深部巷道底板開槽卸壓數(shù)值模擬分析

高 一 朝

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

目前，一般采用加固法解決巷道底鼓問題，通過各種支護方式提升巖體強度，進(jìn)而增大底板的自承能力。這種控制技術(shù)只能在中短期內(nèi)滿足深部巷道的支護要求，因為在深部環(huán)境中高應(yīng)力會持續(xù)不斷地作用在圍巖上，底板的變形仍然會逐漸增大直至破壞。因此，需要采用卸壓法，通過一定的技術(shù)手段使巷道處于低應(yīng)力環(huán)境中，從源頭上控制底鼓的發(fā)生。在卸壓法中，在巷道底板上開挖出一條合適尺寸的卸壓槽，使圍巖附近的高應(yīng)力向深部巖體轉(zhuǎn)移，是一種控制底鼓效果比較好的方案[1-3]。

近年來，許多專家對卸壓槽進(jìn)行了研究?？导t普等[4-5]認(rèn)為底板開槽卸壓的實質(zhì)在于使圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，使底板承受的壓力變小，但是需要找到合適的尺寸參數(shù)才能保證取得最好的效果。楊青松等[6]認(rèn)為底板卸壓槽為圍巖變形提供了補償空間，增大了吸收變形能的能力，從而達(dá)到維持巷道穩(wěn)定控制圍巖變形的效果。楊戰(zhàn)標(biāo)[7]認(rèn)為如果對開槽尺寸不加限制，則開槽引起的底板圍巖塑性區(qū)增加帶來的底鼓將會超過卸壓槽吸收的底板變形量。因此，需要研究卸壓槽尺寸對卸壓效果的影響，為深部巷道的開槽卸壓方案設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 工程概況

告成礦南翼副井深部運輸大巷埋深821.55 m，巷道斷面形狀為直墻半圓拱，最大寬度5 m、最大高度4 m、直墻高1.5 m、拱頂半徑2.5 m。巷道周圍巖層的參數(shù)如表1所示。

表1 巖層的力學(xué)參數(shù)

巷道的原支護方式為錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護，支護參數(shù)為：打設(shè)Φ22 mm × 2 400 mm的右旋螺紋鋼全絲錨桿，錨桿間排距為800 mm × 800 mm，錨固長度不小于1 200 mm，錨桿錨固力不小于80 kN，錨桿螺帽的扭矩力不小于140 N·m；錨桿托盤為10 mm × 150 mm × 150 mm鐵托盤。金屬網(wǎng)采用Φ6 mm光面鋼筋制作，網(wǎng)目為80 mm × 80 mm。錨網(wǎng)支護施工完畢后，采用C20噴射混凝土封閉，初噴厚度為50 mm，復(fù)噴厚度為150 mm。巷道支護示意圖如圖1所示。

圖1 巷道支護形式示意圖

從現(xiàn)場情況來看，由于深部環(huán)境下惡劣的地質(zhì)條件以及原始支護的不足，巷道出現(xiàn)了嚴(yán)重的底鼓，多次落底仍然無法穩(wěn)定。底板的破壞也影響到了兩幫和頂板的穩(wěn)定，巷道支護體系嚴(yán)重失效，出現(xiàn)了巷道兩底角內(nèi)移、錨桿扭曲斷裂、頂板與兩幫的混凝土噴層大面積剝落的情況，如圖2所示。

圖2 巷道變形與破壞

2 數(shù)值模擬

2.1 模型概況

為研究卸壓槽深度與寬度對卸壓效果的影響，使用FLAC3D建立橫向長36 m、豎向高30 m、縱向深5 m的計算模型，對不同的寬度與深度進(jìn)行模擬分析，整個模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系。巖層分布如圖3所示。

圖3 巖層分布示意圖

在模型的上邊界施加大小為20.538 MPa的垂直壓應(yīng)力作為應(yīng)力邊界條件，無位移邊界條件。側(cè)壓力系數(shù)為1.7，因此在模型的左右兩邊界均施以34.914 MPa的水平壓應(yīng)力并約束其橫向位移，下邊界約束其豎向位移。使用線型結(jié)構(gòu)單元中的cable單元模擬錨桿，殼型結(jié)構(gòu)單元里面的shell單元與liner單元分別模擬金屬網(wǎng)與噴層。

2.2 卸壓槽深度模擬

假定在巷道底板中部開挖寬度為底板寬度4.0%的卸壓槽，槽的深度分別為巷道高度的12.5%、25.0%、37.5%、50.0%、62.5%、75.0%、87.5%和100.0%，巷道周圍塑性區(qū)、峰值水平應(yīng)力位置與最大底鼓量的變化如圖4和圖5所示。

圖4 不同槽深下的塑性區(qū)

圖5 不同槽深下最大底鼓量與峰值應(yīng)力位置

根據(jù)圖4可知，當(dāng)相對深度不超過25.0%時，塑性區(qū)面積增加較少，說明槽深過淺，卸壓效果較差；在25.0%～37.5%之間時，塑性區(qū)面積增加幅度開始變大，但卸壓效果仍舊不明顯；相對槽深在37.5%～100.0%時，兩類塑性區(qū)面積增加率一直都處于攀升狀態(tài)，說明卸壓槽已經(jīng)開始大幅度地釋放壓力；但在相對槽深是87.5%和100%時，無法確認(rèn)其所增加的塑性區(qū)面積是開槽卸壓所產(chǎn)生的占多數(shù)還是破壞底板巖層所產(chǎn)生的占多數(shù)。

根據(jù)圖5可得，相對槽深在12.5%～37.5%之間時，基本上沒有卸去巷道底板附近的高水平應(yīng)力；在37.5%～50.0%之間時，最大底鼓減小量與峰值水平應(yīng)力向深部移動的距離開始逐漸增大，卸壓效果開始顯現(xiàn)；在50.0%～75.0%的過程中，最大底鼓減小量與峰值水平應(yīng)力轉(zhuǎn)移距離的變化最為明顯，卸壓效果的增加幅度最大；超過75.0%后，卸壓效果的增加開始變?nèi)?；甚至在相對槽深?00.0%的時候，最大底鼓量反而開始增加；這是因為隨著卸壓效果減弱，相對槽深增加所減小的底鼓量小于由于底板巖層破碎所增加的底鼓量。因此，選擇卸壓槽最優(yōu)深度為75%的巷道高度。

2.3 卸壓槽寬度模擬

在巷道底板中部開挖深度為巷道高度75.0%的卸壓槽，模擬卸壓槽寬度分別為巷道寬度的2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%、8.0%，分析模擬結(jié)果來優(yōu)化卸壓槽的寬度。巷道周圍塑性區(qū)范圍、峰值應(yīng)力與最大底鼓量關(guān)系如圖6和圖7所示。

由圖6可得，卸壓槽寬度對巷道周圍塑性區(qū)的影響較小，無法通過塑性區(qū)面積來確定卸壓槽寬度對卸壓效果的影響規(guī)律。

圖6 不同槽寬下的塑性區(qū)

由圖7可得，相對槽寬為2.0%和3.0%，卸壓槽寬度過小，卸壓效果較差。相對寬度為4.0%、5.0%和6.0%，卸壓效果持續(xù)增長，但是由于底板破壞引起的底鼓增加，卸壓效果的增加僅能夠在峰值水平應(yīng)力向圍巖深部移動距離上體現(xiàn)出來。若相對寬度為7.0%和8.0%，由于槽寬增加所增長的卸壓效果逐漸減弱而底板破壞所增加的底鼓越來越大，導(dǎo)致整體卸壓效果不理想。因此，選擇卸壓槽最優(yōu)寬度為6.0%的巷道高度。

圖7 不同槽寬下最大底鼓量與峰值水平應(yīng)力位置

3 結(jié) 語

根據(jù)告成礦南翼副井深部運輸大巷的底鼓問題，提出了卸壓槽解決方案。通過對卸壓槽尺寸數(shù)值模擬結(jié)果分析得出，底板開挖卸壓槽的最佳深度為巷道高度的75.0%、最佳寬度為巷道寬度的6.0%。此時，巷道附近卸壓范圍大幅增加，最大底鼓量從底板未開槽時的499.85 mm減小到223.87 mm，峰值水平應(yīng)力與底板之間的距離從未開槽時的8.075 m增加到10.841 m，綜合卸壓效果較好。