近斷層巷道開挖穩(wěn)定性分析及支護(hù)措施研究

近斷層巷道開挖穩(wěn)定性分析及支護(hù)措施研究

隨著中國(guó)井工程的快速發(fā)展，通過胡同挖掘和破碎帶的工程實(shí)例越來越多。由于斷層破碎帶一般具有強(qiáng)度低、富水性強(qiáng)、透水性大等特點(diǎn)，并與其前后方巖體存在著顯著的物理力學(xué)性質(zhì)差異。因此，當(dāng)巷道穿越斷層破碎帶時(shí)，巷道周邊圍巖應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)以及滲流場(chǎng)的變化特征十分復(fù)雜，導(dǎo)致巷道突水、坍塌、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等問題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約了煤炭資源的安全高效開采21世紀(jì)以前，由于巷道掘進(jìn)技術(shù)以及相關(guān)理論知識(shí)水平相對(duì)落后，巷道在施工遭遇斷層時(shí)往往會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的突水和支護(hù)失效事故，這階段的近斷層巷道穩(wěn)定性相關(guān)研究主要集中在施工支護(hù)技術(shù)的總結(jié)實(shí)踐方面以安里煤礦回風(fēng)大巷為依托，采用FLAC1直墻東北部巷道安里煤礦回風(fēng)大巷埋深為500m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約1248m，斷面形狀為直墻半圓拱形，其中巷寬4.8m，墻高1.4m。根據(jù)勘察報(bào)告，回風(fēng)大巷施工至493m時(shí)將揭露FD2數(shù)值模擬模型和方案2.1數(shù)值模型根據(jù)上述工程情況，采用FLAC2.2錨桿間距及支護(hù)方案為研究近斷層巷道開挖變形破壞特征以及支護(hù)措施，設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)數(shù)值模擬方案。1）方案1：直接開挖。對(duì)巷道不進(jìn)行任何支護(hù)，對(duì)破碎帶不進(jìn)行任何處理。2）方案2：疏水開挖。對(duì)巷道不進(jìn)行任何支護(hù)，但對(duì)破碎帶進(jìn)行疏水處理。3）方案3：疏水后錨噴支護(hù)開挖。對(duì)巷道中砂巖段進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)；對(duì)巷道破碎帶段進(jìn)行疏水以及錨噴支護(hù)；對(duì)巷道泥巖段進(jìn)行錨噴支護(hù)；模擬錨桿間距分別為1.6、1.2、0.8、0.4m。4）方案4：疏水加固后錨噴支護(hù)開挖。對(duì)巷道中砂巖段進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)；對(duì)巷道破碎帶段進(jìn)行疏水注漿加固以及錨噴支護(hù)；對(duì)巷道泥巖段進(jìn)行錨噴支護(hù)；模擬注漿加固范圍分別為1、3、5、7m。2.3斷層破碎帶加固前后巖體力學(xué)參數(shù)變化為準(zhǔn)確反應(yīng)巷道周邊巖體的物理力學(xué)特征，在表1數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，參考鄭穎人、經(jīng)緯等人此外，考慮注漿漿液主要是填充巖體內(nèi)部的孔隙，則可以根據(jù)破碎帶的孔隙率、破碎帶圍巖參數(shù)以及漿液凝固參數(shù)，采用線性插入法計(jì)算得到注漿范圍內(nèi)巖體的各個(gè)力學(xué)參數(shù)。式中：k′為斷層破碎帶加固后的參數(shù)值；k斷層破碎帶在加固前的彈性模量為0.55GPa，孔隙率為0.4，注漿漿液填充破碎帶孔隙率為90%，漿液凝固后彈性模量為5.0GPa；則加固后破碎帶彈性模量為2.13GPa。3在沒有維修條件下，近斷層道路的挖掘變形破壞規(guī)律3.1不進(jìn)行稀疏水壓降3.1.1斷層破碎帶圍巖應(yīng)力分析方案1計(jì)算條件下，開挖面前方巖體豎向應(yīng)力隨開挖面距斷層破碎帶距離L（圖1）的變化曲線如圖3。由圖3可以看出，巷道開挖面前方巖體豎向應(yīng)力由開挖面往深處，其值首先在開挖面處因應(yīng)力卸載為0；然后在前方0.5m處出現(xiàn)最大峰值（約為18～20MPa），隨后往前5m后慢慢降落為原巖應(yīng)力12MPa；當(dāng)圍巖豎向應(yīng)力傳遞至破碎帶位置時(shí)，由于破碎帶圍巖早已發(fā)生屈服，其值迅速降落至8.0MPa；當(dāng)經(jīng)過破碎帶區(qū)域后，圍巖豎向應(yīng)力又迅速恢復(fù)至原巖應(yīng)力。此外還可知，隨著開挖面逐漸向斷層破碎帶逐漸靠近，由于破碎帶圍巖較軟，無法承擔(dān)有效的荷載，導(dǎo)致巷道前方圍巖豎向應(yīng)力集中范圍逐漸減小而峰值應(yīng)力則逐漸增大，當(dāng)開挖面距斷層破碎帶距離L=-6m時(shí)，巷道前方圍巖豎向支承應(yīng)力將達(dá)到19.1MPa（應(yīng)力集中系數(shù)為1.54）。從圍巖彈性支承范圍大小上看，巷道前方圍巖應(yīng)力總是在開挖面前方0.5m處出現(xiàn)最大值，這說明巷道開挖引起的前方圍巖塑性區(qū)范圍并不會(huì)因開挖面向斷層破碎帶靠近而引起突變，說明中砂巖對(duì)破碎帶具有良好的保護(hù)和隔水作用，其防突厚度可以相對(duì)較小。3.1.2巷道周邊巖體位移監(jiān)測(cè)隨著巷道的向前開挖，巷道當(dāng)前進(jìn)尺內(nèi)巖體的最大位移變化曲線如圖4。當(dāng)開挖面距斷層距離大于9m時(shí)，斷層破碎帶對(duì)當(dāng)前開挖范圍內(nèi)圍巖的位移影響基本很小，此時(shí)，巷道拱底、底板、側(cè)墻以及開挖面的最大位移分別穩(wěn)定在10.4、13.5、5.5、4.0mm。其后，隨著開挖面的向前推進(jìn)，由于受斷層傾向以及走向的影響，巷道前方以及右側(cè)方巖體的豎向支承應(yīng)力將逐漸增大，同時(shí)斷層水對(duì)巷道右側(cè)以及前方巖體的擠壓作用也越明顯，導(dǎo)致巷道周邊巖體最大位移在拱頂、右墻以及開挖面處迅速增大，而在左墻以及底板處則基本保持不變。當(dāng)開挖面距斷層距離等于3m時(shí)，巷道拱頂、右墻以及開挖面巖體的最大位移分別比之前增大了40%、80%、200%；這意味著，可通過監(jiān)測(cè)巷道周邊巖體位移的變化規(guī)律來判斷巷道前方是否存在斷層破碎帶以及破碎帶大致的產(chǎn)狀。但需要說明的是，當(dāng)前開挖巖體主要為中砂巖，其力學(xué)強(qiáng)度高，因此，即使巷道圍巖位移增大幅度比例較大，但其總體的增長(zhǎng)幅值卻相對(duì)較小，很容易引起工作者的忽視。這說明，當(dāng)斷層破碎帶后方圍巖為堅(jiān)硬圍巖時(shí)，斷層破碎帶的突水或失穩(wěn)征兆將不是十分明顯，導(dǎo)致開挖更容易直接揭露斷層，發(fā)生突水坍塌事故。3.1.3巷道開挖面距斷層距離的影響開挖面距斷層不同距離下巷道開挖面巖體最大水壓的變化曲線如圖5。由于中砂巖具有較好的穩(wěn)定性和隔水性，開挖對(duì)中砂巖裂隙擴(kuò)展影響很小。因此，當(dāng)開挖面距斷層距離大于6m時(shí)，開挖面前方巖體裂隙并不會(huì)與斷層破碎帶相連形成導(dǎo)水通道，此時(shí)，開挖面巖體最大水壓基本為0。而當(dāng)開挖面距斷層距離等于3m時(shí)，在破碎帶傾向分布規(guī)律的影響下，巷道開挖首先會(huì)在右下角揭露斷層破碎帶，導(dǎo)致巷道開挖面巖體水壓迅速增大至0.9MPa，發(fā)生突水事故。由此可知，巷道開挖斷層破碎帶后方堅(jiān)硬巖層時(shí)，其突水往往具有突發(fā)性強(qiáng)、瞬時(shí)水量大等特點(diǎn)。3.2為了降低血壓，選擇了斷層破裂帶3.2.1破碎帶圍巖位移分析由上述計(jì)算結(jié)果可知，開挖破碎帶后方堅(jiān)硬巖石易誘發(fā)突水，因此需要在開挖面與破碎帶之間預(yù)留一定的防突巖層厚度后，再對(duì)破碎帶進(jìn)行疏水降壓。方案2計(jì)算條件下巷道周邊巖體最大位移隨開挖面推進(jìn)的變化曲線如圖6。由圖6可知，疏水降壓后巷道周邊圍巖能夠在開挖面推進(jìn)至斷層破碎帶前始終保持穩(wěn)定，即其最大位移始終小于30mm。而當(dāng)巷道開挖一旦穿過破碎帶，巷道破碎帶圍巖將因缺少支護(hù)而導(dǎo)致徑向位移迅速增大并不斷增長(zhǎng)（單進(jìn)尺位移最大增長(zhǎng)幅度可達(dá)400mm），尤其是首先被揭露的底板和右墻位置。當(dāng)巷道開挖進(jìn)入泥巖地層并不斷向前推進(jìn)，遠(yuǎn)離破碎帶區(qū)域的中砂巖位移基本保持不變；而破碎帶圍巖位移則繼續(xù)增長(zhǎng)，并帶動(dòng)附近的中砂巖和泥巖產(chǎn)生相應(yīng)的徑向位移。當(dāng)巷道開挖面穿過破碎帶24m后，破碎帶區(qū)域圍巖以及距開挖面較遠(yuǎn)處泥巖位移開始趨于穩(wěn)定；此時(shí)，破碎帶圍巖拱頂、右墻、底板以及左墻最大徑向位移分別達(dá)到554.3、752.9、210.2、409.1mm；而泥巖段圍巖拱頂、右墻、底板以及左墻最大徑向位移則分別為75.2、75.1、33.9、80.0mm。因此，為保證巷道安全，需要對(duì)巷道泥巖段進(jìn)行錨噴支護(hù)；對(duì)巷道破碎帶段進(jìn)行疏水降壓、注漿并錨噴支護(hù)；對(duì)巷道中砂巖段則只需進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)即可。3.2.2巷道圍巖破壞深度分析無支護(hù)條件下巷道在不同地段的塑性區(qū)分布圖如圖7。由圖7可知，巷道開挖后，巷道在中砂巖段的破壞范圍主要集中在巷道兩幫淺部位置，其破壞深度約為1.2m，破壞高度約為3.6m；巷道在破碎帶地段的破壞范圍主要集中在巷道拱頂兩側(cè)斜45°方向以下的所有區(qū)域，其在兩幫以及底板的破壞深度高達(dá)10m以上；巷道在泥巖段的破壞范圍則主要分布在巷道兩幫淺部位置，其破壞深度約2.4m，破壞高度約9.4m。根據(jù)巷道在各個(gè)地段的破壞范圍可知，對(duì)巷道泥巖段應(yīng)進(jìn)行錨噴支護(hù)以加強(qiáng)巷道淺部圍巖的“組合拱”作用，而且錨桿長(zhǎng)度不應(yīng)小于2.4m；對(duì)巷道破碎帶段除了進(jìn)行錨噴支護(hù)外，還應(yīng)進(jìn)行注漿處理，提高破碎帶自身的力學(xué)性質(zhì)。4道路穿越斷層和軟巖段的保護(hù)技術(shù)4.1軟巖段圍巖位移分析當(dāng)噴射混凝土厚度為120mm、錨桿長(zhǎng)度為2.4m時(shí)，不同排間距下巷道泥巖的位移以及塑性區(qū)分布圖如圖8和圖9。對(duì)比圖6可以看出，當(dāng)錨桿排間距設(shè)置為1.6m時(shí)，巷道泥巖在拱頂、底板以及側(cè)墻的徑向最大位移與無支護(hù)條件下對(duì)比分別減小44%、19%以及75%；而破壞深度以及破壞高度則分別減小50%和33%；可見，錨噴支護(hù)對(duì)限制軟巖變形破壞能夠起到良好的效果。隨著錨桿排間距的減小，巷道泥巖徑向位移以及破壞范圍逐漸減小，而且減小的幅度越來越大；當(dāng)錨桿排間距為0.4m時(shí)，巷道泥巖在拱頂、側(cè)墻以及底板的最大徑向位移約為18.1、6.4、22.0mm，塑性區(qū)破壞范圍則僅出現(xiàn)在巷道底部約1.2m的區(qū)域。但由于錨桿排間距的減小必然導(dǎo)致施工成本的急劇增加，應(yīng)選擇合理的排間距；由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)錨桿排間距為0.8m時(shí)，泥巖各處徑向位移和塑性區(qū)范圍就相對(duì)較小，能夠滿足施工以及使用的要求。4.2注漿加固范圍當(dāng)破碎帶采用錨噴支護(hù)后，不同注漿范圍條件下巷道在破碎帶段的最大徑向位移大小如圖10。由圖可知，如不對(duì)破碎帶進(jìn)行注漿加固（注漿加固范圍為0），則錨桿支護(hù)很難以限制破碎帶圍巖的位移，此時(shí)，巷道破碎帶圍巖在錨噴支護(hù)后的位移仍可達(dá)680mm。而進(jìn)行注漿后，破碎帶圍巖就能在淺部區(qū)域形成1個(gè)統(tǒng)一的整體，能夠有效發(fā)揮組合拱作用，使得自身承載能力得到很大提高，其各處徑向位移值迅速減小。注漿范圍越大，破碎帶淺部區(qū)域圍巖承載性能就越好，相應(yīng)的圍巖位移也就越??；但當(dāng)注漿范圍達(dá)到一定程度時(shí)，淺部圍巖承載能力就會(huì)趨于穩(wěn)定，增大注漿加固范圍對(duì)圍巖位移影響很小。因此，建議本工程破碎帶注漿加固范圍應(yīng)大于3m，小于5m。巷道掘進(jìn)完成后，破碎帶注漿范圍外的水壓會(huì)逐漸回升，巷道破碎帶巖體位移隨回水水壓的變化曲線如圖11。當(dāng)注漿加固范圍小于3m時(shí)，破碎帶內(nèi)水壓對(duì)巷道表面巖體位移影響很大，隨著水壓的升高，巷道巖體位移增長(zhǎng)速率逐漸加快，水壓達(dá)到3.0MPa時(shí)，巷道拱頂沉降量將比掘進(jìn)完成時(shí)增大約35%。當(dāng)注漿加固范圍大于3m時(shí)，破碎帶水壓回升對(duì)巷道圍巖位移影響相對(duì)很小，即使水壓達(dá)到3.0MPa，巷道拱頂沉降也僅比掘進(jìn)完成時(shí)增大約8%。因此，為保證巷道的使用安全，破碎帶的加固范圍也應(yīng)大于3m。4.3巷道開挖推過斷層破碎帶后中砂巖段巖體位移情況巷道中砂巖段采用噴射混凝土支護(hù)，巷道斷層段采用疏水降壓+注漿+錨噴支護(hù)，巷道泥巖段采用錨噴支護(hù)后，巷道周邊圍巖位移隨開挖面推進(jìn)距離的變化曲線如圖12。由圖12可以看出，當(dāng)巷道開挖推過斷層破碎帶后，中砂巖段巖體位移基本保持穩(wěn)定，此時(shí)，巷道拱頂、底板以及側(cè)墻最大位移分別為19.9、17.8、11.6mm。當(dāng)巷道開挖推過破碎帶15m后，巷道破碎帶巖體以及遠(yuǎn)離開挖面（約12m）的泥巖位移基本保持穩(wěn)定；此時(shí)，破碎帶巖體最大位移出現(xiàn)在拱頂位置，其值約為20.6mm，泥巖段巖體的最大位移出現(xiàn)在拱頂以及底板位置，分別為27.2mm和23.5mm。這說明，針對(duì)破碎帶前后不同的圍巖地段采用不同的支護(hù)方法，能夠達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又安全的目的，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。5破碎帶圍巖位移下降原因1）斷層未疏水降壓情況下，巷道周邊巖體的最大位移出現(xiàn)在拱頂、右墻以及開挖面處，并隨著開挖面的向前推進(jìn)而逐漸增大，但因圍巖較硬，其增長(zhǎng)幅度較小，導(dǎo)致斷層破碎帶在突水或失穩(wěn)前的變形征兆將不是十分明顯，導(dǎo)致開挖更容易直接揭露斷層，發(fā)生突水坍塌事故。2）斷層未支護(hù)情況下，巷道開挖一旦揭露破碎帶，破碎帶巖體徑向位移將迅速增大且不斷增長(zhǎng)，其單進(jìn)尺最大位移增長(zhǎng)幅度可達(dá)400mm；當(dāng)巷道開挖面穿過破碎帶24m后，破碎帶以及破碎帶前方泥巖