軟弱破碎帶巷道開挖圍巖破裂演化規律及支護技術研究

余一松,李華華，朱志根，劉家明

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

引 言

在礦山地下工程中，軟弱破碎帶是一種典型的地質結構面，在長期地質構造作用和地應力作用下，表現出高度不均勻性和非線性特征[1-2]，對巷道開挖穩定性及安全性具有重要影響。許多學者在軟弱結構面對工程穩定性影響方面開展了大量研究。李天珍等[3]對俄霍布拉克煤礦地下開采進行了分析，研究了采動邊界與采礦擾動、垮落、裂隙擴展等相互關系和影響，以及動態圍巖自有邊界數學特征和基本力學特征。李英杰等[4]利用自主研發的試驗臺對軟弱破碎隧道圍巖進行了相似模擬研究，發現拱腰圍巖漸進變化為V形楔形體，裂紋逐漸由拱腰擴展至拱頂，圍巖應力區也隨破壞發生漸進性調整。賈蓬等[5]利用RFPA非線性模擬方法，建立了軟弱結構面的非線性模型，模擬了在不同傾角軟弱層條件下隧道圍巖的變形變化規律和破壞模式，闡述了軟弱結構面傾角對隧道圍巖穩定性的影響。李連崇等[6]對含軟弱夾層地下巖層硐室開挖過程中圍巖破裂損傷過程進行了有限元數值模擬，分析了不同軟弱夾層位置、地應力大小等對圍巖損傷破壞過程的影響，指出軟弱夾層對地下硐室圍巖損傷模式具有重大影響，側壓系數對圍巖的非均勻性破巖起到主導作用。張志強等[7]研究了不同結構面和地下工程距離條件下地下硐室圍巖的變形移動規律，分析了不同圍巖類型下不良結構面對硐室穩定性的影響。郭富利等[8]結合地下工程圍巖三軸試驗結果，研究了軟弱結構面對圍巖破壞程度的影響，分析了堡鎮隧道軟弱結構面區域內圍巖變形破壞特征，并建立了力學模型，揭示了軟弱結構面對圍巖破壞的作用機理。劉泉聲等[9]針對顧橋煤礦的軟弱破碎圍巖，開展了該地質條件下巷道變形移動規律研究，提出了分布聯合支護方法，并結合現場監測，探討了支護措施的選取與巷道圍巖物理力學特征、地應力分布等的相互關系。臺啟民等[10]開展了軟弱破碎圍巖下隧道支護研究，分析了不同隧道圍巖變形條件下隧道支護參數的選取，提出了超前支護形式和參數的確定方法。

鑒于軟弱破碎帶非線性特征和復雜性，常用的現場監測、相似材料模擬或統計分析等方法，具有其固有的局限性，難以反映工程圍巖變形破裂的全過程，更無法對其復雜的非線性特征進行描述，而且初始參數的選取對研究結果影響較大。本文基于巖石的非均勻性特性，以山西某礦山為工程背景，采用損傷力學和統計理論的單元本構模型，運用巖石真實破裂過程分析軟件RFPA，對具有不同傾角的軟弱破碎帶對巷道開挖的穩定性影響進行了細觀數值模擬研究，揭示不同傾角軟弱破碎帶下巷道開挖圍巖破裂演化規律，為復雜地質條件下井巷施工和支護提供理論支持。

1 工程概況及模型構建

礦區主要覆巖為砂質泥巖、砂巖、礫巖等，厚度為10～25 m，主要巖層物理力學參數見表1。由表1可知，彈性模量最高達45 300 MPa，平均值為32 000 MPa；抗壓強度為50～155 MPa，內摩擦角最小為33.5°，最大為42.5°。

表1 主要巖層物理力學參數

根據礦區地層分布特性和工程情況，建立區域巖層非均質細觀模型，見圖1，模擬范圍為100 m×100 m。

圖1 區域巖層非均質細觀模型

2 數值模擬試驗

2.1 試驗方案

礦區巷道建立在第4巖層中，從第二步開始開挖，每增加一步，巷道的開挖進度為10 m，軟弱破碎帶與巷道軸線的夾角是復雜地質條件下影響巷道穩定性的關鍵因素之一。根據軟弱破碎帶傾角，本文共設置4種研究方案(見表2)。由表2可知，方案1無破碎帶，方案2～4破碎帶傾角分別為30°、45°、60°。

表2 數值模擬試驗方案

根據模擬方案，建立不同方案的軟弱破碎帶模型，見圖2。

圖2 不同方案的軟弱破碎帶模型

2.2 邊界條件及初始應力場分布

根據礦區地質情況，水平巷道動態開挖，邊界條件采用靜荷載。根據礦區應力分布情況，設置x方向為5 MPa側壓力加載，y方向為5 MPa荷載加載，初始應力場分布見圖3。由圖3可知，在均衡荷載作用下，初始最大主應力為1.04～8.56 MPa，最小主應力為0.726～6.55 MPa。

圖3 初始應力場分布云圖

3 數值模擬及結果分析

根據礦區地質條件和地應力分布特征，針對不同傾角軟弱破碎帶，采用非均質細觀模型，運用RFPA數值分析軟件，開展軟弱破碎帶對巷道動態開挖穩定性影響的模擬分析。

3.1 應力分析

各方案最大主應力分布云圖見圖4。由圖4可知:各方案巷道在開挖過程中，應力集中區域主要分布在巷道兩端。方案1在巷道開挖過程中，由于未受到軟弱破碎帶的影響，巷道基本處于穩定狀態，僅在巷道中部頂板產生了局部破壞。方案2條件下，當巷道開挖推進位置距離軟弱破碎帶較遠(開挖20 m)時，受破碎帶影響較小;當開挖至30 m時，巷道底板發生破壞，且隨著開挖的進行，底板裂隙沿破碎帶傾向向深部擴展；當開挖至70 m時，巷道中部變形量較大，端部頂板發生大面積破壞，與破碎帶共同構成不穩定三角區塊。方案3條件下，巷道在開挖前30 m時，巷道及其圍巖情況與方案2較為相似，當開挖至40 m時，巷道整體失穩，模型失效。方案4條件下，破裂區先從底板破碎帶開始向深部發展，后由頂板破碎帶開始向上部發展，且在開挖至70 m時，巷道整體失穩，模型失效。

圖4 各方案最大主應力分布云圖

各方案不同開挖步驟最大主應力極值曲線見圖5。由圖5可知：各方案隨著巷道開挖的推進，巷道圍巖最大主應力極值不斷增加，且增加的幅度呈現由小變大再變小的趨勢，基本上是在開挖至巷道中部、接近破碎帶處應力增加速度達到峰值。方案1由開挖前的8.56 MPa增大至開挖后的22.2 MPa，方案2由開挖前的8.67 MPa增大至開挖后的25.4 MPa，方案3最高達到18.1 MPa(開挖至30 m)，方案4達到31.9 MPa(開挖至60 m)。

圖5 各方案不同開挖步驟最大主應力極值曲線

各方案最小主應力分布云圖見圖6。由圖6可知：各方案巷道在開挖過程中，應力集中區域主要分布在巷道頂底板和巷道兩端。各方案隨著巷道開挖的推進，最小主應力極值不斷增加，且在開挖開始時均出現不同程度的拉應力區，區域內最大拉應力發生在方案4開挖第3步時，拉應力值為21.1 MPa。

圖6 各方案最小主應力分布云圖

3.2 位移分析

巷道開挖對工程圍巖體的穩定性影響大，結果見圖7。由圖7可知：巷道開挖從x=15處開始，當巷道開挖時，巖層位移發生較大變化，且在巷道中部位移達到最大，在x=0處，開挖位移為不開挖位移的3倍；在中點x=50處，開挖位移為不開挖的7倍多。

圖7 巷道頂板圍巖有無開挖條件下位移結果

不同方案巷道圍巖位移速度云圖見圖8，不同方案的軟弱破碎帶巷道頂板位移曲線對比見圖9。由圖8、圖9可知：軟弱破碎帶的存在對圍巖的變動產生了較大影響，不同傾角的軟弱破碎帶對巷道頂板的位移影響程度不同；方案2～4的巷道開挖圍巖位移曲線基本在方案1圍巖位移曲線之上；方案3從第5步，即巷道推進40 m時，發生工程整體破裂，模型失效。另外，方案2上覆巖層最終傾向于軟弱破碎帶；方案3破碎帶，到第5步時發生全部破裂；方案4巖體的破壞首先從軟弱破碎帶下部開始，然后發展到上部，最終導致整個模型破裂。方案1的位移普遍大于其他3個方案，其次為方案3、方案4、方案1；比較特殊的是，當方案4開挖至巷道中部時，由于軟弱破碎帶的影響，發生巖層錯動。

圖8 不同方案巷道圍巖位移速度云圖

圖9 不同方案的軟弱破碎帶巷道頂板位移結果

3.3 軟弱破碎帶巷道施工控制措施

軟弱破碎帶對巷道穩定性至關重要，軟弱破碎帶傾角、寬度、力學性質等是巷道施工及穩定性控制的關鍵因素，針對不同地質情況，采取不同的支護技術和控制措施，主要采用的措施包括超前地質探測、超前支護、高強聯合支護、分次支護等[11-13]。

1)超前地質探測。針對軟弱破碎帶，開展超前探測和地質預報是保障巷道施工安全的一種有效措施。超前地質預報方法很多，分類不盡相同，地震法是當前巷道中長期超前預報的主流方法，主要采用的技術有TSP、TGP、TRT、TST等。根據不同的地質情況，選擇不同的超前探測技術，開展軟弱破碎帶的超前探測和預報，掌握其力學參數。

2)超前支護。在軟弱破碎帶基礎上，運用超前錨桿、超前小導管、水平旋噴注漿、機械預切槽和超前管棚法等超前支護技術，其中超前錨桿、超前小導管、超前管棚法等是巷道施工過程中較為簡單實用的方法，用于加強掌子面前方圍巖體強度參數(見圖10)。由圖10可知：超前錨桿旨在作為超前預支護及加固巖體，需充分考慮巖體的結構面特性和圍巖地質情況，錨桿縱向兩排的水平投影應有搭接，尾端一般焊接在鋼拱架上，以增強共同支護作用。超前小導管常與格柵鋼架共同組成支護系統，小導管具有超前管棚和注漿管雙重作用，通過注漿，加固軟弱圍巖。超前管棚是在工作面開挖掘進前上半斷面或全斷面周邊間隔一定距離實施水平鉆孔，鉆孔內壓入鋼管而形成鋼管群體，為提高鋼管剛度常向管內灌注混凝土或鋼筋籠混凝土，能有效控制軟弱圍巖的下沉松弛和坍塌。

圖10 超前支護示意圖

3)高強聯合支護。針對軟弱破碎帶賦存特征，結合錨桿、錨網、鋼拱架和混凝土等支護結構的力學特性，采用錨網噴、錨索與高強鋼帶聯合支護、全斷面注漿+底板錨桿(包括角錨桿)+U支架支護等技術，通過高強抗裂的混凝土，將錨索托盤緊壓在格柵內側，使得錨桿、錨索、內外層鋼筋網連接成整體，成為噴層的骨架，提高支護結構的整體性能。

4)分次支護。針對深部高應力區域軟弱破碎帶、圍巖破碎、變形量大等問題，采用一次性永久支護往往無法起到預期效果，需采用分次支護技術，如采用注漿錨桿超前支護、高強預應力錨網+U型鋼+噴射混凝土一次支護、預應力錨索二次支護、全斷面滯后注漿補強加固分步聯合支護等，通過錨索結構補償、錨網塑性變形控制作用，提高聯合支護體整體穩定性及承載能力。

由于軟弱破碎帶的力學屬性、變形力學機制等特點，軟弱破碎帶區段巷道的支護需在掌握地質條件的情況下合理運用各支護結構的優勢，根據圍巖變形響應機制，融合多支護方式形成圍巖-支護整體結構，達到支護-圍巖共同承載的目的。

4 結 論

運用RFPA軟件開展不同傾角軟弱破碎帶條件下水平巷道動態開挖過程中圍巖破裂演化數值模擬研究，主要得出如下結論：

1)隨著巷道開挖，巷道圍巖最大主應力極值不斷增加，且增加幅度呈現由小變大再變小的趨勢，基本上是在開挖至巷道中部、接近軟弱破碎帶處應力增加速度達到峰值。

2)受軟弱破碎帶影響，圍巖巖體破裂演化方式發生了改變。無軟弱破碎帶時，上覆巖層下沉為其主要破壞方式；當存在軟弱破碎帶時，圍巖破裂首先開始于軟弱破碎帶處，然后向周圍擴展。

3)不同傾角軟弱破碎帶對巷道圍巖穩定性的影響程度不同，軟弱破碎帶傾角越小，造成巷道頂板位移越大，對水平巷道穩定性的影響越大。