弱胶结软岩主斜井支护方案研究

李 军，李学彬，王 磊

(1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁 阜新，123000；2. 北京昊华能源股份有限公司，北京，102300；3. 北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013；4. 煤矿深井建设技术国家工程实验室,北京 100013)

0 引言

我国西部矿井软岩普遍存在强度低、胶结力弱、易风化水解，目前针对西部软岩巷道支护问题的研究处于探索阶段，对软岩破坏的机理、支护参数选取尚处于摸索和依赖于工程经验的阶段[1-8]。

1 工程概况

红庆梁煤矿井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗境内，井田构造简单，属于典型的弱胶结软岩矿井。围岩含水量较大，而强度指标较小，普氏系数小于1，属于典型的软弱类岩石。红庆梁矿主斜井原设计的主要支护形式为锚网索喷联合支护，在主斜井掘进初期此种支护形式发挥了明显的作用。但随着掘进深度的不断增加，主斜井顶板、两帮均有不同程度的渗水现象，尤其是底板部分出现了大量的涌水使得掘进速度变慢，而且使得锚喷支护效果大打折扣。鉴于此，研究决定针对当前渗水以及后续深部地压较大的问题提出了三种支护形式，主要包括：①树脂锚杆+注浆锚杆+金属网+喷射混凝土封闭式支护形式(锚网喷)；②树脂锚杆+钢筋网+封闭环形U型钢支架+喷射混凝土封闭式支护形式(锚网喷架)；③树脂锚杆+喷射混凝土+钢筋网+现浇混凝土封闭式支护形式(锚网喷砌)。三种支护形式如图1所示，其中锚网喷砌为现行使用的支护形式。

图1 支护设计

本文将对三种支护形式的围岩控制效果进行分析，通过对比确定合理的支护方案。

2 支护方案数值模拟分析

2.1 模型建立

利用MIDAS-GTS对主斜井井筒施工阶段进行三维数值模拟，分析井筒支护前后围岩应力、变形以及锚索锚杆应力情况，验证各支护方案的可实施性。

模拟过程中做如下假定：(1)围岩各向同性，岩层假定为理想弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则[9-11]；(2)支护材料如锚杆、钢支架、喷混等设定为线弹性本构模型[12]；(3)岩体初始应力场不考虑地质构造应力场及温度应力场，只考虑自重应力的影响[13]；(4)设侧压力系数K=0.5，围岩应力释放率为50%[14]。(5)开挖时采用了超前管棚支护措施，模拟时采用等效计算的方法，依据经验将围岩参数中的c值提高一定比例，将井筒上方岩体的粘聚力值提高20%。

据经验可知巷道开挖对两帮的影响范围一般是3D～5D(D为巷道跨度或直径)，由主斜井巷道跨度为6.2 m可知，开挖后影响范围约为35 m，所以模型左右至井筒中心各取35 m，模拟井筒岩层断面取自主斜井开挖长度610 m处，经地质剖面图可知开挖影响范围内岩层仅有中粒砂岩一种岩层。由于该主斜井倾斜角度为16°，换算成垂直深度约为170 m，模型上表面取自垂直深度150 m处，模型下表面取自垂直深度200 m处。由此可确定模型尺寸为长×宽×高=70 m×50 m×30 m。岩体采用实体单元划分，喷混采用板单元，锚杆采用植入式桁架单元，U型钢支架采用梁单元。模型上部边界无任何约束，下部为Z向固定约束，左右为X方向约束。在主斜井开挖长度620 m处设置一个考察断面，便于直观分析。岩层及支护结构物理参数见表1和表2。

表1 岩体力学参数

表2 材料力学参数

数值模拟主要针对全断面锚网喷支护、全断面锚网喷钢支架以及现行支护三种状态下围岩变形及支护结构受力分析，通过分析比较，最后确定合理支护方案。

2 模拟结果及分析

2.1 围岩塑性特征对比分析

井筒开挖支护后支护效果的好坏可以通过围岩塑性特征较好的诠释。计算得出无支护情况下塑性区在顶、底、两帮均有显现，而锚网喷支护形式下塑性区主要出现在底部、帮部略有显现。锚网喷架联合支护形式下塑性区基本上只在井筒底部出现。现行支护方案下塑性区基本出现在底板、迎头掘进区局部显现塑性变形。观测断面处锚网喷支护、锚网喷架联合支护及现行支护塑性应变值相比无支护情况下均有减小，模拟结果见表3。

表3 不同支护下塑性应变

锚网喷支护形式与锚网喷架支护、现行支护相比，前种支护对未开挖区域即迎头处围岩变形抵抗效果不如后两种支护，而后两种支护几乎无塑性应变。在实际井筒开挖过程中迎头处发生大范围塑性变形是十分危险的，不仅加大了超前支护工作量，甚至给施工超前锚杆的工人造成生命危险。通过四种支护条件下塑性特征的对比分析看出，锚网喷架联合支护及现行支护较锚网喷支护有着明显的优势。

2.2 围岩应力对比分析

围岩变形破坏时应力形式多表现为拉应力、剪应力，对围岩应力分布特征及规律的研究是井筒支护的前提和基础，仅选取围岩水平、竖直方向应力对不同支护形式下围岩受力特点进行分析，由于锚网喷架支护整体水平刚度的提高，有效抵制围岩水平变形产生的应力。无支护情况下顶板竖向应力区表征为“漏斗”状，在井筒帮部和底角处表现为剪应力且存在应力集中现象。在锚网喷支护、锚网喷架支护及现行支护形式下井筒底角处均存在应力集中现象但值较无支护情况小的多，锚网喷架与现行支护仅仅是锚杆支护参数不同，前者锚杆长度(2400 mm)直径(24 mm)均比后者(L=2000 mm/D=20 mm)大，结果后者顶底板竖向应力都要比锚网喷架大。另外锚网喷架支护由于钢支架的存在，其抗剪切变形能力要比锚网喷支护要高。锚杆和钢支架共同作用锚网喷架支护顶板应力最大值比锚网喷支护情况下要小，将有效的减少冒顶现象，避免支护二次修复。模拟结果见表4。

表4 不同支护下围岩应力情况

2.3 围岩位移对比分析

通过围岩位移场的研究，可以较为直观的了解井筒围岩变形的区域及数值大小。对围岩变形特征及分布规律的研究是支护方案设计的基础，同时也可验证所采取支护形式是否对井筒顶、底、两帮各区域围岩变形有较好的约束作用，能否发挥围岩的自稳、自承作用。主要通过对观察断面处顶、底、两帮位移特征分析不同支护形式下围岩变形特点。从计算中颜色的深浅和变化区域来看井筒水平位移最大值出现在两帮，变化区域形似“蝴蝶”形状。井筒无支护形式下顶板竖向位移约为67 mm，约是锚网喷支护的2.8倍，现行支护的2.8倍，锚网喷架的5倍。底板竖向位移量约为120 mm，约为锚网喷支护的1.4倍，是锚网喷架的1.45倍，是现行支护的1.4倍。其两帮水平位移移近量约为120 mm，约为有支护情况下的3倍。模拟结果见表5。

表5 不同支护围岩变形量

2.4 不同支护下围岩变形规律

对不同支护情况下围岩变形规律的研究主要通过选取观测断面处(第10步开挖段)顶底、两帮变形随开挖步骤的变化情况。由图2可以看出第10步开挖段以前围岩变形量小，变化速率慢，开挖至第10步时变形量突变，随开挖步数增加变形量逐渐增加，约开挖到第15步时围岩变形量基本趋于稳定。另外，图2还表明已开挖区域会对未开挖区域围岩变形造成影响且与二者之间的距离有一定的关系，而已开挖完成的区域也易受后续开挖的影响，但随开挖的进行这种影响逐渐减小而趋于稳定。还可以看出锚网喷架支护下围岩变形量较小，相比其他支护具有一定的优势。

2.5 喷混应力、应变对比分析

在锚网喷支护和锚网喷架联合支护中均涉及到喷混结构，喷混结构在整个支护体系中所起的主要作用：一方面及时封闭围岩避免风化，另外喷混时产生高强压力可使混凝土进入岩层裂隙中起到了加固岩体，阻止渗水。另一方面将围岩、锚杆三者或围岩、锚杆、钢支架四者构成统一整体结构更好的发挥支护体系的承载能力。对混凝土板应力、应变的分析主要选取水平方向主应力、主应变为研究对象，认为混凝土板等同于混凝土结构中的“单向板”，单向板中短边方向的受力、变形特点是直接影响结构稳定、安全的主要因素。顶部应力主要以受压为主，底部以受拉为主。锚网喷架支护下顶、底所受应力较另两种支护下明显减小，说明锚网喷架支护可有效的减弱混凝土的受力情况。模拟结果见表6。

图2 充填料浆凝结时间曲线

支护情况锚网喷支护锚网喷架支护现行支护 顶部压应力最大值/MPa5.24.24.7 底部拉应力最大值/MPa-5.8-4.2-5.2

三种支护形式下混凝土板应变，混凝土应变区域与混凝土应力区域基本保持一致。模拟结果见表7。

表7 不同支护下混凝土应变情况

2.6 锚杆受力对比分析

锚杆主要通过端部固定在稳定岩层上悬吊岩体，围岩变形时，锚杆与围岩发生相对位移，锚杆与岩体之间产生摩擦力，最后通过托盘反作用于岩体起到约束围岩变形的作用。锚杆在工作状态下主要是以受拉力为主，当围岩较稳定、自稳时间长时锚杆会表现出受压状态。模拟结果见表8。

表8 不同支护下锚杆受力情况

锚杆是抵制围岩变形的第一道防线，当锚杆与围岩发生较大相对位移时，钢支架就承担起了吸收多余形变能，抵制围岩继续开裂释放能量的任务。但由于现行支护方案中锚杆长度、直径均比理论联合支护的要小，于是与围岩之间的作用力就弱于理论支护方案值，结果表现出锚杆受力值要比锚网喷架理论支护值大。相比而言，锚网喷支护仅依靠锚杆悬吊作用产生的摩擦力抵制位移变形，对一般较硬、自稳能力较强的岩体支护效果尚可，但对于弱胶结、强度较低的岩体需要提高支护参数或者改变支护形式才能达到预期的支护效果。

2.7 钢支架受力对比分析

围岩采用钢支架与锚网喷构成支护体系将会大大提高支护结构整体刚度，提升围岩的自稳能力和自承能力。由图3可以看出理论支护方式下钢支架正弯矩最大值是比现行支护方式钢支架正弯矩值要大，但从整体角度来看前者负弯矩值最大值约5.4 kN.m,而后者最大负弯矩值约为9.8 kN.m，在这里负弯矩表示梁式构件上部受拉，结果表明锚杆支护参数的改变势必会影响钢支架的受力状况，现行支护方案锚杆长度为2000 mm，直径为20 mm，而理论方案中锚杆长度为2400 mm，直径为24 mm，且全断面施打锚杆。锚杆长度加长、直径加粗更有利于增大与围岩之间的摩擦，继而减少了围岩形变荷载对钢支架的作用。

图3 不同支护形式下钢支架竖向弯矩

3 小结

本文针对红庆梁矿主斜井弱胶结软岩支护问题，在深入研究弱胶结遇水泥化软岩破坏机理的基础上提出了全断面锚网喷支护、锚网喷架联合支护形式，并通过理论计算出相关支护参数。借助岩土工程专业分析软件MIDAS-GTS，对上述三种支护形式和无支护状况进行了数值模拟，通过对混凝土板、锚杆及钢支架三种支护状态下围岩变形受力对比分析，得出锚网喷架联合支护对弱胶结、易风化水解岩层支护效果较好。在不含水阶段全段面锚网喷支护可以代替锚网喷架支护。现行支护方案可以适当改变锚杆、钢支架参数来提高支护效果。

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