低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制研究

低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制研究

中国许多煤矿开采时间长。新煤矿和老矿必须建在地质条件复杂、岩石结构薄弱的旧煤矿，或深部采矿。道路围岩的体表出现了明显的软岩特征，如大面积的变形、土壤压力和长期可持续变化。矿井出现了越来越多的用传统方法难以控制的软岩巷道。软岩主要分类为地质软岩和工程软岩。根据软岩的力学性质和结构特点,低强度软岩指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩石的总称。低强度型软岩巷道岩体强度弱、结构差,巷道的围岩松动区范围大。由于围岩体承载能力差,支护方式的选择受到限制,巷道的稳定控制更为困难。多数巷道处于多次返修、多次扩刷、多次支护的境地。目前,低强度软岩巷道大变形围岩的稳定控制理论及方式仍处于试验、探索的阶段。为此,在焦作矿区软岩矿井程村矿,对井底车场软弱的泥岩巷道群进行了不同支护方式的试验研究,选择安全可靠的支护方法,探索正确的低强度软岩巷道变形控制机理。1巷道围岩结构及变形特征程村矿为在建矿井,车场巷道群所处地层为二叠系石盒子组下部,位于泥岩、砂质泥岩和粉砂岩互层中;埋深520m,其中表土层厚410m,基岩段厚度110m。井底车场四周被3条大断层切割包围,断层落差45～110m。巷道围岩呈碎裂结构,层理紊乱,节理发育。泥岩、砂质泥岩、粉砂岩单轴抗压强度分别为14.4,19.3,44.2MPa;单轴抗拉强度分别为0.85,0.99,2.18MPa。泥岩中黏土矿物含量75%～78%,其中伊蒙混层含量25%～32%、伊利石含量2%～4%、高岭石含量33%～46%、绿泥石含量25%～32%,其特性是遇水易膨胀泥化。粉砂岩节理裂隙发育,节理裂隙条数14～36条/m3,平均间距不大于0.2m。程村矿井井底车场巷道开工时,马头门采用600mm厚钢筋混凝土碹;其他巷道主要采用锚网初喷、二次复喷支护。巷道断面为半圆拱形,两种支护方式均未封底。受围岩松软低强度和地质构造应力大的双重作用影响,锚网喷巷道压力显现强烈,围岩变形具有四周来压和显著的流变时间效应。巷道开挖后,顶部变形下沉易垮落;两帮也整体向巷空方向移动;同时,底板产生强烈底鼓,两底角内移上抬,底板中部凸起。巷道变形时间长,初期来压快,变形量大;稳定后围岩仍以一定速度长时间持续大变形。巷道开挖1月内,巷道两帮收敛量累计为400～700mm,底鼓量为600～1500mm,巷道断面收敛量达30%～65%。巷道段面收敛速度稳定后,变形速度仍保持在3～5mm/d。巷道端面收缩到难以通行时,进行了2～3次扩刷、重新锚网喷支护,巷道变形速度仍在2.5mm/d左右。马头门支护前期变形不显著,2个月后碹体压酥、破坏;变形速度急剧增加,并引起邻近的井壁挤碎、开裂。2各种费用的工业试验2.1锚网喷索注浆由于井底车场巷道支护困难,试验巷道尝试采用了多种典型的支护方式进行了巷道支护效果的检验。支护方式如下:①一次锚网喷、二次锚网喷索;②一次锚网喷、扩刷、二次锚网喷索;③一次锚网喷、混凝土底拱、二次锚网喷索;④一次锚网喷、混凝土底拱、二次锚网喷索注浆;⑤一次锚网喷、扩刷、二次全断面半刚性料石碹(双层);⑥一次锚网喷、让压变形、二次全端面半刚性料石碹(单层),其中单层料石碹是根据双层的支护效果好进行参数调整的。锚网喷索、碹体主要支护参数:⌀22×2600mm20SiMn左旋螺纹钢锚杆,间排距600mm×700mm;混凝土喷层,初喷70mm、复喷80mm;锚索⌀17.8×6000mm,排距1400mm;注浆,外锚内注,注浆管⌀20×2000mm无缝钢管,壁厚为4mm,注浆孔间排距1000mm×2400mm,浆料为425号水泥,水灰比0.7;锚网索试验巷道底拱,700mm厚混凝土;料石碹单层350mm,双层700mm。巷道断面与支护布置如图1所示。2.2锚网支护对围岩强度的影响采用①,②支护方式的巷道比常规的锚网喷方式增加了锚索,围岩移近速度较大。采用③,④支护方式的巷道施工了底拱,第④支护方式采取了外锚内注加固,巷道初始稳定时间延长到2个月,之后开裂破坏,收敛速度急剧增大。说明锚网支护作为永久支护,现有的锚杆、锚索支护系统及注浆加固技术对岩石体本身软弱破碎时不适用,围岩强度提高不显著,不能有效控制围岩变形,甚至失效。锚杆一次支护,料石碹二次支护是科学合理的,采用⑤,⑥支护方式巷道全断面料石碹支护巷道已施工一年,变形速度为0.08mm/d,正在持续减小,围岩稳定,效果好(表1)。3计算和比较石软弱和半刚性保护的刚性和半刚性保护的承载石3.1厚壁区域应力解料石碹材料为石灰岩,强度高且为脆性,材料性质在极限破坏状态之前可视为线弹性。刚性料石碹受力状态为巷道周边岩石切向应力最大,当应力超过岩石的单轴抗压强度时,材料基本不产生屈服即发生碎裂或片状剥落破坏。因此,刚性料石碹的极限受力状态为周边岩石达到单轴抗压强度、碹体内部基本为弹性变形。试验巷道断面为底拱封闭底板的直墙半圆拱型。巷道拱部的承载能力按圆形巷道端面、四周受均布载荷Pi(图2)。根据弹性力学轴对称问题的厚壁圆筒应力解: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——径向应力;σθ——切向应力;r——应力计算位置半径。巷道周边:r=R0‚σθ=2R2iR2i-R20Ρi(3)r=R0‚σθ=2R2iR2i−R20Pi(3)料石碹极限承载能力状态时,r=R0,σθ=σc碹体对围岩的支护强度为Ρi=R2i-R202R2iσθ=11.13ΜΡaPi=R2i−R202R2iσθ=11.13MPa式中,R0=2.5m(巷道半径),Ri=2.85m(支护体半径),σc=96.55MPa(岩石单轴抗压强度)。3.2半刚性料石支护半刚性料石碹采用拱顶、两肩的木砖做缓冲体,允许料石碹适当让压变形,实现内外层不同部位的碹体材料达到单轴抗压强度状态受压;同时外载荷易调整至均匀分布。其承载能力按结构力学公式计算。半刚性料石碹内切向应力均匀分布σθ=σc,承载能力为Ρi=Ri-R0Riσc=11.86ΜΡa由理论计算结果知,中、小断面巷道采用料石碹进行二次支护加固,在壁后完全充填、碹体受均布载荷时,支护体极限承载力大。刚性料石碹支护,Pi为11.13MPa。半刚性料石碹支护,Pi为11.86MPa。料石碹极限承载力显著大于锚杆锚索支护强度,做为二次支护有利于巷道实现稳定。4走廊分析对大变形围岩稳定性的控制4.1次锚杆支护后围岩切向应力变化试验巷道支护的分类为二次锚网索支护,一次锚网、二次碹体支护两种方式。按平面应变轴对称问题考虑,取巷道围岩体顶角dθ的一部分扇形体进行第二支护的岩体应力变化趋势的分析。模型扇形体外径Rw位于二次支护应力影响区外,径向应力相对改变值Δσr=0,两直线边上为切向应力相对改变值Δσθ,围岩体内径周边上施加二次支护阻力q2。锚网二次支护时锚杆的锚固端圆周上对锚固区岩体还作用强度为F=q2R0/Rm(Rm为锚杆的锚固端圆周半径)的二次锚杆压紧力。根据扇形体受力的径向力学平衡方程,得碹体(支架)第二次支护的岩体切向应力∫RwR0Δσθdθ=-R0q2。锚杆第二次支护岩体切向应力∫RwR0Δσθdθ=0。锚杆二次支护后,沿径向分布的切向应力相对改变值Δσθ的总值为零;Δσθ在锚固区内为正(σθ升高),远离锚固区外为负(σθ降低)。碹体(或支架)二次支护后,沿径向分布的切向应力相对改变值Δσθ的总值为负值。当碹体刚度大、巷道位移基本为零时,Δσθ为负(σθ降低),Δσr为正(σr升高)。锚杆做为二次永久支护的软岩巷道,岩体本身强度低,c值、φ值小。在侧压作用下,巷道塑性区切向应力值提高有限;由于应变软化,围岩体承载力较低。而目前的锚杆设计支护强度在0.2～0.4MPa,二次锚杆支护锚固区围岩体的总体承载力增加较少。另外,锚杆支护阻力不直接参与巷道围岩体的径向平衡,只间接提高切向应力值,来阻止围岩体位移。锚网喷支护软岩巷道的锚固区围岩承载体稳定性和良好的抗流变特性是巷道稳定的关键。若刚度较高,二次支护应力重新分配后,巷道锚固区外的围岩体切向应力值降低,利于巷道围岩趋于稳定;若刚度较低,锚固区围岩体随应力增高、时间增加易变形,二次支护后巷道的后续变形引起的围岩应力重新分配,导致巷道锚固区外的周边岩体切向应力值升高,不利于巷道围岩快速趋于稳定状态。同时,锚网索支护巷道出现较大变形,会导致巷道表面围岩体破坏,锚杆承载能力难以发挥,甚至降低、丧失;及锚固区岩体的整体性遭到削弱、破坏,围岩稳定性下降。碹体(或支架)二次支护的巷道,锚杆做为一次支护保证了围岩应力峰值向深部转移过程中顶板安全及巷道表面围岩的整体性,充分调动了围岩体的承载能力,使巷道变形速率逐步向较低变形速率状态转化。采用大刚度的碹体做为二次永久支护,避免了再次应变软化;以及围岩体应力重新调整中,巷道周边岩体应力升高,应力状态仍处于临界的平衡状态。大刚度和较高的二次支护强度(q2最大等于Pi)可保证周边围岩切向应力重新分布后下降到岩体长期强度以下,巷道处于稳定状态。因此,大刚度高强度碹体二次支护巷道稳定的机理是,围岩切向应力相对降低,径向应力相对升高。4.2岩体承载能力减弱巷道围岩三区中,弹性区岩体处于稳定状态,若巷道变形增加,弹性区岩体应力值升高,阻止变形的发展趋势;应变软化区、流动区岩体为非稳定状态,随变形发展该区域围岩应力值减小,岩体承载能力减弱。控制巷道围岩稳定要避免塑性区岩体承载力的降低。因此,二次支护控制低强度软岩巷道围岩体稳定的原则是:①巷道初期一次支护适度变形,充分调动围岩体的承载能力,变形的合理值是围岩移近速度逐步降至稳定值;变形若继续发展,塑性区扩大、岩体应力减小,围岩状况趋于恶化。②二次支护利用支护或锚固区承载体的刚度和支撑力,避免围岩承载体承载力的降低,并优化碹体支护塑性区或锚杆支护锚固区外围岩体的应力状态或在承载体刚度和强度不低于相应临界值的适量变形下,控制塑性区围岩体应力状态逐步降至长期强度以下。5次锚网索支护方式不适应低强度软岩巷道一次锚网喷、二次大刚度、高强度支护控制低强度软岩巷道围岩稳定是科学合理的。大刚度高强度碹体二次支护的机理是巷道围岩切向应力相对降低,径向应力相对升高,应力状态优化。二次锚