軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性分析及加固技術(shù)研究

軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性分析及加固技術(shù)研究

0錨固體加固機(jī)理及作用機(jī)理隨著能源和交通運(yùn)輸?shù)膬?yōu)先性，中國的煤炭開發(fā)和煤炭建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。自新中國成立以來,我國煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,尤其是近些年,隨著煤炭行業(yè)的異軍突起,大批煤礦建設(shè),如雨后春筍一般出現(xiàn)在祖國大地上。隨著井田建設(shè)的迅猛增長,事故率也在不斷攀升,特別是煤礦軟巖問題一直是困擾煤礦生產(chǎn)和建設(shè)的重大難題之一。煤田井巷加固技術(shù)眾多,下面僅以廣泛采用的錨固技術(shù)來說明加固的作用機(jī)理。目前國內(nèi)外錨固理論的研究主要圍繞以下兩個(gè)方面進(jìn)行:其一是從錨固體加固的效果出發(fā)研究錨固體的作用機(jī)理,從而揭示加固作用的機(jī)理;其二是從錨固體與周圍接觸介質(zhì)相互作用的角度出發(fā)研究錨固載荷傳遞機(jī)理,尤其是對(duì)加漿錨固體中錨固體與注漿體、注漿體與圍巖土體間相互作用的粘應(yīng)力分布狀態(tài)以及傳遞機(jī)理的研究。錨固作用是充分利用錨固體周圍巖體的自身抗剪強(qiáng)度,通過錨固體將拉力傳遞至結(jié)構(gòu)體,以此保持結(jié)構(gòu)體的自身穩(wěn)定。目前對(duì)錨固作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)主要有以下幾種觀點(diǎn):(1)懸吊作用原理;(2)組合梁作用原理;(3)緊固作用原理;(4)增強(qiáng)作用原理;(5)連續(xù)壓縮拱作用原理;(6)銷釘作用原理。上述的幾種觀點(diǎn)反映了不同錨固方式在不同作用條件下的加固作用,但其對(duì)應(yīng)的力學(xué)模型粗糙,只是實(shí)際情況的抽象處理。但由于概念清晰,計(jì)算簡單,目前仍廣泛用于巖土錨固工程中。在井田施工過程中,由于巖體的天然應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞,引起井田周圍巖體的卸荷回彈和應(yīng)力重分布,當(dāng)這種回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度所能承受的范圍時(shí),將造成工程巖體的失穩(wěn)破壞,給井田施工和運(yùn)營帶來危害。由于煤田巷道賦存于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中,且一般的煤田建設(shè)往往投資巨大,一旦發(fā)生圍巖失穩(wěn)情況,往往使煤田建設(shè)的正常施工、安全使用、采礦或其他作業(yè)無法繼續(xù)進(jìn)行,甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故,造成可怕的人員傷亡及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以研究地下洞室圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性對(duì)井田建設(shè)工程是非常有意義且是必要的。長期以來,井田圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和井田開挖后應(yīng)力重分布特征研究一直是工程界研究的重要課題。1錨地地質(zhì)軟巖段冒頂高家梁煤礦淺埋軟巖的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境特征,以及軟巖的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)根據(jù)具體的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析高家梁礦區(qū)軟巖為極松散弱膠結(jié)易風(fēng)化巖石。高家梁井田位于鄂爾多斯萬利礦區(qū)南部,鄂爾多斯市東南約8km處。從井筒地質(zhì)柱狀圖和實(shí)際揭露的巖性看,該礦井屬于比較典型的地質(zhì)軟巖礦區(qū)。圍巖強(qiáng)度低,節(jié)理裂隙極為發(fā)育,碎脹變形大,支護(hù)難度較大。2008年6月,內(nèi)蒙古高家梁煤礦井田2-2掘進(jìn)頭處施工時(shí)夜間發(fā)生冒頂,出現(xiàn)50m的冒頂區(qū)間,致使正在施工的5名礦工被埋,出現(xiàn)冒頂?shù)脑蚴?其一掘進(jìn)段地層正處于軟巖段,巷道圍巖極其不穩(wěn)定,支護(hù)強(qiáng)度不能滿足強(qiáng)度與剛度的要求,支護(hù)方式不合理,其二現(xiàn)場(chǎng)施工人員擅自更改設(shè)計(jì)圖紙,加寬掘進(jìn)面后方儲(chǔ)物室容積,致使支護(hù)受力驟增,支護(hù)失效,發(fā)生慘劇。高家梁煤礦現(xiàn)行支護(hù)方案在圍巖條件較好地段可以滿足強(qiáng)度與剛度要求,但是掘進(jìn)到軟巖地段時(shí),圍巖變形明顯過大,現(xiàn)有支護(hù)已不能保證圍巖穩(wěn)定,并出現(xiàn)冒頂事故。常規(guī)錨噴網(wǎng)支護(hù)失效,需及時(shí)進(jìn)行工程加固。1.1頂板錨索布置對(duì)于巷道頂板深部有穩(wěn)定堅(jiān)硬巖層的區(qū)段,且頂板無淋水時(shí),可采用7.5~10m長的錨索垂直錨入頂板巖層加固(圖1)。錨索長度應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定堅(jiān)硬巖層的空間位置確定,一般要求錨索應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定堅(jiān)硬巖層2m以上,錨固力應(yīng)達(dá)到300kN以上。錨索安裝完成后,應(yīng)施加預(yù)應(yīng)力,其值為初錨固力的50%以上。頂板錨索采用梅花形布置,每個(gè)斷面在頂板設(shè)2~3根錨索。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,2-2上回風(fēng)大巷變形量較大,2-2上輔運(yùn)大巷淋水嚴(yán)重變形有擴(kuò)大趨勢(shì),對(duì)于頂板破碎及片幫較嚴(yán)重地段應(yīng)進(jìn)行錨索加長加密,加厚噴射混凝土厚度。1.2加固設(shè)計(jì)方案對(duì)于巷道頂板沒有穩(wěn)定堅(jiān)硬巖層的區(qū)段,且頂板無淋水時(shí),巷道頂板已經(jīng)出現(xiàn)輕度離層,并發(fā)生輕度彎曲變形,此時(shí)可采用錨索桁架加固方案(圖2)。錨索桁架是由兩根或多根傾斜錨索和拉桿組成的加固體系。當(dāng)上緊錨索的索具后,隨著頂板變形在頂板巖層中形成了水平和垂直方向的擠壓應(yīng)力區(qū),增強(qiáng)了頂板巖層的抗彎能力,提高了頂板的穩(wěn)定性。本加固方案采用兩根斜拉錨索,其長度10m,傾角45°,錨固力應(yīng)達(dá)到350kN;拉桿采用WD275型鋼帶,其展開寬度295mm,厚度4mm,成型高度32mm,長度根據(jù)巷道寬度確定。由于2-2上回風(fēng)大巷、順槽圍巖條件差,頂板巖性以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主,局部為中砂巖,有輕度離層現(xiàn)象,適宜采用錨索桁架加固,對(duì)于出現(xiàn)離層地段,根據(jù)巷道寬度定做相應(yīng)桁架,進(jìn)行錨索桁架加固支護(hù)。1.3鋼管混凝土支架安裝對(duì)于巷道頂板已出現(xiàn)明顯離層,或發(fā)生顯著彎曲變形,或巷道圍巖有滲水時(shí),可采用鋼管混凝土支架加固方案(圖3)。研究結(jié)果表明,鋼管混凝土支架與用鋼量相同的U型鋼支架、工字鋼金屬支架相比,其承載能力可提高2~3倍。鋼管混凝土架棚具有施工簡便,承載力大的優(yōu)點(diǎn),適用于壓應(yīng)力較大地段。鋼管混凝土支架由三段鋼管通過法蘭盤連接組成,鋼管直徑和壁厚由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和加固段壓力、變形情況,經(jīng)分析計(jì)算確定。頂部放置1m長的工字鋼,以實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土支架與巷道頂板的緊密接觸和面接觸。施工方法為:結(jié)合所需加固地段的巷道斷面形狀彎制鉆孔后的鋼管,鉆孔位置由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和施工方便決定;在井下組裝鋼管混凝土支架,然后采用混凝土泵向鋼管中灌注混凝土。施工時(shí),一定確保灌入鋼管內(nèi)的混凝土密實(shí)。1.4t字梁施工優(yōu)勢(shì)對(duì)于皮帶運(yùn)輸巷等不通行運(yùn)輸車輛的巷道,可采用局部T字梁加固方案(圖4)。T字梁加固方案施工簡便,且便于實(shí)施二次加固。當(dāng)巷道受動(dòng)壓影響來壓時(shí),T字梁變形與破壞可及時(shí)觀察到,便于及時(shí)采取加固措施,保證不出現(xiàn)重大安全事故。施工方法為結(jié)合所需加固地段的巷道斷面形狀設(shè)置T字梁的寬度及高度,型鋼的材料、規(guī)格由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和加固段壓力、變形情況經(jīng)分析計(jì)算確定。1.5次鋼棚二次加固方案對(duì)于2-2上輔運(yùn)大巷、回風(fēng)大巷已掘矩型斷面,由于圍巖條件差,受主壓力較大,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,巷道變形量較大,對(duì)已掘進(jìn)斷面(回風(fēng)大巷1700m前、輔運(yùn)大巷950m前)還可采用鋼棚二次加固方案(圖5)。特殊地段采用鋼棚加固支護(hù)達(dá)到永久支護(hù)的目的,頂板過于破碎應(yīng)打管棚超前臨時(shí)支護(hù),棚與棚之間使用槽鋼連鎖,形成整體,棚距1m。在軟巖地層中掘進(jìn)的煤巷多為矩形,幫角在開掘卸載后是應(yīng)力集中點(diǎn),地應(yīng)力增大時(shí)塑性區(qū)先從幫角開始,進(jìn)而兩幫破壞。加固幫角避免幫角處過早破壞而引起巷幫及底板的較大變形。加固幫角控制底鼓的效果有時(shí)甚至超過直接處理。因此在聯(lián)絡(luò)巷、順槽等開口、透口位置2m范圍內(nèi)采用螺紋鋼錨桿、鋼帶、菱形鉛絲網(wǎng)進(jìn)行包角,加固幫角從而控制圍巖穩(wěn)定。2模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分本次計(jì)算使用有限元模擬軟件ADINA,采用地層-結(jié)構(gòu)模型,按照平面應(yīng)變處理,主要分析巷道開挖掘進(jìn)之后圍巖的應(yīng)力分布和變形情況,鋼支架和混凝土噴層聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化情況,分析判斷出支護(hù)結(jié)構(gòu)是否和圍巖變形耦合,工作狀態(tài)是否滿足支護(hù)的強(qiáng)度和剛度要求。巷道開挖的影響范圍一般是5D(D是巷道跨度或巷道直徑)。這里巷道跨度大約為4m,巷道開挖的影響范圍是20m。因此模型的上方和左右方各取20m,下方取30m。所以本模型尺寸為寬×高=20m×30m。網(wǎng)格劃分如圖6所示。模型邊界采用齊次邊界條件,上部邊界取為自由面,下部邊界取為固定邊界,左右邊界巖體沿x方向的位移被約束。巖體材料和鋼支架下方的混凝土基礎(chǔ)墩采用實(shí)體單元,鋼支架采用梁單元,混凝土噴層采用襯砌單元模擬。地層和結(jié)構(gòu)單元特性參數(shù)見表1。圍巖頂板下沉變形5.657cm,超過預(yù)留的5cm,可以做適當(dāng)調(diào)整;兩幫擠入變形3.435mm,在預(yù)留的5cm變形量以內(nèi),底板隆起變形1.346cm,可以對(duì)底板進(jìn)行處理。在比較接近實(shí)際的鋼支架與圍巖存在空隙的工況下,圍巖的變形量基本都在預(yù)留的5cm變形量以內(nèi),支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)分別為6.82和2.00,說明支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足剛度和強(qiáng)度要求。3巷道圍巖鉆孔錨點(diǎn)巷道圍巖活動(dòng)的主要表現(xiàn)是頂板離層,下沉,冒落,兩幫片幫,滑移,底板鼓起等。特別是錨桿支護(hù)巷道活動(dòng)狀況的隱蔽性,其破壞失穩(wěn)一般沒有明顯的預(yù)兆,不易被人們察覺,破壞往往具有突發(fā)性。巷道頂板一旦發(fā)生冒頂,并且多數(shù)情況下規(guī)模較大,其危害性較為嚴(yán)重,巷道兩幫的失穩(wěn)造成煤幫大面積滑落,也易于誘使頂板冒落。2-2上運(yùn)輸大巷測(cè)量數(shù)據(jù)。斷面位置以2號(hào)點(diǎn)為起點(diǎn),向前1852.4m。頂板為泥巖,進(jìn)入拱形斷面位置,局部出現(xiàn)碎頂、片幫現(xiàn)象。斷面形式為矩形斷面,滲水現(xiàn)象嚴(yán)重,加設(shè)了鋼架支護(hù)。巷道加固前后對(duì)比見表2,表3;加固后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7~10;監(jiān)測(cè)儀器見表4。YS(B)鉆孔窺視儀在煤層頂板小孔徑鉆孔中可用于煤巖識(shí)別以及裂隙觀察。使用YS(B)鉆孔窺視儀在2-2上,2-2中兩巷道進(jìn)行鉆孔觀測(cè),在鉆孔觀測(cè)中發(fā)現(xiàn),由于滲水嚴(yán)重,頂板及周圍軟巖層已經(jīng)變成泥層,所以對(duì)支護(hù)密封要求較高。又因?yàn)檐泿r層變化為泥漿層,鉆孔深度沒有達(dá)到很深,大概2m左右,所以沒有更深入的觀察內(nèi)部情況。在觀測(cè)成果圖片中,可以清楚的看到巖層裂隙的位置與巖層界面的情況,便于現(xiàn)場(chǎng)施工人員及時(shí)了解圍巖情況。巷道頂板和左右?guī)偷淖冃味荚陬A(yù)留的50mm左右,說明初期支護(hù)方式勉強(qiáng)滿足強(qiáng)度和剛度要求,在軟巖段,有冒頂現(xiàn)象出現(xiàn),需要對(duì)其支護(hù)進(jìn)行加固,開挖支護(hù)后頂板最先穩(wěn)定,大約需要20~25d,位置距離掌子面大于50m,其后是兩幫和底板,大約需要30~35d;底板的變形比較小,在鋪底段,底鼓現(xiàn)象極其微小。4加固方案設(shè)計(jì)及施工本文根據(jù)工程地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和長期圍巖變形監(jiān)測(cè),結(jié)合已建巷道軟巖段的施工記錄從而制定了加固支護(hù)方案。應(yīng)用ADINA有限元軟件,分析了高家梁礦運(yùn)輸大巷開挖后的圍巖應(yīng)力變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力,得出的主要結(jié)論:(1)根據(jù)高家梁運(yùn)輸大巷實(shí)際破損情況,設(shè)計(jì)了5種加固方案,以便在不同工況中使用;(2)高家梁礦運(yùn)輸大巷圍巖情況大