為150 kN。

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

3.3 硐壁及硐底支護(hù)方案

硐頂開挖及支護(hù)完成后，自上而下分層進(jìn)行開挖。硐室兩幫臨時支護(hù)為“錨噴”支護(hù)，永久支護(hù)為“錨網(wǎng)索噴”聯(lián)合支護(hù)。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(jìn)行臨時支護(hù)。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(yīng)力集中區(qū)，為避免拉伸破壞導(dǎo)致圍巖片幫，硐壁支護(hù)增加預(yù)應(yīng)力錨索，調(diào)動深部圍巖承載。錨桿采用Φ20 mm高強(qiáng)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(qiáng)度等級為C20。預(yù)應(yīng)力錨索施做完成后，復(fù)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(jī)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(hù)不利。因此，硐底需采用鋼筋混凝土襯砌支護(hù)，襯砌厚度450 mm，強(qiáng)度等級為C40。考慮硐室底角壓應(yīng)力集中明顯，易發(fā)生剪切破壞，底角設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，并采用混凝土襯砌筑邊墻。

4 支護(hù)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(diǎn)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(hù)取得了較好的支護(hù)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(hù)”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(hù)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(hù)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(hù)作為一種主動支護(hù)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(yīng)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(hù)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。