深部软岩小角度斜交巷道综合控制技术及其应用

陈 刚

(天津大学建筑工程学院, 天津 300350)

在井下工程中经常会出现两条或多条巷道水平相交的情况,由于巷道交叉的影响,工作临空面增大,附近围岩会发生应力叠加效应,导致巷道围岩受扰动变形、松散破碎[1-2]。尤其是位于深部软弱、破碎地层的巷道,岩体本身的大变形、高地压特性已经增大了巷道的支护难度,再加上交叉点施工的复杂扰动,极易诱发支护体系的局部或整体失稳,对巷道结构的有效支护及安全运营带来了巨大挑战[3]。

现阶段,井巷工程中对于交岔部位的治理方式主要以局部加强为主[4],多位专家、学者关于深部交叉巷道支护及稳定性措施等方面开展过针对性的研究。这些研究,或以数值仿真及模型试验等手段对新掘巷道不同工序情况的应力状态及变形特性进行研究[5-7],或基于现场实践探讨高地压、围岩强度等地质因素对巷道稳定性的影响[8-9]。总结发现,目前有关立体交叉或平面大角度交叉巷道的加固研究较多[5-10],但对于小角度斜交巷道存在中间岩柱情况的稳定性控制鲜有深入探讨。由于巷道设计条件不同,相交部位的应力集中程度必然有所差异,这将导致不同交汇方式所需采取的加强范围有所不同。现有研究表明[11],相交部位角度过小不利于巷道结构稳定,岩柱变形有向尖顶端偏移的趋势。

针对小角度斜交巷道开挖稳定性及支护问题,依托潘四东矿地质环境复杂的1203下顺槽联络巷与主运大巷斜交工程,通过分析巷道施工引起的中间岩柱变形机理,提出两种针对性的掘进支护方案,基于不同工况的数值仿真分析,研究了不同加固措施下的围岩变形特性及加固效果。

1 斜交巷道失稳机理

1.1 交岔部位拱顶失稳

为了减少深部围岩应力集中现象,充分发挥拱顶上部岩体的承载能力,软岩巷道大多选用直墙拱形结构[12]。如图1所示,如果两条斜交巷道在交岔部位贯通,形成较大范围临空面,受深部高地压、施工扰动等因素影响,不能形成受力合理的承载拱结构,难以向两侧围岩稳定传递压力,将在巷道顶板交汇部位发生应力集中,引起支护系统出现局部失稳破坏。所以,在斜交巷道交汇区域,必须对上部拱结构进行合理加强,确保上部岩体结构的完整性,使顶板荷载稳定传递至两侧围岩,防止顶板出现非线性的较大沉降变形。

图1 斜交巷道相对位置示意图

1.2 斜交区域岩柱失稳

两条巷道从斜交中心逐渐分离,巷道中间锐角夹角一侧存在一个近似三棱柱状的岩柱体(图1),承受两侧巷道上方的大部分覆岩重量,中间岩柱的整体承载性能对软岩巷道的稳定至关重要。巷道施工期间,中间岩柱由于硐室作业的多次扰动,在两侧临空面岩土逐渐清移的过程中,侧面约束力逐渐减小,应力状态从初始稳定状态渐变为不稳定的双向受力状态。由于岩柱侧向束缚的缺失,其向两侧巷道内部的横向变形得以发展,引起局部应力集中程度逐渐增大。随着岩柱体的横向变形逐渐发展,导致其出现竖向压缩,并最终表现为过大的竖向位移,诱发岩柱碎裂、塌落等失稳现象。

2 斜交巷道加固控制措施

斜交巷道的预留岩柱是不规则的棱柱体,在有限的作业空间内反复受到施工扰动,引起岩体边缘出现塑性损伤[13]。所以,约束中间岩柱边缘的横向变形,防止其向巷道内部发展,是有效增强斜交部位稳定性的关键措施。具体来说,是通过加强支护措施来提高岩柱体的整体性,使临空的巷道边墙形成有约束的整体结构。

2.1 钢桁架支护

采用长锚索和U型棚构成的立体钢架体系,是一类高强度、大刚度的主被动结合支护措施,如图2所示。其借助长锚索与深部围岩的相互作用,通过锚梁将U型棚紧拉至围岩临空面,再利用锚索被动加固及U型棚自身刚性闭合的优点,使得围岩压力均匀传递至巷道两侧。

图2 空间钢架组合体系示意图

在加固形式上,U型棚属于刚性加固措施、锚索属于柔性加固方式。施工时,先实施刚性支护、后进行锚索加固,当巷道表明的围岩变形达到棚架的刚性变形界限,嵌固于深部岩体的锚索开始产生拉锚效应,将巷道结构受到的深部地压传递至更深处,增强巷道结构自身稳定性。

2.2 对穿锚索加固

图3 岩柱对穿锚索加固示意图

斜交部位的中间岩柱直接承受两侧硐室上方的荷载,且处于不稳定的双向受力状态。为了改善软弱岩柱体的受力性能、提高岩体的整体结构性,采用施作超高预应力对穿锚索的方法来提供水平约束力。如图3所示,从锐角岩柱一侧打设多排水平深孔对穿锚索,索端利用锁具嵌固在斜交巷道的表面,并通过锚梁对中间岩柱施加紧固力。通过控制水平预应力的量值,来约束岩柱两侧的横向变形,达到间接降低竖向位移、增强整体承力性能的目的。

3 工程案例

深部软弱破碎岩体的损伤致灾因素较多,不同的加固措施对巷道的稳定性控制效果存在一定差异,针对潘四东矿新掘联络巷斜交主运大巷的工程实际,进行深部软岩的稳定性控制应用研究,分析斜交巷道中间岩柱的安全性。

3.1 工程概况

潘四东矿坐落在安徽省淮南市西北部,西距蚌埠50 km,东距阜阳90 km。矿区处于褶皱冲断带的东西向逆冲构造区,煤矿井田以北东—南西向带状展开。潘四东矿1203下顺槽联络巷位于1203工作面和主运大巷之间,联络巷埋深约527 m,截面形式呈直墙拱形结构,墙高2.13 m,拱高2.42 m,断面宽4.85 m。

1203下顺槽联络巷与主运大巷之间的夹角仅25°,且巷道揭露地层以粉细砂岩、泥质砂岩为主,其成岩压密时间短,岩石松软破碎、强度低且裂隙发育,属于特殊的深部高应力软岩地质,对巷道的掘进安全具有关键影响。联络巷深度主要地层力学参数如表1所示。

表1 物理力学参数

潘四东矿先期选用普通锚网喷支护,但受不良地质因素的影响,锚杆支护难以发挥显著优点。为了避免壁后围岩应力均布性差,引起两线交岔部位发生显著应力集中,根据潘四东矿的实际工程状况,在新掘斜交工程实施前,提出两种加固措施,以加快巷道的自稳、减小围岩的变形。分别为：①锚网喷+钢桁架支护方案；②锚网喷+U型棚+岩柱对穿锚索加固方案。

3.2 数值仿真模型

基于有限差分软件建立潘四东矿1203下顺槽联络巷与主运大巷斜交部位的仿真计算模型,探讨上述两类支护措施的加固控制效果。构建的斜交巷道仿真模型如图4所示。

图4 斜交巷道仿真计算模型

为减少模型边界效应对斜交部位施工的影响,斜交范围以外预留3倍以上洞宽的巷道长度,最终的三维模型尺寸X×Y×Z=45 m×90 m×30 m,共78 930个单元、96 312个节点。模型计算采用修正M-C弹塑性模型,将上部地层视为模型上边界的施加荷载,底部边界固定,四周进行水平约束。

3.3 计算结果分析

不同支护方案下,斜交巷道扩大端围岩变形情况如图5所示,不难得出如下结果。

(1)采用锚网喷+钢桁架支护方案(方案1),岩柱两侧巷道均发生以顶沉、底臌为主的变形,变形最大约 58 mm；中间岩柱竖向压缩沉降达到 55 mm,与两侧巷道拱顶变形量值基本相同,说明中间岩柱难以承受上部地层荷载,已经出现局部塑性区贯通现象,发生较严重的变形损伤,无法满足巷道的安全运营要求。

(2)采用锚网喷+U型棚+对穿锚索的综合加固方案(方案2)进行治理后,两侧巷道拱顶沉降范围较方案1明显降低,仅出现轻微的底板隆升现象,巷道结构最大变形仅约20 mm；扩大端处围岩压缩变形约 14 mm,较方案1减少了74.5%,结构变形控制效果显著,且两巷道间未出现塑性范围贯通的趋势,说明采用对穿锚索技术能够确保岩柱的整体稳定性,提高深部围岩抑制非线性流变变形的能力。

图5 斜交巷道开挖引起的位移场云图

为了深入分析中间岩柱的变形情况,斜交巷道施工计算过程中,分别提取岩柱尖顶端及扩大端的变形数据,绘制竖向位移曲线如图6所示。

图6 斜交巷道开挖引起的岩柱竖向位移

采用支护方案1工况下,岩柱的竖向变形曲线如图6(a)所示,能够看出,两线巷道开始施工前期,锐角岩柱尖顶端及扩大端的变形基本稳定,二者变形范围7～13 mm,趋势相近；随着施工开挖推进,尖顶端变形急剧增加,至钢桁架施工完成后,变形速率略有下降,但降低程度并不显著；斜交巷道施工至20 d以后,中间岩柱两端的变形逐渐趋稳,此时尖顶端及扩大端的变形量值均超过45 mm。说明采用锚网喷+钢桁架的支护方案能够在一定程度上抑制中间岩柱的变形发展,但是其控制效果仍有待提高。

采用支护方案2工况下,岩柱的竖向变形曲线如图6(b)所示,能够发现,随着开挖工作面推进,岩柱尖顶端及扩大端的变形呈震荡增加的趋势,在一个开挖进尺内,当岩柱变形快速发展时,随着对穿锚索的施工,变形曲线短期内变得平缓；待下一进尺施工后,又呈现相近的规律；斜交巷道开挖完成后,岩柱两端的变形均未超过15 mm。说明,中间岩柱在对穿锚索加固下,具有较好的结构整体性,采用该方案可为锐角岩柱提供水平紧固力,改善岩柱的受力状态。

4 实测验证分析

在潘四东矿新掘联络巷斜交主运大巷施工时,首先进行主运大巷非交岔部位的开挖,主运大巷根据原支护方案,采用普通锚网喷+预应力锚索支护。待主巷二衬强度达到要求、工作面推进至交岔区域时,分别向两侧同时进行主运大巷和联络巷的开挖。通过前述分析,斜交巷道采用“锚网喷+U型棚+对穿锚索”的综合加固方案,U型棚选用40U型钢,间距0.6 m；根据所夹岩体的结构和尺寸,对穿锚索的设计间排距取2.5 m×2.5 m。

现场施工时,对主运大巷斜交部位的拱顶竖向位移和边墙水平位移进行实时监测,绘制实测数据与模拟结果的对比曲线,如图7所示。

图7 实测位移及计算数据对比

可以发现,施工初期开挖范围较小,由于中间岩柱的托举作用,巷道结构较稳定,拱顶变形小于边墙的变形；在作业面向岩柱深处推进的过程中,拱顶和边墙的变形量均逐渐增大,且由于岩柱开挖、上部地层扰动,拱顶的位移变化更为剧烈,巷道施工完成后,顶板的稳定沉降约17 mm,边墙的稳定位移约13 mm；对比实际监测曲线与模拟曲线发现,巷道拱顶及侧墙的数据变化规律基本一致,仅在巷道施工前期存在较小偏差,表明数值计算的可靠性。

5 结论

(1)深部软弱地层中不可避免出现两条或多条巷道小角度斜交的情况,由于深部岩体具有高地压、大变形、岩性劣等典型的地质特性,加上交叉点施工引起的应力叠加效应,导致巷道围岩受扰动变形、松散破碎,如不进行及时、有效的高强支护,极易诱发支护体系的局部或整体失稳,给矿井开拓和采矿运输带来极大的挑战。

(2)通过对小角度斜交巷道失稳机理的深入分析,认为交岔部位顶板临空以及岩柱压缩变形是引起斜交巷道破坏的主要因素。新掘巷道交岔部位不能形成受力合理的承载拱结构,且随着工作面推进中间岩柱的侧向约束逐渐缺失,从初始稳定状态转变为双向应力状态,所以,提升斜交部位稳定性的关键是加强支护来提高岩柱的整体性。

(3)依托潘四东矿1203下顺槽联络巷与主运大巷斜交工程,基于主、被动支护相协调的原则,提出了两种针对性的加强支护措施,通过建立数值仿真模型,分析了不同支护措施下的围岩变形特性及加固效果,最终选择锚网喷+U型棚+对穿锚索的综合处理方案。通过实测数据分析,采用对穿锚索技术进行岩柱加固,能够有效改善围岩的受力状态,控制巷道的拱顶沉降及边墙位移,验证了新掘斜交巷道处理方案的可行性。