深部圍巖蠕變特性及支護技術研究

滕飛飛,連相宇,孫 躍

(安徽省核工業勘查技術總院,安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著淺層礦產資源的逐步減少,深層礦產資源開采規模逐漸增多,但深部開采面臨著高地應力的影響,通常會導致圍巖大變形失穩的工程問題。因此,關于深部巷道圍巖穩定性機理及支護措施研究是國內外學者研究的重點與難點之一。

丁增等[1]基于FLAC3D數值模擬,依托恒大煤礦2233工作面進風巷圍巖煤樣為研究對象,探討了深部圍巖蠕變特性對巷道穩定性影響。研究結果表明,Burgers本構模型對于預測煤樣蠕變具有較好的精度,圍巖采用支護結構后,巷道在第3個月后進入穩定蠕變階段。陶志剛等[2]基于現場實測數據,討論了深部高應力下大跨度隧道炭質板巖變形規律。研究結果表明,采用NPR錨網索耦合支護后,可以有效減小圍巖最大變形量,并進一步推導了炭質板巖蠕變特征與板巖層理角度及含水率相關性。鄧勝強等[3]改進了Weertman模型,深入研究了炭質巖隧道圍巖蠕變特性。結果表明,改進模型可以預測隧道圍巖蠕變變形隨溫度的變化規律。王明年等[4]依托二郎山隧道,采用數值有限元深入分析了高地應力軟巖隧道蠕變特性。結果表明,圍巖初期的變形速率與隧道埋深呈正相關,開挖完成的2～3個月為隧道變形的穩定期。汪濤等[5]基于Burgers三維損傷蠕變模型對巷道圍巖的流變特性進行分析和預測。結果表明,當巖石所受應力大于屈服強度時,巖體將進入加速蠕變階段,并進一步采用拉普拉斯方程得到圓形巷道圍巖變形規律的解析解。劉欽等[6]基于室內三軸壓縮實驗,研究了軟弱破碎圍巖隧道炭質頁巖蠕變特性。推導了炭質頁巖蠕變的黏彈塑性應變軟化模型,并與試驗結果進行了驗證。王永剛和任偉中[7]采用理論推導分析了軟弱圍巖的蠕變損傷特性,提出采用粘彈塑性理論預測軟弱圍巖的蠕變規律,并在此基礎上給出了最佳支護時機。左清軍等[8]基于數值模擬和理論推導研究了富水泥質板巖隧道圍巖蠕變特性。結果表明,泥質板巖的蠕變變形和蠕變率隨著含水率的增大而增大。此外,蠕變參數隨含水率的增大而呈指數減小。張梅花等[9]基于流變數值模擬研究了高地應力下均質混合巖的蠕變特性。結果表明,采用改進的Burger’s模型能較好地預測均質混合巖的蠕變變形,改進模型可為豎井工程穩定性及失穩分析進行評價和預測。

本文綜合采用現場實測與數值模擬研究了深部高應力圍巖蠕變特性并在此基礎上提出了最佳的支護方案。本文的研究可為相似工程的施工及設計提供指導意義。

1 研究方法

1.1 地應力測試

本文采樣點位于某礦區深度1 500 m處的巖石進行力學試驗分析。原巖應力測量采用套孔應力解除法。在1 500 m埋深處布置三個測點(圖1),注意的是,測點布置時應盡量避開斷層帶、破碎帶等不連續軟弱面。

圖1 地應力監測點布置位置

根據監測數據和計算得到埋深1 500 m處3個測點的地應力空間分量和地應力主應力分量見表1和表2。其中測點方向規定為:南北為x軸,東西為y軸,鉛錘向為z軸。結果表明,各測點的應力變化規律表現出較強的規律性。其中,1號和3號測點的主應力方向傾角比較接近分別為15.6°和18.7°。各測點的主應力分量大小平均值為43 MPa、21 MPa和20 MPa。綜合以上分析可知,研究區1 500 m處的地應力主要應水平應力為主,且最大主應力的傾角較小。

表1 測點地應力空間分量 MPa

表2 測點地應力主應力分量 MPa

1.2 支護時機

由前文的分析可知,研究區1 500 m處地應力的最大值接近43 MPa,且隨著開挖深度的進一步增大,將可能導致地應力進一步增大,可能導致圍巖變形及蠕變問題。因此為了保證工程正常進行需采取適當的支護。本節將重點分析最佳支護時機。

進一步對巖樣開展室內蠕變試驗,采用分級加載方式進行,加載強度按照規范要求。最終巖樣強度值按照單軸抗壓強度的60%作為最終強度。圖2為不同荷載工況下蠕變試驗曲線結果。

圖2 不同荷載下蠕變試驗曲線

為了得到支護的最佳時機,本文采用開爾文模型對研究區巖樣在不同應力水平下的蠕變變形進行分析,其蠕變方程為:

(1)

式中:ε為應變,無量綱;η為黏性參數,GPa·h;E1和E2為試樣的楊氏模量,GPa;σ0為圍巖應力,MPa;t為巖石開始發生蠕變的時間,h。

公式(1)中的參數主要采用Matlab擬合得到,具體值見表3所示。

表3 開爾文模型擬合參數

根據各擬合參數可以進一步得到不同應力狀態下的巖樣達到穩定蠕變需要的時間,最終得到在不同應力狀態下,巖石達到穩定變化速率的時間為20 h、10 h、16 h和16 h。

2 支護方法及參數優化

2.1 支護方案

本次模擬主要考慮選用噴射混凝土、錨桿以及網噴進行支護。模擬中巖體采用Hoek-Brown強度準則;錨桿和混凝土的模型計算參數為:錨桿抗拉強度為480 MPa,伸長率大于21%?；炷羾娚浜穸葹?0 mm;錨桿長度和直徑分別為1.8 m和42 mm,錨桿間排距為0.7 m×0.7 m;錨網噴支厚度和長度分別為0.8 m,和1.8 m,直徑為42 mm,間排距同樣為0.7 m×0.7 m。具體的計算參數見表4。

表4 開爾文模型擬合參數

2.2 模型建立及計算參數

根據實際工程建立數值計算模型如圖3所示,其中模型寬度為20 m,高度為20 m,巷道尺寸為寬度2.2 m,高度為4.5 m。整體模型趨于大于巷道直徑的3倍以上。根據前文所測地應力情況,對模型施加相應的應力邊界條件。

圖3 不同荷載下蠕變試驗擬合曲線

2.3 巷道支護參數優化

計算了研究區不同3類圍巖下的巷道支護情況如圖4,得到研究區不同巖性開挖后頂板、底板及兩幫的位移變化情況,并給出了塑性區體積大小。其中圖中A為不支護,B為混凝土支護,C為錨桿支護,D為網噴支護。結果表明,根據豎向位移變化情況,三種支護方式優劣性分別為:錨噴支護最好,混凝土支護次之,錨桿支護最差,這是由于網噴支護在混凝土和錨桿的聯合下可以更好的控制拱頂沉降。具體來看,由圖4(a)得到,該組圍巖容許極限位移量小于20 mm,因此可采用混凝土支護;圖4(b)得到,該組圍巖容許極限位移量在20～50 mm,可采用網噴支護;圖4(c)得到,該組圍巖兩幫和底板位移較大,應優先采用網噴支護。

圖4 巷道變形及塑性區發展趨勢

根據本文的研究,對現場埋深1500m巷道進行分段支護發現,支護后巷道頂板未見巖塊掉落,頂板及幫部位移均未超過規范規定的安全界限,支護效果明顯。

3 結語

本文綜合采用現場實測數據和FLAC數值模擬,研究了圍巖蠕變特性研究及支護方案優化,得到如下幾點結論:

(1)根據現場實測,最大主應力值為45.8 MPa,方向呈北北西和北北東,應力大小排序由大到小為x最大,z次之和y最小。

(2)進行了室內巖石蠕變曲線,采用開爾文模型對研究區巖樣在不同應力水平下的蠕變變形進行分析,最終得到在不同應力狀態下,試驗巖楊達到穩定變化速率的時間為20 h、10 h、16 h和16 h,利用此法可得到不同巖性巷道支護的最佳時機。

(3)數值模擬對比分析了不同支護方式的優劣效果。其中大塘組圍巖容許極限位移量小于20 mm,可采用混凝土支護;擺佐組圍巖容許極限位移量在20～50 mm,可采用網噴支護;馬坪組圍巖兩幫和底板位移較大,應優先采用網噴支護。