深部高應力硐室圍巖穩定性分析

陳鑫源

(河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

近年來，我國淺部煤炭資源日益減少，大多數煤礦已經轉入深部開采階段，受深部復雜地質力學環境的影響，硐室圍巖穩定性大大降低，特別是在動壓的影響下，硐室圍巖呈現出加速變形以及表現出明顯的流變、蠕變特征。林惠立等[1]采用理論分析、數值模擬和現場實測的方法對深部大斷面硐室群進行了分析，得出了硐室群的應力場、位移場變化特征，提出了在硐室肩部及頂部關鍵部位進行加強支護的控制對策。楊仁樹等[2]通過現場測試和數值模擬的方法分析了硐室開挖對周邊巷道和硐室自身的影響，得出加固硐室周邊煤柱和底板圍巖的支護對策。蔡峰等[3]采用數值模擬的方法對深部硐室群最優施工過程進行了分析，得出采用預留空間錨網索+桁架耦合支護的圍巖控制技術。本文以某煤礦-850 m水平的井底車場水泵房硐室為研究對象，采用現場調查、試驗研究和數值模擬等方法，對硐室的圍巖變形機理和控制技術進行探討，為類似條件下的硐室支護提供參考。

1 工程概況

1.1 基本情況及工程地質

江西某煤礦-850 m水平的井底車場埋深約886 m。礦井主采煤層為B4煤層，煤厚2.6～3.0 m，煤層總體成單斜狀，煤層傾角10°～12°。礦井相對瓦斯涌出量為38.35 m3/t，絕對瓦斯涌出量為36.63 m3/min，屬高瓦斯礦井，自然發火傾向等級屬二類自燃。除了主井和副井，主要硐室巷道分別為中央變電所、水泵房、井底候車硐室、運輸大巷及繞道大巷，其平面布置及剖面布置如圖1所示，各硐室及巷道圍巖的巖性如圖2所示。

圖1 硐室及巷道布置

圖2 -850 m水平各硐室及巷道巖性綜合柱狀

1.2 礦物成分

通過X射線衍射儀對-850 m井底車場硐室圍巖礦物成分進行了分析，結果見表1。由表1可知，-850 m井底車場各硐室圍巖含高嶺石和云母等黏土礦物較多，此種圍巖遇水后極易軟化、泥化，嚴重影響巷道的穩定[4-7]，因此，該巖體基本上為強度較低的泥質軟巖。

表1 井底車場硐室圍巖礦物成分

1.3 硐室掘進施工工藝及支護方案

水泵房斷面為半圓拱形，硐室掘進采用鉆孔爆破進行全斷面掘進，每次掘進1.6 m，采用“掘二噴一”的施工工序，硐室凈寬為5.0 m，凈高為5.2 m，采用“錨桿+錨索+金屬網+U型鋼支架+噴漿”聯合支護方式。其中錨桿為φ20 mm×2 500 mm，間排距均為800 mm；錨索為φ15.24 mm×7 000 mm，間排距2.0 m×1.6 m。硐室斷面具體布置如圖3所示。

圖3 硐室斷面

2 圍巖變形機理分析

根據現場觀測和調查，井底車場主要硐室開挖后，雖然采用“錨桿+錨索+金屬網+噴漿”的支護技術，甚至是鋼拱架，但頂板仍然出現噴漿開裂、塌落，個別地段出現嚴重片幫、底鼓，從圍巖礦物成分分析可知，圍巖中含有高嶺石、長石和云母，高嶺石遇水崩解，云母遇水軟化，不含蒙脫石等強膨脹礦物。綜合分析，硐室圍巖變形破壞有以下原因。

(1)巖性差。硐室圍巖自身強度低，節理裂隙發育，巖體開挖后，在高應力的作用下破裂變形明顯，圍巖穩定性減弱，原有裂隙更為擴展，整體性變差。

(2)應力大。硐室埋深886 m，所受原巖應力大，特別是硐室開挖后，垂直應力向深部轉移對兩幫和底板影響更大，工程力的影響也使硐室圍巖變形明顯加劇。

(3)相鄰硐室和巷道的開挖擾動影響。由于各硐室都在建設當中，開挖時必然會引起鄰近巷道或硐室擾動。另外，由于硐室圍巖變形大，經常需要進行返修，也對硐室的穩定性產生影響。

(4)圍巖應力分布復雜。井底車場各硐室相距較近，表現為空間位置復雜，由于水平應力作用效果大大降低，使垂直應力作用更加突出，造成上覆巖層壓力不斷向巷道兩幫和底板轉移，在變形的同時造成應力集中現象[8-12]。加上各硐室和巷道原支護設計中都較少地考慮底板控制或者設計不合理，造成底板和兩幫大量變形而失穩。

(5)流變效應。在各硐室和巷道建成后，其應力重新分布而會形成應力疊加現象，隨著時間的增長，圍巖將發生明顯的應力疊加環境下的流變破壞。

3 相鄰硐室和巷道開挖擾動影響分析

3.1 建立模型

硐室和巷道尺寸及位置關系如圖4所示。根據現場地質資料以及硐室圍巖的相關力學參數，建立了計算模型[13-15]。模型長×高=90 m×50 m，模型的左、右及下邊界均為位移固定約束邊界，上邊界為應力邊界，按上覆巖層厚度施加均布載荷，模型下邊界距地表900 m，數值模型如圖5所示。

圖4 硐室和巷道尺寸及位置關系

圖5 數值模型

數值模型中各巖層的力學參數值根據測試報告和現場情況確定，選用摩爾—庫侖模型進行計算[16-21]，各巖層力學參數見表2。

表2 主要巖層力學參數

3.2 數值計算結果分析

井底車場硐室群開挖后，在原支護條件下，從其變形情況來看，不管是頂、底板，還是兩幫，位移量都較大。水泵房底鼓量為621 mm，頂板下沉量為727 mm，頂底板移近量1 348 mm，左幫位移959 mm，右幫位移達到754 mm，兩幫移近量1 713 mm，水泵房變形前后的計算結果如圖6所示。

圖6 水泵房的計算結果

大巷底鼓量為657 mm，頂板下沉量為740 mm，頂底板移近量1 397 mm；左幫位移770 mm，右幫位移793 mm，兩幫移近量1 563 mm。大巷變形前后的計算結果如圖7所示。

圖7 大巷的計算結果

候車硐室底鼓量為513 mm，頂板下沉量為509 mm，頂底板移近量1 022 mm，左幫位移563 mm，右幫位移656 mm，兩幫移近量1 219 mm，候車硐室變形前后的計算結果如圖8所示。

圖8 候車硐室的計算結果

綜合數值計算結果可以得出，水泵房圍巖變形最為嚴重，水泵房左幫位移明顯大于右幫，硐室圍巖整體變形量大。

單獨開挖水泵房時垂直應力分布如圖9所示，同時開挖水泵房和大巷時的垂直應力分布如圖10所示，同時開挖水泵房、大巷和候車硐室時的垂直應力分布如圖11所示。

圖9 單獨開挖水泵房時垂直應力分布

圖10 同時開挖水泵房和大巷時的垂直應力分布

圖11 同時開挖水泵房、大巷和候車硐室時的垂直應力分布

從以上數值分析可以得出，單獨開挖水泵房時，兩幫及頂底板變形量相對較小，大巷的開挖極大地改變了應力分布，形成了應力的重新分布及較高的應力集中，兩幫及頂底板移近量大幅增大，相鄰硐室開挖相互影響較為強烈。硐室群同時開挖時，在水泵房和大巷之間形成了較高范圍的應力集中，臨近應力集中區域的硐室產生了較大的水平位移，在應力集中的影響下，圍巖破壞范圍較廣，松動范圍較大。

4 水泵房支護修復方案

4.1 圍巖松動圈窺測

在-850 m水平井底車場水泵房進行鉆孔窺視試驗，兩幫窺視結果表明，兩幫孔口到孔內70～80 cm的巖體完整，在80～150 cm極為破碎，在150～310 cm仍然破碎，在310～410 cm仍有裂隙產生，410 cm后巖體整體性較好，這說明松動范圍在4 m左右，窺視結果如圖12所示。

圖12 水泵房圍巖窺視結果(幫部)

頂板與兩幫的破壞方式稍有不同，在孔內0～30 cm完整，在30～210 cm極為破碎，在210～260 cm破碎，在260～310 cm仍有裂隙產生，310 cm以外巖石完整，窺視結果如圖13所示。水泵房的松動范圍在3.0～4.0 m。

圖13 水泵房圍巖窺視結果(頂板)

4.2 擴修前注漿加固

根據現場鉆孔窺視結果，松動范圍在3.0～4.0 m，為提高安全系數，可確定注漿孔長度為5 m，注漿主要針對拱頂及兩幫，其間排距為2.0 m×1.6 m。具體布置如圖14所示。注漿材料為水泥—水玻璃雙液漿。

4.3 硐室修復設計

(1)錨桿。主要布置在兩幫和拱頂，選用φ22 mm、L=2 600 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，材質為BHRB500。每根錨桿使用3卷K2350樹脂錨固劑，預緊力不低于100 kN，錨桿間排距均為800mm。全斷面掛金屬網和鋼筋梯子梁，金屬網為φ6 mm，網格80 mm×80 mm。金屬網接茬處必須有錨桿加鋼筋梯子梁將其上緊并緊貼巖面，網間搭茬長度不少于100 mm，鋼筋梯子梁由直徑12 mm圓鋼焊制而成，底角錨桿應向下傾斜15°安裝。

(2)大直徑錨索。錨索選用φ21.6 mm、L=7.3 m，間排距2.0 m×1.6 m，樹脂端部錨固，錨固長度為2.0 m，每根錨索使用5卷Z2350型樹脂藥，預緊力不低于100 kN，墊板采用2塊墊板疊加，其規格分別為350 mm×350 mm×10 mm和150 mm×150 mm×10 mm的正方形墊板，大墊板在上，小墊板在下。底角錨索應向下傾斜15°～25°進行安裝。硐室幫部每2根錨索作為一組并采用鋼帶連接，形成一個整體，阻止松散圍巖的進一步變形。

(3)組合注漿錨索。組合注漿錨索主要針對底板，每組由3根φ17.8 mm、L=6.0 m的錨索組合而成，間排距2.0 m×1.6 m，每排3套。注漿錨索長6 m，分為錨固段(3.0 m)，自由段(2.5 m)和張拉段(0.5 m)，整束錨索由鋼絞線、導向帽、塑料套管、支撐架、排氣管組合而成，錨索盤采用25號槽鋼配合20 mm鋼板使用。注漿錨索張拉時，預緊力不低于120 kN，注漿材料為水泥—水玻璃雙液漿。具體布置及參數如圖15所示。

圖15 水泵房支護參數

4.4 支護效果分析

在水泵房布置測點進行觀測，硐室頂底板及兩幫變形量如圖16所示。

從圖16可知，采用修復方案后，不管是頂底板還是兩幫的松動范圍明顯較小。另外，由于進行了高強度錨桿、高預應力錨索和注漿加固技術，圍巖變形時，錨桿、錨索同時發揮錨固作用，并錨固在穩定的細砂巖層中，在很大程度上抵制了圍巖的大變形，有效地阻止了巖體松動范圍的不斷加大。

圖16 硐室頂底板及兩幫變形量

5 結論

(1)根據現場觀測和調查，對硐室圍巖變形機理進行分析，得出硐室圍巖變形破壞主要與硐室圍巖巖性差、所受原巖應力大、相鄰硐室和巷道的開挖擾動影響、圍巖應力分布復雜、流變破壞等因素有關。

(2)對井底車場硐室群開挖進行了模擬分析，得出單獨開挖水泵房時，兩幫及頂底板變形量相對較小，大巷的開挖極大地改變了應力分布，硐室群同時開挖時，在水泵房和大巷之間形成了較高范圍的應力集中，在應力集中的影響下，圍巖破壞范圍較廣，松動范圍較大。

(3)確定了水泵房支護修復方案，監測結果表明，硐室圍巖變形量明顯減少并趨于穩定，硐室支護效果良好。