深部高應(yīng)力硐室圍巖穩(wěn)定性分析

陳鑫源

(河南省煤炭科學(xué)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(shù)煤礦已經(jīng)轉(zhuǎn)入深部開采階段，受深部復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境的影響，硐室圍巖穩(wěn)定性大大降低，特別是在動(dòng)壓的影響下，硐室圍巖呈現(xiàn)出加速變形以及表現(xiàn)出明顯的流變、蠕變特征。林惠立等[1]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測的方法對(duì)深部大斷面硐室群進(jìn)行了分析，得出了硐室群的應(yīng)力場、位移場變化特征，提出了在硐室肩部及頂部關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)的控制對(duì)策。楊仁樹等[2]通過現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬的方法分析了硐室開挖對(duì)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(hù)對(duì)策。蔡峰等[3]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)深部硐室群最優(yōu)施工過程進(jìn)行了分析，得出采用預(yù)留空間錨網(wǎng)索+桁架耦合支護(hù)的圍巖控制技術(shù)。本文以某煤礦-850 m水平的井底車場水泵房硐室為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場調(diào)查、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等方法，對(duì)硐室的圍巖變形機(jī)理和控制技術(shù)進(jìn)行探討，為類似條件下的硐室支護(hù)提供參考。

1 工程概況

1.1 基本情況及工程地質(zhì)

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(duì)瓦斯涌出量為38.35 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為36.63 m3/min，屬高瓦斯礦井，自然發(fā)火傾向等級(jí)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(yùn)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(duì)-850 m井底車場硐室圍巖礦物成分進(jìn)行了分析，結(jié)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(yán)重影響巷道的穩(wěn)定[4-7]，因此，該巖體基本上為強(qiáng)度較低的泥質(zhì)軟巖。

表1 井底車場硐室圍巖礦物成分

1.3 硐室掘進(jìn)施工工藝及支護(hù)方案

水泵房斷面為半圓拱形，硐室掘進(jìn)采用鉆孔爆破進(jìn)行全斷面掘進(jìn)，每次掘進(jìn)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(wǎng)+U型鋼支架+噴漿”聯(lián)合支護(hù)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(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測和調(diào)查，井底車場主要硐室開挖后，雖然采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+噴漿”的支護(hù)技術(shù)，甚至是鋼拱架，但頂板仍然出現(xiàn)噴漿開裂、塌落，個(gè)別地段出現(xiàn)嚴(yán)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(qiáng)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(qiáng)度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體開挖后，在高應(yīng)力的作用下破裂變形明顯，圍巖穩(wěn)定性減弱，原有裂隙更為擴(kuò)展，整體性變差。

(2)應(yīng)力大。硐室埋深886 m，所受原巖應(yīng)力大，特別是硐室開挖后，垂直應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移對(duì)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(dòng)影響。由于各硐室都在建設(shè)當(dāng)中，開挖時(shí)必然會(huì)引起鄰近巷道或硐室擾動(dòng)。另外，由于硐室圍巖變形大，經(jīng)常需要進(jìn)行返修，也對(duì)硐室的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

(4)圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜。井底車場各硐室相距較近，表現(xiàn)為空間位置復(fù)雜，由于水平應(yīng)力作用效果大大降低，使垂直應(yīng)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(zhuǎn)移，在變形的同時(shí)造成應(yīng)力集中現(xiàn)象[8-12]。加上各硐室和巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)中都較少地考慮底板控制或者設(shè)計(jì)不合理，造成底板和兩幫大量變形而失穩(wěn)。

(5)流變效應(yīng)。在各硐室和巷道建成后，其應(yīng)力重新分布而會(huì)形成應(yīng)力疊加現(xiàn)象，隨著時(shí)間的增長，圍巖將發(fā)生明顯的應(yīng)力疊加環(huán)境下的流變破壞。

3 相鄰硐室和巷道開挖擾動(dòng)影響分析

3.1 建立模型

硐室和巷道尺寸及位置關(guān)系如圖4所示。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料以及硐室圍巖的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，建立了計(jì)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(yīng)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(shù)值模型如圖5所示。

圖4 硐室和巷道尺寸及位置關(guān)系

圖5 數(shù)值模型

數(shù)值模型中各巖層的力學(xué)參數(shù)值根據(jù)測試報(bào)告和現(xiàn)場情況確定，選用摩爾—庫侖模型進(jìn)行計(jì)算[16-21]，各巖層力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 主要巖層力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

井底車場硐室群開挖后，在原支護(hù)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?shù)装逡平? 348 mm，左幫位移959 mm，右?guī)臀灰七_(dá)到754 mm，兩幫移近量1 713 mm，水泵房變形前后的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 水泵房的計(jì)算結(jié)果

大巷底鼓量為657 mm，頂板下沉量為740 mm，頂?shù)装逡平? 397 mm；左幫位移770 mm，右?guī)臀灰?93 mm，兩幫移近量1 563 mm。大巷變形前后的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 大巷的計(jì)算結(jié)果

候車硐室底鼓量為513 mm，頂板下沉量為509 mm，頂?shù)装逡平? 022 mm，左幫位移563 mm，右?guī)臀灰?56 mm，兩幫移近量1 219 mm，候車硐室變形前后的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 候車硐室的計(jì)算結(jié)果

綜合數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以得出，水泵房圍巖變形最為嚴(yán)重，水泵房左幫位移明顯大于右?guī)停鲜覈鷰r整體變形量大。

單獨(dú)開挖水泵房時(shí)垂直應(yīng)力分布如圖9所示，同時(shí)開挖水泵房和大巷時(shí)的垂直應(yīng)力分布如圖10所示，同時(shí)開挖水泵房、大巷和候車硐室時(shí)的垂直應(yīng)力分布如圖11所示。

圖9 單獨(dú)開挖水泵房時(shí)垂直應(yīng)力分布

圖10 同時(shí)開挖水泵房和大巷時(shí)的垂直應(yīng)力分布

圖11 同時(shí)開挖水泵房、大巷和候車硐室時(shí)的垂直應(yīng)力分布

從以上數(shù)值分析可以得出，單獨(dú)開挖水泵房時(shí)，兩幫及頂?shù)装遄冃瘟肯鄬?duì)較小，大巷的開挖極大地改變了應(yīng)力分布，形成了應(yīng)力的重新分布及較高的應(yīng)力集中，兩幫及頂?shù)装逡平看蠓龃螅噜忢鲜议_挖相互影響較為強(qiáng)烈。硐室群同時(shí)開挖時(shí)，在水泵房和大巷之間形成了較高范圍的應(yīng)力集中，臨近應(yīng)力集中區(qū)域的硐室產(chǎn)生了較大的水平位移，在應(yīng)力集中的影響下，圍巖破壞范圍較廣，松動(dòng)范圍較大。

4 水泵房支護(hù)修復(fù)方案

4.1 圍巖松動(dòng)圈窺測

在-850 m水平井底車場水泵房進(jìn)行鉆孔窺視試驗(yàn)，兩幫窺視結(jié)果表明，兩幫孔口到孔內(nèi)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(chǎn)生，410 cm后巖體整體性較好，這說明松動(dòng)范圍在4 m左右，窺視結(jié)果如圖12所示。

圖12 水泵房圍巖窺視結(jié)果(幫部)

頂板與兩幫的破壞方式稍有不同，在孔內(nèi)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(chǎn)生，310 cm以外巖石完整，窺視結(jié)果如圖13所示。水泵房的松動(dòng)范圍在3.0～4.0 m。

圖13 水泵房圍巖窺視結(jié)果(頂板)

4.2 擴(kuò)修前注漿加固

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔窺視結(jié)果，松動(dòng)范圍在3.0～4.0 m，為提高安全系數(shù)，可確定注漿孔長度為5 m，注漿主要針對(duì)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(fù)設(shè)計(jì)

(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(qiáng)度螺紋鋼錨桿，材質(zhì)為BHRB500。每根錨桿使用3卷K2350樹脂錨固劑，預(yù)緊力不低于100 kN，錨桿間排距均為800mm。全斷面掛金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁，金屬網(wǎng)為φ6 mm，網(wǎng)格80 mm×80 mm。金屬網(wǎng)接茬處必須有錨桿加鋼筋梯子梁將其上緊并緊貼巖面，網(wǎng)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(yīng)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(yù)緊力不低于100 kN，墊板采用2塊墊板疊加，其規(guī)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(yīng)向下傾斜15°～25°進(jìn)行安裝。硐室?guī)筒棵?根錨索作為一組并采用鋼帶連接，形成一個(gè)整體，阻止松散圍巖的進(jìn)一步變形。

(3)組合注漿錨索。組合注漿錨索主要針對(duì)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(dǎo)向帽、塑料套管、支撐架、排氣管組合而成，錨索盤采用25號(hào)槽鋼配合20 mm鋼板使用。注漿錨索張拉時(shí)，預(yù)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(shù)如圖15所示。

圖15 水泵房支護(hù)參數(shù)

4.4 支護(hù)效果分析

在水泵房布置測點(diǎn)進(jìn)行觀測，硐室頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟咳鐖D16所示。

從圖16可知，采用修復(fù)方案后，不管是頂?shù)装暹€是兩幫的松動(dòng)范圍明顯較小。另外，由于進(jìn)行了高強(qiáng)度錨桿、高預(yù)應(yīng)力錨索和注漿加固技術(shù)，圍巖變形時(shí)，錨桿、錨索同時(shí)發(fā)揮錨固作用，并錨固在穩(wěn)定的細(xì)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(dòng)范圍的不斷加大。

圖16 硐室頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟?/p>

5 結(jié)論

(1)根據(jù)現(xiàn)場觀測和調(diào)查，對(duì)硐室圍巖變形機(jī)理進(jìn)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(yīng)力大、相鄰硐室和巷道的開挖擾動(dòng)影響、圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜、流變破壞等因素有關(guān)。

(2)對(duì)井底車場硐室群開挖進(jìn)行了模擬分析，得出單獨(dú)開挖水泵房時(shí)，兩幫及頂?shù)装遄冃瘟肯鄬?duì)較小，大巷的開挖極大地改變了應(yīng)力分布，硐室群同時(shí)開挖時(shí)，在水泵房和大巷之間形成了較高范圍的應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中的影響下，圍巖破壞范圍較廣，松動(dòng)范圍較大。

(3)確定了水泵房支護(hù)修復(fù)方案，監(jiān)測結(jié)果表明，硐室圍巖變形量明顯減少并趨于穩(wěn)定，硐室支護(hù)效果良好。