張曉宇，何滿潮，竇世卿

(1.黑龍江科技學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150027;2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京100083)

井筒馬頭門是井筒與井底車場的連接部分，在礦山井巷工程中占據(jù)十分重要的位置，尤其在深井軟巖中，處于高應(yīng)力下的馬頭門圍巖受施工擾動影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，圍巖應(yīng)力超過巖體強度，易引起圍巖失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，給煤礦安全生產(chǎn)帶來隱患［1－2］。筆者結(jié)合大強煤礦副立井馬頭門硐室工程，探討馬頭門硐室的變形破壞機理，研究支護(hù)對策，并通過工業(yè)性實驗驗證所提出的支護(hù)技術(shù)的有效性與合理性。

1 工程地質(zhì)概況及數(shù)值模擬

1.1 工程概況

大強煤礦位于遼寧省康平縣張強鎮(zhèn)與內(nèi)蒙古通遼市科爾沁左翼后旗的交界處，礦井設(shè)計產(chǎn)量150萬t/a。－890 m水平副立井馬頭門硐室屬于中生界白堊系地層，成巖性質(zhì)相對較差，片理、層理明顯，結(jié)構(gòu)面強度低。圍巖巖性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，普氏系數(shù)均小于2，其中，粉砂巖結(jié)合力弱、整體強度極低;砂質(zhì)泥巖含較多的膨脹性黏土礦物，開挖揭露后，極易風(fēng)化、膨脹，遇水軟化、泥化和崩解，因此，硐室圍巖具有軟弱、松散、膨脹性強的特性。礦井含水形式為孔隙水、微裂隙水，含水層厚度較大，根據(jù)現(xiàn)場水文勘測，掘進(jìn)工作面涌水量可達(dá)45 m3/h，對圍巖的穩(wěn)定性極為不利。

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 計算模型及材料參數(shù)

馬頭門硐室采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)噴+錨索+普通混凝土支護(hù)形式。為研究開挖和支護(hù)后其圍巖的應(yīng)力、位移、破壞場分布特征，確定影響其變形破壞的主控因素，以馬頭門工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，結(jié)合硐室的層位空間布置、實際斷面形狀及大小，采用FLAC3D三維有限差分大變形模擬程序構(gòu)建三維工程地質(zhì)力學(xué)模型及支護(hù)工況模型，如圖1、2所示。

圖1 工程地質(zhì)模型Fig.1 Engineering geological model

圖2 支護(hù)工況模型Fig.2 Support condition model

工程地質(zhì)模型在MIDAS/GTS軟件中生成，通過相關(guān)的接口程序?qū)⒛Ｐ蛯?dǎo)入FLAC3D軟件中。模型計算范圍:長×寬×高=71 m×50 m×45 m，共劃分185 300個單元，193 902個節(jié)點。在模型的邊界面上施加面力，生成初始應(yīng)力場，最大限度地與現(xiàn)場實際相吻合，上覆施加20 MPa的荷載，模擬垂直方向應(yīng)力。材料破壞符合Mohr－Coulomb強度準(zhǔn)則，巖石物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameter value

1.2.2 結(jié)果分析

在模型中設(shè)定四個監(jiān)測斷面，分別為井筒1#斷面、2#斷面，馬頭門1#斷面和2#斷面，監(jiān)測斷面位置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測斷面位置Fig.3 Monitoring sections location

各監(jiān)測斷面位移量隨計算時步的變化曲線見圖4。從圖4可以看出，圍巖變形較明顯，尤其是馬頭門與井筒連接的上部變形較大，最大變形量達(dá)786 mm。

圖4 位移監(jiān)測曲線Fig.4 Displacement monitoring graph

馬頭門硐室應(yīng)力場分布情況如圖5所示。由圖5可見，水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力在馬頭門上部的井筒部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，開挖后，應(yīng)力集中程度增大，并逐步向馬頭門井筒下部轉(zhuǎn)移，對硐室的穩(wěn)定十分不利。

圖5 應(yīng)力場分布Fig.5 Stress field distribution

硐室圍巖的塑性區(qū)分布如圖6所示。從圖6可以看出，井筒和馬頭門兩側(cè)巷道開挖，使馬頭門產(chǎn)生了大面積的破壞單元，表現(xiàn)為底臌嚴(yán)重、頂板下沉劇烈，直至硐室圍巖整體失穩(wěn)破壞。從以上分析可知，采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)噴+錨索+普通混凝土支護(hù)形式不能有效控制馬頭門硐室圍巖的大變形破壞，必須尋求一條新的有效、可控的支護(hù)途徑。

圖6 塑性區(qū)分布Fig.6 Plastic zone distribution

2 破壞機理

根據(jù)馬頭門硐室現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及采用傳統(tǒng)錨網(wǎng)噴+錨索+普通混凝土支護(hù)的數(shù)值模擬結(jié)果可知，硐室圍巖發(fā)生變形破壞主要存在圍巖膨脹性強、傳統(tǒng)支護(hù)形式不合理、受構(gòu)造應(yīng)力影響大、底板穩(wěn)定性差幾方面原因。

(1)圍巖軟弱，膨脹性強

馬頭門硐室圍巖中砂質(zhì)泥巖以泥質(zhì)成分為主，而砂巖礫石互層的膠結(jié)性差、結(jié)合力弱、整體強度很低。據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)實驗結(jié)果可知，巖石的平均強度低于15 MPa，圍巖的自承能力低，自穩(wěn)時間短，變形大，并具有隨時間變化而變形增大的趨勢，對硐室的長期穩(wěn)定不利。圍巖X射線衍射測試結(jié)果顯示，硐室圍巖中膨脹性黏土礦物含量較高(蒙脫石和伊/蒙混層礦物含量可達(dá)71%)，開挖暴露后，極易風(fēng)化、軟化，使得軟弱圍巖強度進(jìn)一步降低。另外，在礦井涌水的作用下，泥質(zhì)軟巖中具有膨脹潛能的黏土礦物急劇膨脹，造成硐室變形量顯著增大，穩(wěn)定性大幅度降低［3］，加上支護(hù)體受不均勻的圍巖附加膨脹應(yīng)力作用，最終導(dǎo)致支護(hù)失效及硐室失穩(wěn)。

(2)傳統(tǒng)支護(hù)形式不合理

由傳統(tǒng)支護(hù)下的馬頭門硐室的數(shù)值模擬結(jié)果可知，錨網(wǎng)噴+錨索+普通混凝土支護(hù)形式不能滿足硐室穩(wěn)定性控制的需要，主要是因為:普通錨網(wǎng)的錨固深度有限，主動支護(hù)強度不足，因而無法限制圍巖產(chǎn)生較大的變形;普通錨網(wǎng)的延伸率比較小，不能適應(yīng)圍巖的大變形，從而導(dǎo)致錨桿斷裂、屈服、失效;混凝土為剛性被動支護(hù)，剛度很大，可縮性差，要等到圍巖發(fā)生一定的變形時才發(fā)揮其主要的承載力［4］，若變形量較大或淺部巖體存在局部拉剪應(yīng)力高度集中時，混凝土隨即開裂、脫落，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。總而言之，圍巖與支護(hù)沒有達(dá)到較好的耦合狀態(tài)，導(dǎo)致硐室不穩(wěn)定。

(3)受構(gòu)造應(yīng)力影響大

馬頭門硐室所在區(qū)域斷層較多，受北部遼陽窩堡斷隆，南部臥牛石隆起，東部八虎山背斜，西部后新丘背斜的影響，該區(qū)內(nèi)產(chǎn)生多個同沉積的短軸背、向斜構(gòu)造，呈雁行狀排列，同時產(chǎn)生了東西、北西、北東向三組斷裂。可以看出，應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造的影響較大。因此構(gòu)造應(yīng)力也是影響破壞的一個主要方面。

(4)底板穩(wěn)定性差

硐室底板巖層為砂質(zhì)泥巖，底板時常出現(xiàn)積水，在水巖耦合作用下，底板膨脹臌起、應(yīng)變軟化，次生裂隙增多，導(dǎo)致積水滲入到深部巖體，造成更大范圍的底臌。同時，硐室開挖空間大，底板泥質(zhì)巖層暴露面積大，將加劇底板塑性區(qū)的發(fā)展。另外，由于硐室?guī)晚數(shù)膲毫^大，容易在底角部位形成高度剪切應(yīng)力集中，造成底部巖體剪切塑性滑移，表現(xiàn)出顯著的底臌大變形。

3 支護(hù)對策及支護(hù)方案

3.1 支護(hù)對策

根據(jù)馬頭門硐室圍巖變形破壞特征及破壞機理，針對其整體穩(wěn)定性差、變形量大、難支護(hù)的特點，結(jié)合工程地質(zhì)力學(xué)實際條件，提出恒阻大變形錨網(wǎng)索噴+底角錨桿+柔層桁架耦合支護(hù)的力學(xué)控制對策。

(1)恒阻大變形卸壓錨桿(索)支護(hù)

由于馬頭門硐室圍巖膨脹性強、圍巖應(yīng)力大、強度較低，因此，須考慮采用一種既具有較高支護(hù)強度、工作阻力，又能產(chǎn)生較大變形的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以限制圍巖初期產(chǎn)生破壞性變形，充分保持原巖強度，控制塑性圈的快速發(fā)展，同時，通過支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的變形適應(yīng)圍巖的大變形，充分釋放圍巖膨脹能、塑性能，達(dá)到卸壓的目的。恒阻大變形錨桿(索)較好地融合了這兩項功能［5］，當(dāng)硐室圍巖發(fā)生大變形時，通過卸壓裝置可以自動延伸，并且在此變形過程中能保持較高的恒定工作阻力，因此，采用恒阻大變形卸壓錨桿(索)進(jìn)行支護(hù)不僅能夠吸收圍巖能量，而且在圍巖大變形條件下仍然具有很好的支護(hù)作用以保證巷道的穩(wěn)定。

(2)柔層桁架支護(hù)

柔層桁架支護(hù)是在柔性噴層和桁架之間預(yù)留一定量的變形間隙，以適應(yīng)圍巖產(chǎn)生的大變形，卸掉過高的非線性膨脹能，同時，在柔層相接時又具有足夠的剛度抵抗圍巖過大的有害變形，達(dá)到圍巖與支護(hù)變形協(xié)調(diào)以及讓抗結(jié)合的目的［6］。

(3)底角錨桿支護(hù)

針對馬頭門硐室底板穩(wěn)定性差、底臌潛勢高的特點，通過打底角錨桿，減弱兩底角的應(yīng)力集中程度，控制底角圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，并有效切斷來自兩側(cè)的高應(yīng)力塑性滑移線，削弱來自兩幫的擠壓應(yīng)力，減小底臌分量，從而保證硐室底板的穩(wěn)定［7］。

3.2 支護(hù)方案

3.2.1 硐室斷面形狀及支護(hù)形式

斷面設(shè)計形狀為直墻半圓拱，掘進(jìn)斷面為6 120 mm×4 560 mm，凈斷面為4 400 mm×3 700 mm。支護(hù)形式為恒阻大變形錨網(wǎng)索噴+底角錨桿+柔層桁架耦合支護(hù)，如圖7所示。

圖7 支護(hù)設(shè)計斷面Fig.7 Support design cross-section

3.2.2 支護(hù)材料及參數(shù)

支護(hù)所用材料有錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、底角錨桿、混凝土、底拱、金屬桁架，具體參數(shù)如下:

(1)錨桿采用φ20 mm×2 400 mm恒阻大變形錨桿，間排距800 mm×800 mm，三花布置，預(yù)緊力不小于80 kN。

(2)錨索采用φ15.24 mm×8 000 mm恒阻大變形錨索，間排距1 600 mm×1 600 mm，錨索緊跟迎頭安裝時預(yù)緊力為100 kN，滯后迎頭安裝時預(yù)緊力為120 kN。

(3)金屬網(wǎng)采用φ6.5 mm鋼筋焊接而成，網(wǎng)片尺寸為1 700 mm×900 mm，網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm。

(4)底角錨桿采用φ43 mm×2 500 mm無縫鋼管，內(nèi)插鋼筋并注漿，排距為500 mm。

(5)混凝土初噴厚度60 mm，待圍巖變形穩(wěn)定后，復(fù)噴至與鋼架接觸。支護(hù)完成1～2個月后，實施永久支護(hù)，永久噴層至覆蓋鋼架，并保證鋼架外保護(hù)層厚度為80 mm，澆筑混凝土強度等級C40。

(6)底拱采用澆筑混凝土，初次澆筑厚度為100 mm，永久澆筑至地坪設(shè)計高度，澆筑混凝土強度等級C40。

(7)金屬桁架材料為12#礦用工字鋼，每架支架共分四段，頂拱部支架之間通過夾板連接件用M20×70螺栓連接，墻部支架與底拱部支架之間利用平衡消力接口連接板及M20×70螺栓連接。平衡消力接口連接板材料為A3鋼，厚度16 mm，全部連續(xù)焊縫，焊縫高度10 mm。

4 工程應(yīng)用效果

為了驗證所提出的新型支護(hù)方案的有效性與合理性，在馬頭門兩側(cè)距井筒8 m處各布設(shè)一組圍巖表面位移觀測站，對巷道表面進(jìn)行位移監(jiān)測。表面累計位移(s)～時間(t)關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 馬頭門支護(hù)1#、2#測點s～t曲線Fig.81 stand 2ndmeasuring location s～t curves of ingate supporting

從圖8a中可以看出，馬頭門1#測點經(jīng)過一個月的變形基本趨于平衡，之后由于另一側(cè)馬頭門巷道開挖擾動的影響，巷道再次發(fā)生位移，最后趨于平衡。最終變形量為:頂板下沉量18 mm，兩幫收縮量38 mm，底臌量17 mm。從圖8b中可以看出，馬頭門硐室施工后巷道圍巖變化較小，35 d左右趨于平衡。最終變形量為:頂板下沉量13 mm，兩幫收縮量27 mm，底臌最大值15 mm。

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，馬頭門處巷道的頂板下沉量和兩幫移近量均不大，底臌量也在允許變形范圍之內(nèi)，且變形受開挖擾動影響較小?？梢?，采用恒阻大變形錨網(wǎng)索噴+底角錨桿+柔層桁架耦合支護(hù)，井筒馬頭門圍巖變形控制效果顯著，可推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

(1)數(shù)值計算結(jié)果表明，馬頭門硐室兩幫及其與井筒的連接部位位移較大、應(yīng)力集中程度較高，采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)噴+錨索+普通混凝土支護(hù)形式不能有效控制圍巖的穩(wěn)定性。

(2)在深入分析硐室圍巖變形破壞機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程地質(zhì)力學(xué)實際條件，提出了恒阻大變形錨網(wǎng)索噴+底角錨桿+柔層桁架的耦合支護(hù)力學(xué)對策。

(3)工程實踐表明，新型支護(hù)技術(shù)有效地控制了深井軟巖馬頭門硐室圍巖的大變形破壞，取得了良好的支護(hù)效果，具有較大的推廣應(yīng)用價值。

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