软岩巷道“三锚”支护过程对巷道围岩稳定性影响

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　　摘 要：通过数值模拟和正交试验确定锚索、锚注、复喷的相关参数和最佳的支护工艺过程即：开挖→初次喷射混凝土→锚杆→锚索→复喷→锚注；运用FLAC模拟了软岩巷道逐步开挖和支护的过程，分析了不同的支护工艺过程下巷道围岩应力和位移的变化，进一步论证了最佳的支护工艺过程能有效的控制围岩的变形。这些为软岩巷道的支护工艺过程设计提供了理论参考, 同时对于复杂条件下巷道支护的技术实践，具有重要的指导作用。
　　关键词：软岩巷道；支护工艺过程；支护参数；正交试验；数值分析
　　中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1672-1098(2009)01-0008-05
　　收稿日期：2009-02-26
　　基金项目：安徽省自然科学基金资助项目(070414169);安徽省教育厅自然科学基金资助项目(KJ2007A116ZC)
　　作者简介：高明中（1957-），男，安徽淮南人，教授，博士生导师，主要从事于矿山压力和岩体移动方面的研究。
　　
　　“Three bolting-anchor” Support Technologies Process Influence
　　on Stability of Soft Rock Roadway Surrounding Rock
　　GAO Ming-zhong
　　(School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001,China）
　　 Abstract:The relational parameters of the fist shot-concreting and bolting are decided by FLAC，on this basis to decide the relational parameters of anchorage cable,bolt-grouting,the second shot-concreting and the optimum support technologies process：excavation → fist shot-concreting → bolting→anchor cable → second shot-concreting → bolt-grouting by the computer numerical simulation and the analysis of orthogonal experiment.By FLAC simulate the process of gradually excavating and support of soft rock roadway, analyze the change of roadway surrounding rock stress and displacement of the different support technologies process, demonstrating the optimum support technologies process can effective control surrounding rock deformation.These supply theory reference for support design of soft rock roadway,and have important guidance meaning for roadway support technique practice of complex condition.
　　Key words:soft rock roadway；support technologies process；support parameter；orthogonal test；numerical analysis
　　
　　深部软岩巷道的围岩控制一直是工程岩石力学界所面临的重大技术难题。建立在经验和经典线性力学基础上的现行设计规范，只适合于浅部小荷载下的巷道支护设计［1］。在进入深部大荷载、大变形状态的巷道支护设计时，必须采用以深部软岩非线性力学为理论基础的巷道支护设计方法。
　　大变形岩土体介质已进入到塑性阶段，力学关系与加载过程密切相关。因此，其设计不能简单地用参数设计来进行。非线性力学的设计充分考虑各种因素，采用如下设计过程：首先分析岩土体的各种荷载特性，作支护对策设计；其次，进行各种力学对策的施加方式、施加过程研究；最后，在以上设计的基础上，对应最佳过程再进行最优参数设计。大变形非线性力学设计方法，是在深部围岩控制实践的基础上发展起来的，它强调支护过程及支护体和支护材料的耦合。
　　基于“新奥法”的“三锚”支护（锚喷、锚索、锚注）是深部软岩巷道较为成功和典型的支护技术。但以往的研究着重于基坑或大型硐室分步开挖过程对围岩应力场和位移场的影响［2-3］，而关于煤矿软岩巷道支护工艺过程对围岩应力场和位移场的影响研究不充分；关于软岩巷道支护的研究主要是针对支护过程的某一环节（锚喷、锚索或锚注），而对于软岩巷道支护工艺过程中锚喷、锚索、锚注之间相互影响的研究却很少。因此如何解决支护工艺过程、支护参数的变化对软岩巷道围岩应力场和位移场的影响，是迫切要解决的问题。
　　
　　1 计算机正交模拟
　　
　　正交试验设计方法，就是利用数理统计学与正交性原理，从大量的试验点中挑选适量的，具有代表性、典型性的点，应用“正交表”合理安排试验的一种科学的试验方法。所谓“计算机正交模拟”就是按照正交设计方法来安排计算机所需要模拟的模型，将计算机对参数处理的灵活性和正交设计对参数检验的有效性结合在一起，将会获得快速、高效、合理、准确的模拟效果。
　　1.1 正交模拟方案设计
　　软岩巷道“三锚”支护的支护参数、支护工艺过程是否恰当，最终依赖于支护效果，其直接表现是巷道顶底板移近量、两帮移近量。故本文选用顶板下沉量、底臌量、帮位移量，作为正交试验的考察指标，并且都取最小值。
　　在锚杆参数和初喷厚度确定的基础上，认为影响软岩巷道“三锚”支护的因素主要有以下几个方面：①锚注浆液的扩散半径（A）；②注浆锚杆间距（B）；③注浆锚杆的长度（C）；④ 锚索的位置（D）（通过根数来反映）；⑤ 锚索的长度（E）；⑥ 复喷的厚度（F）；⑦ 支护工艺过程（G），共7个因素。考虑到生产实践的可能和模拟设计的可行性，每种因素取三个水平（见表1）。
　　本文所考察的问题，若用普通方法做试验，需要做37＝2 187次试验，现采用正交试验的方法，只要按正交表L18(37)做18次试验就行了（见表2）。
　　
　　(1)模型建立 岩石力学弹－塑性问题数值模拟中， 模型是否正确和符合岩石的基本特性将直接影响到计算结果是否有价值。 在运用FLAC 4.0进行模拟时，有六种模型可供选择。考虑到莫尔－库仑弹塑材料模型是在莫尔－库仑准则(Mohr-Coulomb)模型的基础上建立的，它忽略了岩石单元之间接触特性的细节，没有从微观角度深入研究岩石峰后软化机理。而从实用的角度出发，在工程中通常用应变软化/硬化塑性材料模型来描述岩石强度的粘聚力、内摩擦角和抗拉强度等宏观力学特性指标的软化来反映岩石的峰后软化特性，用应变－软化模型可以更好的反映软岩的变化特征，从而可以保证模拟结果的正确，所以本次模拟选取应变－软化模型。
　　本次数值模拟的巷道断面选为直墙半圆拱形，模拟的岩层范围为宽×高=30 m×30 m，网格划分为60×60=3 600个单元， 模拟开挖巷道断面为4 m×3.5 m，巷道宽4 m，直墙高1.5 m，拱高2 m。考虑到巷道的对称问题，为了减少计算量，本次模拟只考虑其一半。
　　本数值模型采用均质的软岩地质条件，目的在于找出普遍性的规律。考虑到岩石与岩体物理力学参数的不同，把岩石力学参数乘以相应的系数得到岩体力学参数。应变－软化模型所涉及的岩石物理力学参数包括：体积模量B=9 800 MPa、剪切模量S=4 500 MPa、初始内聚力C=3.5 MPa、初始摩擦角φ=30°、初始剪胀角φd=35°、密度ρ=24.9 kN/m3。
　　模型采用边界条件为：上表面按巷道上覆岩体的自重考虑(600 m)施加均匀的垂直压应力15 MPa，模拟垂直应力二倍于水平应力，既水平应力约为6 MPa。模型的左边界、右边界、底边界采用零位移边界条件。
　　(2) 模拟结果极差分析 根据正交试验的特点，通过对正交试验数据进行计算，估计出各个因素对指标影响的重要程度。将计算机正交模拟结果（见图1）各指标值代入正交设计分析表中，以顶板下沉量X为例，经计算机计算处理后得到指标X极差分析表（见表3）。
　　
　　极差的大小顺序代表了各因素对指标影响的大小顺序。极差越大，说明这个因素的水平改变对试验指标的影响越大。从表3和图1可以看出，对顶板下沉量X影响因素的主次顺序为: GACBEDF。根据极差大小可知：GA为显著影响因子，CBEDF为次要影响因子。特别是支护工艺过程对控制顶板下沉量有着十分重要的影响。由于指标值是越小越好，因此可以根据各因素的K值来进行优选，对控制顶板下沉量优选方案为：G2A3C2B3E2D2F3。 其物理意义是:选用先打锚索再复喷最后锚注的施工工艺过程， 注浆锚杆长度取2.2 m， 锚注的扩散半径1.6 m，注浆锚杆的间距取1.4 m，锚索长度取5 m，锚索根数取1根（即打在拱顶的位置），喷射的混凝土厚度为70 mm。
　　同理可以得到：对底臌量Y影响因素的主次顺序为：ACFBEDG。根据极差大小可知： ACFB为显著影响因子，EDG为次要影响因子。对控制底臌量优选方案为：A3C3F3B2E2D3G1。其物理意义是：选用先复喷再锚注最后打锚索的施工工艺过程，注浆锚杆长度取2.6 m，锚注的扩散半径1.6 m，注浆锚杆的间距取1.0 m，锚索长度取5 m，锚索根数取2（即打在巷道的两个肩角处），喷射的混凝土厚度为70 mm。
　　对两帮移近量Z有影响的因素的主次顺序为：ACGBEFD。根据极差大小可知: ACG为显著影响因子，BEFD为次要影响因子。对控制两帮移近量优选方案为:A3C3G2B2E2F3D3。其物理意义是:选用先打锚索再复喷最后锚注的施工工艺过程，注浆锚杆长度取2.6 m，锚注的扩散半径1.6 m，注浆锚杆的间距取1.0 m，锚索长度取5 m，锚索根数取2（即打在巷道的两个肩角处），喷射的混凝土厚度为70 mm。
　　(3)支护参数的优化 综合以上极差分析表得出指标X、Y、Z的优选方案。
　　对优选方案进行分析后，得到各因素主次影响（见表4）。
　　
　　当因子所处水平有冲突时，应优先考虑显著影响因子，当因子不同水平影响效果相近时，应考虑经济效益和工程实践的方便性加以取舍。在均质围岩的条件下，对巷道围岩位移有显著影响的因素有：支护施工工艺过程、锚注的扩散半径、注浆锚杆的间距及注浆锚杆长度。最优方案为:A3G2C3B2F3D3E2即：选用先打锚索再复喷最后锚注的施工工艺过程，注浆锚杆长度取2.6 m，锚注的扩散半径1.6 m，注浆锚杆的间距取1.0 m，锚索长度取5 m，锚索根数取2（即打在巷道的两个肩角处），喷射的混凝土厚度为70 mm。
　　
　　2 支护工艺过程的三维数值模拟
　　
　　2.1 FLAC建模过程
　　模型尺寸确定为宽×厚×高=44 m×51 m×75 m，被划分为12 903块区域，形成14 716个节点。
　　选用应变―软化模型，岩石力学参数同上。 模型边界条件：模型上表面施加均匀的垂直压应力，模型的X轴方向两侧面施加随深度变化的水平压应力，模型下表面和模型的Y轴方向两侧面固定没有位移，同时计入重力的影响。锚喷、锚杆、锚注的参数为：初喷60 mm，复喷70 mm；锚杆长度为2.0 m，间距为800 mm，预紧力为60 kN；锚索长度为6 m；注浆锚杆长度为2.6 m，间距为1.0 m。
　　为了设计符合工程实际，在模拟时采用多方案比较，本次模拟建立三个模型：
　　模型Ⅰ：开挖→初次喷射混凝土→加锚杆→锚索→复喷→锚注
　　模型Ⅱ：开挖→初次喷射混凝土→加锚杆→复喷→锚索→锚注
　　模型Ⅲ：开挖→初次喷射混凝土→加锚杆→复喷→锚注→锚索
　　2.2 模拟结果分析
　　对不同模型下各个开挖支护步骤的顶底板位移（U）和帮位移（S）进行比较（见表5）。
　　
　　由表5可以得到以下几点认识：
　　（1） 随着巷道的掘进，围岩的变形位移都在逐步的增大直至围岩稳定。围岩的变形位移大致可以分为四个阶段：突增长阶段、缓增长阶段、微增长阶段、稳定阶段。三个界定点是第二步、第七步和第十步。突增长阶段为第一、二步，由于这一阶段巷道仅用喷锚来支护，巷道的变形比较大，说明对于软岩巷道仅用锚喷支护不能很好的控制围岩的变形，需要进一步的支护；缓增长阶段从巷道开挖支护过程的第二步到第七步，由于这一阶段巷道加入了锚索、复喷支护，围岩的变形得到一定程度的缓和；微增长阶段从第七步到第十步，由于在第七步对围岩进行了注浆加固，巷道的变形得到了很好的控制；注浆后巷道围岩稍微有所变形后即进入了稳定阶段。
　　（2） 模型Ⅰ的开挖支护的巷道围岩的变形位移最小。由于三个模型的第一步和第二步都是一样的，所以突增长阶段巷道围岩的变形大小是相同的；在缓增长阶段，由于模型Ⅰ及时的对巷道围岩打锚索补强，所以巷道的围岩变形明显的小于其他两个模型。在随后的两个阶段由于都使用了锚注加强支护所以在模型Ⅰ的开挖支护工艺下巷道围岩的变形位移仍然是最小的。
　　由此，最佳支护过程为：开挖→初次喷射混凝土→加锚杆→锚索→复喷→锚注，与正交试验所得结论相一致。
　　
　　
　　3 工程验证
　　
　　选择在淮南刘庄矿第一水平井底车场进行研究成果的工程验证。该车场垂深790 m。井底车场设计有17种断面，18个交岔点。预计巷道施工长度2 734 m。统计调查表明，井底车场的覆岩结构中，以泥岩和砂质泥岩为主，占地层总厚的90%以上，普式硬度系数f=2~6，其中泥岩类岩石层理发育，强度较低，风化速度快，自稳的时间短，使得矿压显现更加明显。砂岩中大多发育有垂向裂隙，夹杂有泥质薄层，泥岩中裂隙发育、层理面清晰。
　　在支护设计中提出了分步（针对围岩变形的阶段性）、动态（针对围岩非线性力学响应）加固围岩的技术思路，确定采用以“三锚”支护过程优化为核心内容的现场试验，有效实施了及时喷锚、补强锚索、适时滞后注浆等分步加固技术，整个井底车场巷道支护全部实现了“三锚”化。通过对井底车场主要巷道的变形监测，巷道和峒室没有产生明显变形，有效保证了矿井的安全生产。
　　实践证明：“三锚”技术对于控制软岩巷道具有显著的效果，而且具有施工工艺简单、操作方便、安全、成本低廉。在“三锚”支护体系中，锚杆支护为基础（以锚为主、以喷为辅）、锚索支护为补强（关键部位二次补强）、锚注支护为关键。
　　
　　4 主要结论
　　
　　（1） 通过数值模拟和正交试验确定了锚索、 锚注的相关参数及第二次喷射混凝土的厚度和最优的支护工艺过程。 在均质围岩的条件下，对巷道围岩位移有显著影响的因素有：支护施工工艺过程、 锚注的扩散半径、 注浆锚杆的间距及注浆锚杆长度。
　　（2） 运用FLAC模拟了软岩巷道不同的开挖支护工艺过程，分析比较了不同的支护工艺过程下巷道围岩的应力和位移，进一步证实了最优的支护工艺过程：开挖→初次喷射混凝土→加锚杆→锚索→复喷→锚注能有效的控制软岩巷道围岩的变形。
　　
　　参考文献：
　　［1］ 何满潮,吕晓俭,景海河.深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念［J］.岩石力学与工程学报,2002，21(8):1 215-1 224.
　　［2］ 冯永冰.深基坑开挖与支护过程的平面有限元数值分析［J］.建筑技术,2004，35(5):376-377.
　　［3］ 姜谙男,刘建,李洪东.水布垭枢纽地下厂房开挖支护过程三维数值模拟［J］.岩土力学,2004，25(1):45-54.
　　(责任编辑：何学华，吴晓红)

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