富水巷道圍巖表面滲透性對底鼓的影響

王 博

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

0 前 言

巷道開挖后在未支護(hù)狀態(tài)下，圍巖表面完全裸露，當(dāng)巷道所處巖層含有地下水時，地下水將會沿著圍巖表面裂隙自由滲出，若對巷道圍巖表面進(jìn)行封閉支護(hù)(例如巷道表面進(jìn)行噴漿或者施加混凝土結(jié)構(gòu)層)，巷道表面的滲透性將會降低，地下水從圍巖表面滲出將會受到阻礙。但由于施工標(biāo)準(zhǔn)和所用材料的不同，圍巖封閉支護(hù)材料的抗?jié)B能力也有所差別，對巷道圍巖滲流場造成影響不同。已有研究表明，滲流場的變化會導(dǎo)致巷道破壞變形不同[1-4]，所以研究圍巖表面滲透性對巷道底鼓的影響具有十分重要的意義。

本文以告成煤礦南翼副井井底車場為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬計算圍巖表面滲透性對巷道底鼓的影響，為相似工程底鼓治理提供參考。

1 工程背景

井底車場埋深約660 m，設(shè)計掘進(jìn)斷面5 800 mm×4 700 mm，凈斷面5 500 mm×4 400 mm。車場支護(hù)方式以錨網(wǎng)噴為主，錨桿規(guī)格為Φ20×2 250 mm右旋螺紋鋼全絲錨桿，間排距為800 mm×800 mm，金屬網(wǎng)采用Φ6.5 mm光面鋼筋制作，網(wǎng)目為80 mm×80 mm，錨網(wǎng)支護(hù)施工完畢后采用C20噴射混凝土封閉，噴層設(shè)計厚度150 mm。車場巷道所在的L7灰?guī)r與其頂部巖層L8灰?guī)r和底部巖層L6灰?guī)r屬石炭系上統(tǒng)太原組上段灰?guī)r含水層，該含水層水頭壓力為4～7.9 MPa，單位涌水量0.0256～0.387 L/s·m，滲透系數(shù)0.301～2.908 m/d。

2 模型建立

建立數(shù)值模型橫向長度為60 m、豎向高度50 m、縱向長度為5 m，巷道開挖斷面1∶1的比例參照井底車場的開挖斷面，為直墻半圓拱形狀，寬度為5.8 m，高度為4.7 m，其中圓拱半徑2.9 m，直墻高度為1.8 m，整個模型共有213 870個六面體模型單元和231 568個網(wǎng)格節(jié)點，模型的邊界設(shè)置分為應(yīng)力位移邊界條件和滲流邊界條件，模型上部為應(yīng)力約束，上部施加16.5 MPa豎向應(yīng)力，水平應(yīng)力為24.5 MPa，左右及底部邊界為固定位移約束。模型左右兩端和底部為不透水邊界，模型頂部為透水邊界。巷道在開挖前所處巖層為飽和巖層，孔隙水壓力為靜水壓力，圍巖參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型圍巖物理參數(shù)

主要研究內(nèi)容為圍巖表面滲透性對巷道底鼓的影響，巷道開挖后在圍巖表面施加一層22 cm厚的襯砌，為了消除其他因素的影響，襯砌其他參數(shù)與巷道圍巖相同，只改變襯砌的滲透率，分別取原巖滲透率的1/2、1/4、1/6、1/8和1/10，模擬方案如表2所示。

表2 不同巷道表面滲透性模擬方案

3 模擬結(jié)果分析

不同方案下巷道圍巖各部位最大位移變化曲線如圖1所示，隨著巷道圍巖表面滲透性降低，巷道各部位移都出現(xiàn)增大趨勢，E1方案下，巷道頂板、幫部和底板位移分別為106、104、188 mm，E5方案下，頂板、幫部和底板位移分別為132、135、249 mm，E5方案相對于E1方案三者分別增大了24.5%、29.8%和32.4%，其中巷道底板位移變化最大。

圖1 圍巖表面不同滲透性各部位位移變化曲線

襯砌外水壓力如圖2所示，隨著襯砌滲透系數(shù)的縮小，襯砌外側(cè)所受的水壓將會逐漸增大。從襯砌整體外水壓力分布來看，巷道底板處襯砌外水壓力要高于幫部和頂板，底板拱腳處水壓最大，向底板中心逐漸減少；E1方案下襯砌最大外水壓力為0.52 MPa，E5方案下，襯砌最大外水壓力增加到1.1 MPa。

(a)E1

(b)E2

(d)E4

(e)E5

4 結(jié) 語

通過上述研究分析可知，富水巷道表面透水性將會對巷道底鼓造成影響，滲透性越低，巷道底鼓越大。巷道開挖后對圍巖表面進(jìn)行封閉支護(hù)將會降低圍巖表面的滲透性，阻礙地下水向巷道內(nèi)部滲入對巷道底鼓產(chǎn)生起到促進(jìn)作用。對滲流作用下巷道進(jìn)行支護(hù)時，如果襯砌強(qiáng)度不足，不僅不能起到控制底鼓的作用，反而會加劇底鼓。

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