深部围岩蠕变特性及支护技术研究

滕飞飞,连相宇,孙 跃

(安徽省核工业勘查技术总院,安徽 芜湖 241000)

0 引言

随着浅层矿产资源的逐步减少,深层矿产资源开采规模逐渐增多,但深部开采面临着高地应力的影响,通常会导致围岩大变形失稳的工程问题。因此,关于深部巷道围岩稳定性机理及支护措施研究是国内外学者研究的重点与难点之一。

丁增等[1]基于FLAC3D数值模拟,依托恒大煤矿2233工作面进风巷围岩煤样为研究对象,探讨了深部围岩蠕变特性对巷道稳定性影响。研究结果表明,Burgers本构模型对于预测煤样蠕变具有较好的精度,围岩采用支护结构后,巷道在第3个月后进入稳定蠕变阶段。陶志刚等[2]基于现场实测数据,讨论了深部高应力下大跨度隧道炭质板岩变形规律。研究结果表明,采用NPR锚网索耦合支护后,可以有效减小围岩最大变形量,并进一步推导了炭质板岩蠕变特征与板岩层理角度及含水率相关性。邓胜强等[3]改进了Weertman模型,深入研究了炭质岩隧道围岩蠕变特性。结果表明,改进模型可以预测隧道围岩蠕变变形随温度的变化规律。王明年等[4]依托二郎山隧道,采用数值有限元深入分析了高地应力软岩隧道蠕变特性。结果表明,围岩初期的变形速率与隧道埋深呈正相关,开挖完成的2～3个月为隧道变形的稳定期。汪涛等[5]基于Burgers三维损伤蠕变模型对巷道围岩的流变特性进行分析和预测。结果表明,当岩石所受应力大于屈服强度时,岩体将进入加速蠕变阶段,并进一步采用拉普拉斯方程得到圆形巷道围岩变形规律的解析解。刘钦等[6]基于室内三轴压缩实验,研究了软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性。推导了炭质页岩蠕变的黏弹塑性应变软化模型,并与试验结果进行了验证。王永刚和任伟中[7]采用理论推导分析了软弱围岩的蠕变损伤特性,提出采用粘弹塑性理论预测软弱围岩的蠕变规律,并在此基础上给出了最佳支护时机。左清军等[8]基于数值模拟和理论推导研究了富水泥质板岩隧道围岩蠕变特性。结果表明,泥质板岩的蠕变变形和蠕变率随着含水率的增大而增大。此外,蠕变参数随含水率的增大而呈指数减小。张梅花等[9]基于流变数值模拟研究了高地应力下均质混合岩的蠕变特性。结果表明,采用改进的Burger’s模型能较好地预测均质混合岩的蠕变变形,改进模型可为竖井工程稳定性及失稳分析进行评价和预测。

本文综合采用现场实测与数值模拟研究了深部高应力围岩蠕变特性并在此基础上提出了最佳的支护方案。本文的研究可为相似工程的施工及设计提供指导意义。

1 研究方法

1.1 地应力测试

本文采样点位于某矿区深度1 500 m处的岩石进行力学试验分析。原岩应力测量采用套孔应力解除法。在1 500 m埋深处布置三个测点(图1),注意的是,测点布置时应尽量避开断层带、破碎带等不连续软弱面。

图1 地应力监测点布置位置

根据监测数据和计算得到埋深1 500 m处3个测点的地应力空间分量和地应力主应力分量见表1和表2。其中测点方向规定为:南北为x轴,东西为y轴,铅锤向为z轴。结果表明,各测点的应力变化规律表现出较强的规律性。其中,1号和3号测点的主应力方向倾角比较接近分别为15.6°和18.7°。各测点的主应力分量大小平均值为43 MPa、21 MPa和20 MPa。综合以上分析可知,研究区1 500 m处的地应力主要应水平应力为主,且最大主应力的倾角较小。

表1 测点地应力空间分量 MPa

表2 测点地应力主应力分量 MPa

1.2 支护时机

由前文的分析可知,研究区1 500 m处地应力的最大值接近43 MPa,且随着开挖深度的进一步增大,将可能导致地应力进一步增大,可能导致围岩变形及蠕变问题。因此为了保证工程正常进行需采取适当的支护。本节将重点分析最佳支护时机。

进一步对岩样开展室内蠕变试验,采用分级加载方式进行,加载强度按照规范要求。最终岩样强度值按照单轴抗压强度的60%作为最终强度。图2为不同荷载工况下蠕变试验曲线结果。

图2 不同荷载下蠕变试验曲线

为了得到支护的最佳时机,本文采用开尔文模型对研究区岩样在不同应力水平下的蠕变变形进行分析,其蠕变方程为:

(1)

式中:ε为应变,无量纲;η为黏性参数,GPa·h;E1和E2为试样的杨氏模量,GPa;σ0为围岩应力,MPa;t为岩石开始发生蠕变的时间,h。

公式(1)中的参数主要采用Matlab拟合得到,具体值见表3所示。

表3 开尔文模型拟合参数

根据各拟合参数可以进一步得到不同应力状态下的岩样达到稳定蠕变需要的时间,最终得到在不同应力状态下,岩石达到稳定变化速率的时间为20 h、10 h、16 h和16 h。

2 支护方法及参数优化

2.1 支护方案

本次模拟主要考虑选用喷射混凝土、锚杆以及网喷进行支护。模拟中岩体采用Hoek-Brown强度准则;锚杆和混凝土的模型计算参数为:锚杆抗拉强度为480 MPa,伸长率大于21%。混凝土喷射厚度为80 mm;锚杆长度和直径分别为1.8 m和42 mm,锚杆间排距为0.7 m×0.7 m;锚网喷支厚度和长度分别为0.8 m,和1.8 m,直径为42 mm,间排距同样为0.7 m×0.7 m。具体的计算参数见表4。

表4 开尔文模型拟合参数

2.2 模型建立及计算参数

根据实际工程建立数值计算模型如图3所示,其中模型宽度为20 m,高度为20 m,巷道尺寸为宽度2.2 m,高度为4.5 m。整体模型趋于大于巷道直径的3倍以上。根据前文所测地应力情况,对模型施加相应的应力边界条件。

图3 不同荷载下蠕变试验拟合曲线

2.3 巷道支护参数优化

计算了研究区不同3类围岩下的巷道支护情况如图4,得到研究区不同岩性开挖后顶板、底板及两帮的位移变化情况,并给出了塑性区体积大小。其中图中A为不支护,B为混凝土支护,C为锚杆支护,D为网喷支护。结果表明,根据竖向位移变化情况,三种支护方式优劣性分别为:锚喷支护最好,混凝土支护次之,锚杆支护最差,这是由于网喷支护在混凝土和锚杆的联合下可以更好的控制拱顶沉降。具体来看,由图4(a)得到,该组围岩容许极限位移量小于20 mm,因此可采用混凝土支护;图4(b)得到,该组围岩容许极限位移量在20～50 mm,可采用网喷支护;图4(c)得到,该组围岩两帮和底板位移较大,应优先采用网喷支护。

图4 巷道变形及塑性区发展趋势

根据本文的研究,对现场埋深1500m巷道进行分段支护发现,支护后巷道顶板未见岩块掉落,顶板及帮部位移均未超过规范规定的安全界限,支护效果明显。

3 结语

本文综合采用现场实测数据和FLAC数值模拟,研究了围岩蠕变特性研究及支护方案优化,得到如下几点结论:

(1)根据现场实测,最大主应力值为45.8 MPa,方向呈北北西和北北东,应力大小排序由大到小为x最大,z次之和y最小。

(2)进行了室内岩石蠕变曲线,采用开尔文模型对研究区岩样在不同应力水平下的蠕变变形进行分析,最终得到在不同应力状态下,试验岩杨达到稳定变化速率的时间为20 h、10 h、16 h和16 h,利用此法可得到不同岩性巷道支护的最佳时机。

(3)数值模拟对比分析了不同支护方式的优劣效果。其中大塘组围岩容许极限位移量小于20 mm,可采用混凝土支护;摆佐组围岩容许极限位移量在20～50 mm,可采用网喷支护;马坪组围岩两帮和底板位移较大,应优先采用网喷支护。