低強(qiáng)度軟巖巷道大變形圍巖穩(wěn)定控制研究

低強(qiáng)度軟巖巷道大變形圍巖穩(wěn)定控制研究

中國(guó)許多煤礦開采時(shí)間長(zhǎng)。新煤礦和老礦必須建在地質(zhì)條件復(fù)雜、巖石結(jié)構(gòu)薄弱的舊煤礦，或深部采礦。道路圍巖的體表出現(xiàn)了明顯的軟巖特征，如大面積的變形、土壤壓力和長(zhǎng)期可持續(xù)變化。礦井出現(xiàn)了越來(lái)越多的用傳統(tǒng)方法難以控制的軟巖巷道。軟巖主要分類為地質(zhì)軟巖和工程軟巖。根據(jù)軟巖的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),低強(qiáng)度軟巖指單軸抗壓強(qiáng)度小于25MPa的松散、破碎、軟弱及風(fēng)化膨脹性一類巖石的總稱。低強(qiáng)度型軟巖巷道巖體強(qiáng)度弱、結(jié)構(gòu)差,巷道的圍巖松動(dòng)區(qū)范圍大。由于圍巖體承載能力差,支護(hù)方式的選擇受到限制,巷道的穩(wěn)定控制更為困難。多數(shù)巷道處于多次返修、多次擴(kuò)刷、多次支護(hù)的境地。目前,低強(qiáng)度軟巖巷道大變形圍巖的穩(wěn)定控制理論及方式仍處于試驗(yàn)、探索的階段。為此,在焦作礦區(qū)軟巖礦井程村礦,對(duì)井底車場(chǎng)軟弱的泥巖巷道群進(jìn)行了不同支護(hù)方式的試驗(yàn)研究,選擇安全可靠的支護(hù)方法,探索正確的低強(qiáng)度軟巖巷道變形控制機(jī)理。1巷道圍巖結(jié)構(gòu)及變形特征程村礦為在建礦井,車場(chǎng)巷道群所處地層為二疊系石盒子組下部,位于泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖互層中;埋深520m,其中表土層厚410m,基巖段厚度110m。井底車場(chǎng)四周被3條大斷層切割包圍,斷層落差45～110m。巷道圍巖呈碎裂結(jié)構(gòu),層理紊亂,節(jié)理發(fā)育。泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度分別為14.4,19.3,44.2MPa;單軸抗拉強(qiáng)度分別為0.85,0.99,2.18MPa。泥巖中黏土礦物含量75%～78%,其中伊蒙混層含量25%～32%、伊利石含量2%～4%、高嶺石含量33%～46%、綠泥石含量25%～32%,其特性是遇水易膨脹泥化。粉砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育,節(jié)理裂隙條數(shù)14～36條/m3,平均間距不大于0.2m。程村礦井井底車場(chǎng)巷道開工時(shí),馬頭門采用600mm厚鋼筋混凝土碹;其他巷道主要采用錨網(wǎng)初噴、二次復(fù)噴支護(hù)。巷道斷面為半圓拱形,兩種支護(hù)方式均未封底。受圍巖松軟低強(qiáng)度和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力大的雙重作用影響,錨網(wǎng)噴巷道壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈,圍巖變形具有四周來(lái)壓和顯著的流變時(shí)間效應(yīng)。巷道開挖后,頂部變形下沉易垮落;兩幫也整體向巷空方向移動(dòng);同時(shí),底板產(chǎn)生強(qiáng)烈底鼓,兩底角內(nèi)移上抬,底板中部凸起。巷道變形時(shí)間長(zhǎng),初期來(lái)壓快,變形量大;穩(wěn)定后圍巖仍以一定速度長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)大變形。巷道開挖1月內(nèi),巷道兩幫收斂量累計(jì)為400～700mm,底鼓量為600～1500mm,巷道斷面收斂量達(dá)30%～65%。巷道段面收斂速度穩(wěn)定后,變形速度仍保持在3～5mm/d。巷道端面收縮到難以通行時(shí),進(jìn)行了2～3次擴(kuò)刷、重新錨網(wǎng)噴支護(hù),巷道變形速度仍在2.5mm/d左右。馬頭門支護(hù)前期變形不顯著,2個(gè)月后碹體壓酥、破壞;變形速度急劇增加,并引起鄰近的井壁擠碎、開裂。2各種費(fèi)用的工業(yè)試驗(yàn)2.1錨網(wǎng)噴索注漿由于井底車場(chǎng)巷道支護(hù)困難,試驗(yàn)巷道嘗試采用了多種典型的支護(hù)方式進(jìn)行了巷道支護(hù)效果的檢驗(yàn)。支護(hù)方式如下:①一次錨網(wǎng)噴、二次錨網(wǎng)噴索;②一次錨網(wǎng)噴、擴(kuò)刷、二次錨網(wǎng)噴索;③一次錨網(wǎng)噴、混凝土底拱、二次錨網(wǎng)噴索;④一次錨網(wǎng)噴、混凝土底拱、二次錨網(wǎng)噴索注漿;⑤一次錨網(wǎng)噴、擴(kuò)刷、二次全斷面半剛性料石碹(雙層);⑥一次錨網(wǎng)噴、讓壓變形、二次全端面半剛性料石碹(單層),其中單層料石碹是根據(jù)雙層的支護(hù)效果好進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的。錨網(wǎng)噴索、碹體主要支護(hù)參數(shù):?22×2600mm20SiMn左旋螺紋鋼錨桿,間排距600mm×700mm;混凝土噴層,初噴70mm、復(fù)噴80mm;錨索?17.8×6000mm,排距1400mm;注漿,外錨內(nèi)注,注漿管?20×2000mm無(wú)縫鋼管,壁厚為4mm,注漿孔間排距1000mm×2400mm,漿料為425號(hào)水泥,水灰比0.7;錨網(wǎng)索試驗(yàn)巷道底拱,700mm厚混凝土;料石碹單層350mm,雙層700mm。巷道斷面與支護(hù)布置如圖1所示。2.2錨網(wǎng)支護(hù)對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響采用①,②支護(hù)方式的巷道比常規(guī)的錨網(wǎng)噴方式增加了錨索,圍巖移近速度較大。采用③,④支護(hù)方式的巷道施工了底拱,第④支護(hù)方式采取了外錨內(nèi)注加固,巷道初始穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)到2個(gè)月,之后開裂破壞,收斂速度急劇增大。說(shuō)明錨網(wǎng)支護(hù)作為永久支護(hù),現(xiàn)有的錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)及注漿加固技術(shù)對(duì)巖石體本身軟弱破碎時(shí)不適用,圍巖強(qiáng)度提高不顯著,不能有效控制圍巖變形,甚至失效。錨桿一次支護(hù),料石碹二次支護(hù)是科學(xué)合理的,采用⑤,⑥支護(hù)方式巷道全斷面料石碹支護(hù)巷道已施工一年,變形速度為0.08mm/d,正在持續(xù)減小,圍巖穩(wěn)定,效果好(表1)。3計(jì)算和比較石軟弱和半剛性保護(hù)的剛性和半剛性保護(hù)的承載石3.1厚壁區(qū)域應(yīng)力解料石碹材料為石灰?guī)r,強(qiáng)度高且為脆性,材料性質(zhì)在極限破壞狀態(tài)之前可視為線彈性。剛性料石碹受力狀態(tài)為巷道周邊巖石切向應(yīng)力最大,當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度時(shí),材料基本不產(chǎn)生屈服即發(fā)生碎裂或片狀剝落破壞。因此,剛性料石碹的極限受力狀態(tài)為周邊巖石達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度、碹體內(nèi)部基本為彈性變形。試驗(yàn)巷道斷面為底拱封閉底板的直墻半圓拱型。巷道拱部的承載能力按圓形巷道端面、四周受均布載荷Pi(圖2)。根據(jù)彈性力學(xué)軸對(duì)稱問(wèn)題的厚壁圓筒應(yīng)力解:σr=R2iR2i-R20Ρi-R20R2iR2i-R20Ρir2(1)σθ=R2iR2i-R20Ρi+R20R2iR2i-R20Ρir2(2)σr=R2iR2i?R20Pi?R20R2iR2i?R20Pir2(1)σθ=R2iR2i?R20Pi+R20R2iR2i?R20Pir2(2)式中σr——徑向應(yīng)力;σθ——切向應(yīng)力;r——應(yīng)力計(jì)算位置半徑。巷道周邊:r=R0?σθ=2R2iR2i-R20Ρi(3)r=R0?σθ=2R2iR2i?R20Pi(3)料石碹極限承載能力狀態(tài)時(shí),r=R0,σθ=σc碹體對(duì)圍巖的支護(hù)強(qiáng)度為Ρi=R2i-R202R2iσθ=11.13ΜΡaPi=R2i?R202R2iσθ=11.13MPa式中,R0=2.5m(巷道半徑),Ri=2.85m(支護(hù)體半徑),σc=96.55MPa(巖石單軸抗壓強(qiáng)度)。3.2半剛性料石支護(hù)半剛性料石碹采用拱頂、兩肩的木磚做緩沖體,允許料石碹適當(dāng)讓壓變形,實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層不同部位的碹體材料達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度狀態(tài)受壓;同時(shí)外載荷易調(diào)整至均勻分布。其承載能力按結(jié)構(gòu)力學(xué)公式計(jì)算。半剛性料石碹內(nèi)切向應(yīng)力均勻分布σθ=σc,承載能力為Ρi=Ri-R0Riσc=11.86ΜΡa由理論計(jì)算結(jié)果知,中、小斷面巷道采用料石碹進(jìn)行二次支護(hù)加固,在壁后完全充填、碹體受均布載荷時(shí),支護(hù)體極限承載力大。剛性料石碹支護(hù),Pi為11.13MPa。半剛性料石碹支護(hù),Pi為11.86MPa。料石碹極限承載力顯著大于錨桿錨索支護(hù)強(qiáng)度,做為二次支護(hù)有利于巷道實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。4走廊分析對(duì)大變形圍巖穩(wěn)定性的控制4.1次錨桿支護(hù)后圍巖切向應(yīng)力變化試驗(yàn)巷道支護(hù)的分類為二次錨網(wǎng)索支護(hù),一次錨網(wǎng)、二次碹體支護(hù)兩種方式。按平面應(yīng)變軸對(duì)稱問(wèn)題考慮,取巷道圍巖體頂角dθ的一部分扇形體進(jìn)行第二支護(hù)的巖體應(yīng)力變化趨勢(shì)的分析。模型扇形體外徑Rw位于二次支護(hù)應(yīng)力影響區(qū)外,徑向應(yīng)力相對(duì)改變值Δσr=0,兩直線邊上為切向應(yīng)力相對(duì)改變值Δσθ,圍巖體內(nèi)徑周邊上施加二次支護(hù)阻力q2。錨網(wǎng)二次支護(hù)時(shí)錨桿的錨固端圓周上對(duì)錨固區(qū)巖體還作用強(qiáng)度為F=q2R0/Rm(Rm為錨桿的錨固端圓周半徑)的二次錨桿壓緊力。根據(jù)扇形體受力的徑向力學(xué)平衡方程,得碹體(支架)第二次支護(hù)的巖體切向應(yīng)力∫RwR0Δσθdθ=-R0q2。錨桿第二次支護(hù)巖體切向應(yīng)力∫RwR0Δσθdθ=0。錨桿二次支護(hù)后,沿徑向分布的切向應(yīng)力相對(duì)改變值Δσθ的總值為零;Δσθ在錨固區(qū)內(nèi)為正(σθ升高),遠(yuǎn)離錨固區(qū)外為負(fù)(σθ降低)。碹體(或支架)二次支護(hù)后,沿徑向分布的切向應(yīng)力相對(duì)改變值Δσθ的總值為負(fù)值。當(dāng)碹體剛度大、巷道位移基本為零時(shí),Δσθ為負(fù)(σθ降低),Δσr為正(σr升高)。錨桿做為二次永久支護(hù)的軟巖巷道,巖體本身強(qiáng)度低,c值、φ值小。在側(cè)壓作用下,巷道塑性區(qū)切向應(yīng)力值提高有限;由于應(yīng)變軟化,圍巖體承載力較低。而目前的錨桿設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度在0.2～0.4MPa,二次錨桿支護(hù)錨固區(qū)圍巖體的總體承載力增加較少。另外,錨桿支護(hù)阻力不直接參與巷道圍巖體的徑向平衡,只間接提高切向應(yīng)力值,來(lái)阻止圍巖體位移。錨網(wǎng)噴支護(hù)軟巖巷道的錨固區(qū)圍巖承載體穩(wěn)定性和良好的抗流變特性是巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵。若剛度較高,二次支護(hù)應(yīng)力重新分配后,巷道錨固區(qū)外的圍巖體切向應(yīng)力值降低,利于巷道圍巖趨于穩(wěn)定;若剛度較低,錨固區(qū)圍巖體隨應(yīng)力增高、時(shí)間增加易變形,二次支護(hù)后巷道的后續(xù)變形引起的圍巖應(yīng)力重新分配,導(dǎo)致巷道錨固區(qū)外的周邊巖體切向應(yīng)力值升高,不利于巷道圍巖快速趨于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí),錨網(wǎng)索支護(hù)巷道出現(xiàn)較大變形,會(huì)導(dǎo)致巷道表面圍巖體破壞,錨桿承載能力難以發(fā)揮,甚至降低、喪失;及錨固區(qū)巖體的整體性遭到削弱、破壞,圍巖穩(wěn)定性下降。碹體(或支架)二次支護(hù)的巷道,錨桿做為一次支護(hù)保證了圍巖應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移過(guò)程中頂板安全及巷道表面圍巖的整體性,充分調(diào)動(dòng)了圍巖體的承載能力,使巷道變形速率逐步向較低變形速率狀態(tài)轉(zhuǎn)化。采用大剛度的碹體做為二次永久支護(hù),避免了再次應(yīng)變軟化;以及圍巖體應(yīng)力重新調(diào)整中,巷道周邊巖體應(yīng)力升高,應(yīng)力狀態(tài)仍處于臨界的平衡狀態(tài)。大剛度和較高的二次支護(hù)強(qiáng)度(q2最大等于Pi)可保證周邊圍巖切向應(yīng)力重新分布后下降到巖體長(zhǎng)期強(qiáng)度以下,巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此,大剛度高強(qiáng)度碹體二次支護(hù)巷道穩(wěn)定的機(jī)理是,圍巖切向應(yīng)力相對(duì)降低,徑向應(yīng)力相對(duì)升高。4.2巖體承載能力減弱巷道圍巖三區(qū)中,彈性區(qū)巖體處于穩(wěn)定狀態(tài),若巷道變形增加,彈性區(qū)巖體應(yīng)力值升高,阻止變形的發(fā)展趨勢(shì);應(yīng)變軟化區(qū)、流動(dòng)區(qū)巖體為非穩(wěn)定狀態(tài),隨變形發(fā)展該區(qū)域圍巖應(yīng)力值減小,巖體承載能力減弱?？刂葡锏绹鷰r穩(wěn)定要避免塑性區(qū)巖體承載力的降低。因此,二次支護(hù)控制低強(qiáng)度軟巖巷道圍巖體穩(wěn)定的原則是:①巷道初期一次支護(hù)適度變形,充分調(diào)動(dòng)圍巖體的承載能力,變形的合理值是圍巖移近速度逐步降至穩(wěn)定值;變形若繼續(xù)發(fā)展,塑性區(qū)擴(kuò)大、巖體應(yīng)力減小,圍巖狀況趨于惡化。②二次支護(hù)利用支護(hù)或錨固區(qū)承載體的剛度和支撐力,避免圍巖承載體承載力的降低,并優(yōu)化碹體支護(hù)塑性區(qū)或錨桿支護(hù)錨固區(qū)外圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)或在承載體剛度和強(qiáng)度不低于相應(yīng)臨界值的適量變形下,控制塑性區(qū)圍巖體應(yīng)力狀態(tài)逐步降至長(zhǎng)期強(qiáng)度以下。5次錨網(wǎng)索支護(hù)方式不適應(yīng)低強(qiáng)度軟巖巷道一次錨網(wǎng)噴、二次大剛度、高強(qiáng)度支護(hù)控制低強(qiáng)度軟巖巷道圍巖穩(wěn)定是科學(xué)合理的。大剛度高強(qiáng)度碹體二次支護(hù)的機(jī)理是巷道圍巖切向應(yīng)力相對(duì)降低,徑向應(yīng)力相對(duì)升高,應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)化。二次錨