趙文強(qiáng)

(中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測技術(shù)有限公司， 北京 102202)

0 引言

采礦行業(yè)一直是我國各工業(yè)的基礎(chǔ)，長期開采使得淺部資源逐漸枯竭，開采深度也逐年增加，隨著開采深度地增加，地質(zhì)環(huán)境和開采條件也變得更為復(fù)雜，如地應(yīng)力較大，巖體破碎，裂隙發(fā)育等，巖體表現(xiàn)出軟巖的特性，使巷道的開挖和支護(hù)變得更加困難，為此，不少學(xué)者做了大量的分析和研究[1?4]。張小剛等[5]通過現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了深部高應(yīng)力軟巖巷道難支護(hù)的問題，模擬分析不同形狀斷面巷道的圍巖體應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)，優(yōu)化了巷道設(shè)計(jì)方案，提出復(fù)合型的支護(hù)方案，有效的增強(qiáng)了巷道的穩(wěn)定性。劉森[6]以自然平衡拱理論為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)值模擬方法，為高盈利軟巖巷道的穩(wěn)定性分析提供了有價(jià)值的參考。劉春陽[7]在分析該應(yīng)力軟巖的力學(xué)性質(zhì)及圍巖體裂隙發(fā)育程度后，提出了增加錨桿長度并結(jié)合錨網(wǎng)和噴漿支護(hù)，有效地改善了軟巖巷道的支護(hù)質(zhì)量，提高了巷道圍巖體的穩(wěn)定和安全性。楊秀章等[8]針對軟巖巷道提出精細(xì)化的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際巷道的支護(hù)方案有較好的一致性，在此次基礎(chǔ)上，通過模擬分析多個(gè)支護(hù)方案，獲得了最優(yōu)的支護(hù)方案，在現(xiàn)場施工中，該方案取得了非常理想的效果。鞏志力[9]針對煤礦深井軟巖巷道，采用地質(zhì)雷達(dá)探測巷道圍巖體的松動圈范圍，并結(jié)合數(shù)值模擬分子巷道支護(hù)方案，進(jìn)而獲得巷道最優(yōu)支護(hù)參數(shù)和最優(yōu)讓壓空間等參數(shù)，為巷道的開挖支護(hù)工作提供參考。

本文以國內(nèi)某地下礦山為工程背景，針對巷道開挖后臨時(shí)的錨桿支護(hù)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重垮塌的現(xiàn)象，運(yùn)用P波檢測方法測試巷道頂板圍巖體的松動圈。根據(jù)松動圈范圍確定錨桿支護(hù)尺寸，并運(yùn)用數(shù)值模擬分析所選錨桿在支護(hù)后巷道的穩(wěn)定性，通過現(xiàn)場巷道支護(hù)的實(shí)際情況驗(yàn)證臨時(shí)支護(hù)的錨桿尺寸的合理性。

1 松動圈測試

1.1 工程背景

我國南方某地下礦山埋深近1200m，由于深部高應(yīng)力作用、區(qū)域內(nèi)斷層較多以及開挖擾動等多種影響因素，導(dǎo)致圍巖體裂隙發(fā)育程度較大。原巖應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，鉛垂應(yīng)力達(dá)到22.35 MPa，最大水平應(yīng)力達(dá)到19.21 MPa。由于受到多個(gè)斷層的影響，巖體完整性較差，巷道開挖后采用錨網(wǎng)支護(hù)作為臨時(shí)支護(hù)。然而，在開挖之后的掌子面附近，由于沒來得及支護(hù)便出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，如圖1所示；在臨時(shí)支護(hù)的區(qū)域，支護(hù)近12d后，也發(fā)生大面積的垮塌，如圖2所示。

1.2 頂板松動圈P波測試原理

巷道頂板松動圈的測試采用P波速度測試方法，測試儀器為RSM-SY5（T）單發(fā)雙收的單孔測試儀。通過在巷道頂板打鉆測試孔，孔徑為60mm，孔徑不能太大，不然孔口的氣囊無法進(jìn)行完好的密封，但也不能太小，防止探頭無法安裝。測試時(shí)，需要用清水作為耦合介質(zhì)，以便能準(zhǔn)確測量圍巖體的P波速度。由于是頂板的測孔，孔口朝下，需要用氣囊密封孔口，并持續(xù)向氣囊中充氣，同時(shí)向測孔中持續(xù)注入清水，以保證清水能夠充滿整個(gè)測孔。P波速度測試原理如圖3所示。

圖1 開挖2d后垮塌

圖2 錨桿支護(hù)12d后發(fā)生垮塌

圖3 頂板P速度測試原理

根據(jù)圖3中P波速度傳播的原理，設(shè)能量由發(fā)射器R到接收器R1的傳播時(shí)間為t1，設(shè)能量由發(fā)射器R到接收器R2的傳播時(shí)間為t2，根據(jù)儀器參數(shù)接收器R1和接收器R2之間的距離為ΔL，則P波速度Vp可以表示為：

1.3 P波測試結(jié)果與頂板松動圈確定

（1）波測試結(jié)果。為了準(zhǔn)確測試巷道的松動圈，需在巷道頂板不同位置設(shè)置測試孔。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，巷道頂板P波速度的測試孔布置以巷道中線呈對稱形式布置，即頂板中線布置1個(gè)測試孔，兩邊各布置2個(gè)測試孔，如圖4所示。以便能準(zhǔn)確獲取巷道不同位置的P波速度變化特征，進(jìn)而確定巷道最大范圍的松動圈位置。P波速度單孔測試的波形識別如圖5所示，通過準(zhǔn)確調(diào)整能量接收器1和接收器2的起始能量位置，通過式(2)計(jì)算獲得P波速度值，巷道斷面測試孔的P波速度分布特征如圖6所示。

圖4 巷道松動圈測試孔布置

圖5 P波波形識別

圖6 P波速度分布特征

（2）松動圈確定。從圖6中可以看出，偏向于兩幫的測孔（測孔1和測孔5）在深度為1.3m時(shí)，P波速度開始下降，即圖6中紅色點(diǎn)劃線的位置，為了確保松動圈的最大區(qū)域，可以判斷兩幫區(qū)域的松動圈約為1.3m。頂板的測孔（測孔2、測孔3和測孔4）在深度為1.5m時(shí)，P波速度開始下降，即圖6中黑色點(diǎn)劃線的位置，為了確保松動圈的最大區(qū)域，可以判斷，兩幫區(qū)域松動圈約為1.5m。

在測試過程中，為了能夠準(zhǔn)確的確定松動圈范圍，通過多次測試來提高測試的準(zhǔn)確性。結(jié)合多個(gè)斷面的P波速度測試結(jié)果，整個(gè)巷道的最大松動圈范圍約為1.53m。

2 巷道支護(hù)及其穩(wěn)定性分析

根據(jù)松動圈測試結(jié)果可知，前期開挖后臨時(shí)支護(hù)的錨桿較短，整個(gè)錨桿包括錨固端均在圍巖體松動圈的范圍之內(nèi)，圍巖體的松動圈是由于爆破開挖導(dǎo)致圍巖體遭受不同程度的損傷而形成的。因此，錨桿沒有被錨固在穩(wěn)定巖層中，這是導(dǎo)致開挖后臨時(shí)支護(hù)出現(xiàn)垮塌的主要原因。針對這種情況，結(jié)合松動圈測試結(jié)果，選取長度為1.8m的錨桿，增加錨桿長度能夠確保錨桿的端部能錨固在穩(wěn)定巖層中，確保能夠發(fā)揮錨桿錨固的懸吊作用，使錨桿起到有效的支護(hù)作用。

巷道開挖后，錨桿臨時(shí)支護(hù)參數(shù)如下：優(yōu)化前錨桿長度為1500mm，優(yōu)化后錨桿長度為1800mm，錨桿間排距為900mm×900mm，金屬網(wǎng)的網(wǎng)度為150mm×150mm。

在進(jìn)行錨桿優(yōu)化后的模擬分析之前，首先對已垮塌的巷道進(jìn)行模擬反演分析，模擬對錨桿優(yōu)化后的支護(hù)效果，巷道開挖臨時(shí)支護(hù)垮塌之前的模擬結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出巷道頂板的最大Z向位移達(dá)到58mm，在巷道頂板錨桿錨固的端部Z向位移量達(dá)到10mm～20mm。結(jié)合松動圈測試結(jié)果，圖7中點(diǎn)劃線所包圍的深色區(qū)域?qū)?yīng)了圍巖體松動圈范圍，即巷道頂板的錨桿均在松動圈范圍內(nèi)，沒有起到有效的支護(hù)作用，因此臨時(shí)支護(hù)后短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了垮塌。

圖7 原垮塌巷道的支護(hù)模擬反演

錨桿長度增加到1800mm之后，為評估1800mm錨桿支護(hù)后的支護(hù)效果，先通過數(shù)值模擬分析1800mm錨桿支護(hù)后巷道的變形情況，確定支護(hù)巷道穩(wěn)定后在用于現(xiàn)場實(shí)踐，以確?，F(xiàn)場施工作業(yè)環(huán)境的安全性。錨桿增加到1800mm后，巷道開挖后臨時(shí)支護(hù)的模擬結(jié)果如圖8所示，優(yōu)化錨桿長度后，巷道頂板錨桿的錨固端均在穩(wěn)定的巖層中，巷道頂板的最大Z向位移僅有2.8mm，與之前臨時(shí)支護(hù)垮塌后的巷道圍巖體Z向位移相比，圍巖體的Z向位移有較大的降低，即巷道圍巖體的穩(wěn)定性有較大的提高。

圖8 錨桿長度優(yōu)化后的支護(hù)模擬

3 結(jié)論

（1）在巷道開挖后的圍巖體穩(wěn)定性分析中，通過P波速度測試，能準(zhǔn)確有效地獲得圍巖體松動圈范圍，松動圈范圍的確定為巷道開挖臨時(shí)支護(hù)的錨桿長度的選取提供可靠的依據(jù)。

（2）確定錨桿長度后，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，模擬分析錨桿支護(hù)后巷道圍巖體的位移量以及有效的支護(hù)范圍，驗(yàn)證錨桿長度參數(shù)選取的合理性，實(shí)現(xiàn)了對錨桿長度參數(shù)的合理優(yōu)化。