软岩巷道松动圈P波测试与锚杆支护数值模拟研究

2021-06-06赵文强

采矿技术 2021年3期

赵文强

(中咨公路养护检测技术有限公司，北京 102202)

0 引言

采矿行业一直是我国各工业的基础，长期开采使得浅部资源逐渐枯竭，开采深度也逐年增加，随着开采深度地增加，地质环境和开采条件也变得更为复杂，如地应力较大，岩体破碎，裂隙发育等，岩体表现出软岩的特性，使巷道的开挖和支护变得更加困难，为此，不少学者做了大量的分析和研究[1−4]。张小刚等[5]通过现场工业试验和数值模拟研究了深部高应力软岩巷道难支护的问题，模拟分析不同形状断面巷道的围岩体应力状态和变形状态，优化了巷道设计方案，提出复合型的支护方案，有效的增强了巷道的稳定性。刘森[6]以自然平衡拱理论为基础，结合现场实时监测和数值模拟方法，为高盈利软岩巷道的稳定性分析提供了有价值的参考。刘春阳[7]在分析该应力软岩的力学性质及围岩体裂隙发育程度后，提出了增加锚杆长度并结合锚网和喷浆支护，有效地改善了软岩巷道的支护质量，提高了巷道围岩体的稳定和安全性。杨秀章等[8]针对软岩巷道提出精细化的数值模拟，模拟结果与现场实际巷道的支护方案有较好的一致性，在此次基础上，通过模拟分析多个支护方案，获得了最优的支护方案，在现场施工中，该方案取得了非常理想的效果。巩志力[9]针对煤矿深井软岩巷道，采用地质雷达探测巷道围岩体的松动圈范围，并结合数值模拟分子巷道支护方案，进而获得巷道最优支护参数和最优让压空间等参数，为巷道的开挖支护工作提供参考。

本文以国内某地下矿山为工程背景，针对巷道开挖后临时的锚杆支护在短时间内出现严重垮塌的现象，运用P波检测方法测试巷道顶板围岩体的松动圈。根据松动圈范围确定锚杆支护尺寸，并运用数值模拟分析所选锚杆在支护后巷道的稳定性，通过现场巷道支护的实际情况验证临时支护的锚杆尺寸的合理性。

1 松动圈测试

1.1 工程背景

我国南方某地下矿山埋深近1200m，由于深部高应力作用、区域内断层较多以及开挖扰动等多种影响因素，导致围岩体裂隙发育程度较大。原岩应力实测结果，铅垂应力达到22.35 MPa，最大水平应力达到19.21 MPa。由于受到多个断层的影响，岩体完整性较差，巷道开挖后采用锚网支护作为临时支护。然而，在开挖之后的掌子面附近，由于没来得及支护便出现垮塌现象，如图1所示；在临时支护的区域，支护近12d后，也发生大面积的垮塌，如图2所示。

1.2 顶板松动圈P波测试原理

巷道顶板松动圈的测试采用P波速度测试方法，测试仪器为RSM-SY5（T）单发双收的单孔测试仪。通过在巷道顶板打钻测试孔，孔径为60mm，孔径不能太大，不然孔口的气囊无法进行完好的密封，但也不能太小，防止探头无法安装。测试时，需要用清水作为耦合介质，以便能准确测量围岩体的P波速度。由于是顶板的测孔，孔口朝下，需要用气囊密封孔口，并持续向气囊中充气，同时向测孔中持续注入清水，以保证清水能够充满整个测孔。P波速度测试原理如图3所示。

图1 开挖2d后垮塌

图2 锚杆支护12d后发生垮塌

图3 顶板P速度测试原理

根据图3中P波速度传播的原理，设能量由发射器R到接收器R1的传播时间为t1，设能量由发射器R到接收器R2的传播时间为t2，根据仪器参数接收器R1和接收器R2之间的距离为ΔL，则P波速度Vp可以表示为：

1.3 P波测试结果与顶板松动圈确定

（1）波测试结果。为了准确测试巷道的松动圈，需在巷道顶板不同位置设置测试孔。结合现场实际，巷道顶板P波速度的测试孔布置以巷道中线呈对称形式布置，即顶板中线布置1个测试孔，两边各布置2个测试孔，如图4所示。以便能准确获取巷道不同位置的P波速度变化特征，进而确定巷道最大范围的松动圈位置。P波速度单孔测试的波形识别如图5所示，通过准确调整能量接收器1和接收器2的起始能量位置，通过式(2)计算获得P波速度值，巷道断面测试孔的P波速度分布特征如图6所示。

图4 巷道松动圈测试孔布置

图5 P波波形识别

图6 P波速度分布特征

（2）松动圈确定。从图6中可以看出，偏向于两帮的测孔（测孔1和测孔5）在深度为1.3m时，P波速度开始下降，即图6中红色点划线的位置，为了确保松动圈的最大区域，可以判断两帮区域的松动圈约为1.3m。顶板的测孔（测孔2、测孔3和测孔4）在深度为1.5m时，P波速度开始下降，即图6中黑色点划线的位置，为了确保松动圈的最大区域，可以判断，两帮区域松动圈约为1.5m。

在测试过程中，为了能够准确的确定松动圈范围，通过多次测试来提高测试的准确性。结合多个断面的P波速度测试结果，整个巷道的最大松动圈范围约为1.53m。

2 巷道支护及其稳定性分析

根据松动圈测试结果可知，前期开挖后临时支护的锚杆较短，整个锚杆包括锚固端均在围岩体松动圈的范围之内，围岩体的松动圈是由于爆破开挖导致围岩体遭受不同程度的损伤而形成的。因此，锚杆没有被锚固在稳定岩层中，这是导致开挖后临时支护出现垮塌的主要原因。针对这种情况，结合松动圈测试结果，选取长度为1.8m的锚杆，增加锚杆长度能够确保锚杆的端部能锚固在稳定岩层中，确保能够发挥锚杆锚固的悬吊作用，使锚杆起到有效的支护作用。

巷道开挖后，锚杆临时支护参数如下：优化前锚杆长度为1500mm，优化后锚杆长度为1800mm，锚杆间排距为900mm×900mm，金属网的网度为150mm×150mm。

在进行锚杆优化后的模拟分析之前，首先对已垮塌的巷道进行模拟反演分析，模拟对锚杆优化后的支护效果，巷道开挖临时支护垮塌之前的模拟结果如图7所示。从图7中可以看出巷道顶板的最大Z向位移达到58mm，在巷道顶板锚杆锚固的端部Z向位移量达到10mm～20mm。结合松动圈测试结果，图7中点划线所包围的深色区域对应了围岩体松动圈范围，即巷道顶板的锚杆均在松动圈范围内，没有起到有效的支护作用，因此临时支护后短时间内出现了垮塌。

图7 原垮塌巷道的支护模拟反演

锚杆长度增加到1800mm之后，为评估1800mm锚杆支护后的支护效果，先通过数值模拟分析1800mm锚杆支护后巷道的变形情况，确定支护巷道稳定后在用于现场实践，以确保现场施工作业环境的安全性。锚杆增加到1800mm后，巷道开挖后临时支护的模拟结果如图8所示，优化锚杆长度后，巷道顶板锚杆的锚固端均在稳定的岩层中，巷道顶板的最大Z向位移仅有2.8mm，与之前临时支护垮塌后的巷道围岩体Z向位移相比，围岩体的Z向位移有较大的降低，即巷道围岩体的稳定性有较大的提高。