大屯礦區(qū)深部軟巖巷道非對(duì)稱變形機(jī)理及控制對(duì)策研究

傅清國，鄒朝陽

(大屯煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，江蘇徐州 221167)

1 前言

隨著能源需求量的增加和開采強(qiáng)度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入了深部資源開采階段。隨著開采深度的不斷增加，工程災(zāi)害日益增多，如礦井沖擊地壓、瓦斯爆炸、礦壓顯現(xiàn)加劇以及巷道圍巖產(chǎn)生大變形、流變、地溫升高等，對(duì)深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅;深部“三高一擾動(dòng)”(即高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓和強(qiáng)烈的開采擾動(dòng))的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，使得深部巖體表現(xiàn)出明顯的非線性大變形力學(xué)特征[1]，從而嚴(yán)重影響了深部煤炭資源的安全、高效開采[2]。因此，深部資源開采過程中所產(chǎn)生的巖石力學(xué)問題已成為研究的焦點(diǎn)[3～7]。深部開采由于受到周圍巷道或回采工作面的影響，往往處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)并呈現(xiàn)出非對(duì)稱變形特征，但由于不清楚巷道圍巖塑性區(qū)的分布范圍及圍巖變形的危險(xiǎn)部位等，支護(hù)過程中往往盲目性較大，多數(shù)巷道仍采用傳統(tǒng)的均稱支護(hù)，不能適應(yīng)巷道的非均衡變形[8]。大屯礦區(qū)孔莊礦-785 m水平軌道大巷位于7339綜采工作面正下方，受強(qiáng)烈采動(dòng)和煤柱集中壓力影響，自巷道開掘以來，施工巷道陸續(xù)發(fā)生破壞，其中非對(duì)稱變形特征尤為明顯。文章在工程地質(zhì)調(diào)查和理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，綜合考慮巷道非對(duì)稱變形的影響因素，分析了孔莊礦-785 m水平軌道大巷非對(duì)稱變形的影響因素，有針對(duì)性地提出控制對(duì)策，為礦井安全生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

2 孔莊礦非對(duì)稱變形特征

2.1 工程概況

孔莊礦位于江蘇省沛縣和山東省境內(nèi)，在大屯礦區(qū)的最南端，是第四系全掩蓋區(qū)。井田南與沛縣沛城礦、北與徐莊礦毗鄰，東與山東棗莊礦務(wù)局接壤。-785 m水平軌道大巷位于石炭二疊山西組煤系地層中，為海陸交互相沉積。整個(gè)巷道在L1與L4灰?guī)r之間的海相泥巖、砂質(zhì)泥巖灰?guī)r段中掘進(jìn)，圍巖層理發(fā)育，破碎不穩(wěn)定。所掘進(jìn)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，斷層不發(fā)育，僅局部發(fā)育有小斷層或擠壓破碎帶，延伸較短。煤系地層走向N 60°E，傾角18°～32°，平均23°，水平大巷掘進(jìn)方向大致與巖層走向一致。從巷道初期掘進(jìn)揭露巖性和預(yù)想工程地質(zhì)剖面圖來看，巷道共穿越4個(gè)工程巖組，即泥巖和砂質(zhì)泥巖組、煤體組、灰?guī)r組和細(xì)砂巖組，其中大部分地段為軟弱破碎的泥巖和砂質(zhì)泥巖。巖組強(qiáng)度:灰?guī)r＞砂巖＞泥巖＞煤，膨脹性:泥巖＞砂巖＞灰?guī)r＞煤。圍巖宏觀結(jié)構(gòu)大多節(jié)理、裂隙較發(fā)育，局部受小斷層影響，巖體更加破碎，對(duì)支護(hù)非常不利。圍巖特別是泥巖微觀結(jié)構(gòu)上裂隙連通性好，巷道開挖后原有應(yīng)力狀態(tài)改變，巖體裂隙容易擴(kuò)展進(jìn)而變得更加破碎，強(qiáng)度降低。圍巖中均含有膨脹性較強(qiáng)的I/S混層，水后巖體膨脹，產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，將導(dǎo)致巷道產(chǎn)生較大的變形。巷道圍巖強(qiáng)度普遍較低，其中泥巖的抗壓強(qiáng)度為43.27 MPa，抗拉強(qiáng)度僅有2.726 MPa，吸水性較強(qiáng)，吸水后一方面強(qiáng)度大幅降低(軟化吸水率為1.82%)，另一方面巖體膨脹產(chǎn)生較大應(yīng)力，對(duì)巷道支護(hù)極為不利。

2.2 非對(duì)稱變形特征

2001年施工以來，由于上部7#層7339綜采工作面跨大巷開采，經(jīng)受了強(qiáng)烈的采動(dòng)影響，施工巷道陸續(xù)發(fā)生了變形破壞。主要破壞形式為非對(duì)稱破壞，其表現(xiàn)形式為下肩頂板開裂、幫部臌出、上幫底板臌出變形。圖1為-785 m水平軌道大巷不對(duì)稱變形形式[9]。

圖1 －785 m水平軌道大巷不對(duì)稱變形形式(單位:mm)Fig.1 Asymmetric deformations of－785 m roadways(unit:mm)

3 孔莊礦非對(duì)稱變形的影響因素

通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和分析，總結(jié)出如下幾種影響非對(duì)稱變形的因素。

3.1 底板巖性及支護(hù)方式

從現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析，巷道的不對(duì)稱變形隨底板巖性的軟弱程度而加劇。底板巖性對(duì)巷道的不對(duì)稱變形起關(guān)鍵作用。泥巖底板的不對(duì)稱性表現(xiàn)最為劇烈，其次為砂泥巖互層性底板，具有砂巖或灰?guī)r底板的巷道不對(duì)稱變形破壞現(xiàn)象較弱。

在深部高應(yīng)力環(huán)境下，由于底板無支護(hù)，導(dǎo)致巷道底板成為能量釋放的通道，一般最初由于泥底板巖層向上幫的塑性滑移，表現(xiàn)為不對(duì)稱底臌，在上幫一側(cè)臌出較為明顯。之后，由于下幫處的底板巖層向臨空區(qū)的擠出，導(dǎo)致巷道在下幫發(fā)生幫部整體下沉，下幫的向下位移導(dǎo)致肩角部出現(xiàn)差異性變形，出現(xiàn)巷道的塊狀掉落或塑性鉸。破壞模式為“底臌→下幫收縮→肩部內(nèi)擠變形→不對(duì)稱變形擴(kuò)大”[10]。

3.2 構(gòu)造應(yīng)力

巷道穩(wěn)定性直接由圍巖應(yīng)力特征決定，但根本上還是決定于原巖初始應(yīng)力狀態(tài)。地應(yīng)力作為工程巖體的賦存環(huán)境，其量級(jí)、方向以及空間分布規(guī)律將在很大程度上影響著圍巖的力學(xué)屬性、應(yīng)力的分布和演化規(guī)律、變形特征和破壞機(jī)制，進(jìn)而影響著深部地下工程穩(wěn)定性。深部巖石大巷的圍巖應(yīng)力具有較高甚至很高的量值;在以自重應(yīng)力為主的應(yīng)力場中，巷道變形破壞的典型形式是因拉應(yīng)力和剪應(yīng)力集中而導(dǎo)致拱頂形成塌落區(qū);如果處于構(gòu)造應(yīng)力為主的應(yīng)力場區(qū)域，由于較高的初始應(yīng)力，重分布應(yīng)力相應(yīng)較高，此時(shí)，相對(duì)結(jié)構(gòu)完整的巷道圍巖的典型破壞模式是沿巷道輪廓發(fā)生層層剝落(片剝)，然后才是沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生斷裂滑移，在巷幫則由于擠壓應(yīng)力集中引起塑性擠壓破壞;對(duì)于軟弱層狀巖體，其破壞形式是沿層狀巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移，并發(fā)生不同程度的底臌變形。圍巖的應(yīng)力差對(duì)巷道圍巖的擴(kuò)容也有一定的影響，一般情況下，在構(gòu)造應(yīng)力顯著情況下，巷道兩幫和底板的破壞較為顯著。隨著水平應(yīng)力系數(shù)的增大，巷道兩幫變形和底臌量均呈上升趨勢。

3.3 巖層產(chǎn)狀

對(duì)于深部高應(yīng)力軟巖巷道，其擴(kuò)容變形破壞除與巷道所受的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)外，同時(shí)與巖體結(jié)構(gòu)面的展布和性質(zhì)有關(guān)。煤礦巷道一般為復(fù)合層狀巖層，巖層結(jié)構(gòu)面的展布具有一定的方向性，巖層結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱往往導(dǎo)致巷道變形的不對(duì)稱。

3.4 回采動(dòng)壓影響

深部煤礦巷道與淺部隧道不同，深部開采受周圍巷道與工作面影響，往往造成巷道受到復(fù)雜應(yīng)力。對(duì)于孔莊礦-785 m水平軌道大巷，其正上方有7339工作面正在回采，斜上方受7339與7431工作面之間煤柱的集中壓力影響，處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。

4 孔莊礦非對(duì)稱變形機(jī)理研究

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查與分析，結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要對(duì)上部采空區(qū)回采動(dòng)壓影響進(jìn)行數(shù)值分析，采用國際通用的有限差分法分析程序FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析。FLAC3D采用的是快速拉格朗日方法，它基于顯式差分法來求解運(yùn)動(dòng)方程和動(dòng)力方程，利用顯式有限差分方法為巖土工程提供精確有效的分析[11]。圍巖采用Mohr-Coulomb模型，該模型能夠反映巖土材料抗壓強(qiáng)度不同的S-D效應(yīng)以及對(duì)正應(yīng)力的敏感性。

4.1 上部采空區(qū)與巷道的位置關(guān)系

孔莊礦-785 m水平軌道大巷位于7339工作面正下方，垂直距離為76 m;7339工作面與7431工作面形成的煤柱產(chǎn)生集中壓力作用于-785 m水平軌道大巷，煤柱位于巖石大巷斜上方，垂直距離為76 m，水平距離為72 m。在掘出后，受到上覆7339工作面(見圖2)的開采擾動(dòng)影響，發(fā)生了較為劇烈的變形。2003年以來，巷道陸續(xù)發(fā)生了較大的變形和破壞，其非對(duì)稱變形特征尤為明顯。-785 m水平軌道布置及受采動(dòng)應(yīng)力影響狀況見圖2。

圖2 －785 m水平軌道布置及受采動(dòng)應(yīng)力影響狀況Fig.2 Layout of －785 m level rail and the influence of mine-induced stress

4.2 地質(zhì)模型的建立

在建模過程中，一般要針對(duì)分析的問題將實(shí)體模型進(jìn)行合理地簡化，目的是使得網(wǎng)格劃分相對(duì)簡單，交界網(wǎng)格過渡平滑，可大大縮短計(jì)算時(shí)步。遵循以上原則，并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取合理的影響深度及寬度，確定模型尺寸為300 m×200 m×100 m(長×寬×高)。根據(jù)地質(zhì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成FLAC3D數(shù)值模型，然后設(shè)定邊界初始約束條件，并施加初始地應(yīng)力場。在巖層之間設(shè)置軟弱夾層模擬層面之間的相互影響，網(wǎng)格四周為水平鏈桿，底部為鉸支座，頂部取為荷載已知的自由邊界，初始地應(yīng)力場巷道以實(shí)測地應(yīng)力為主，最大水平應(yīng)力為26 MPa，垂直應(yīng)力為22 MPa。地質(zhì)力學(xué)模型見圖3。

4.3 模擬結(jié)果分析

圖4為采高(h=6 m)平面上工作面圍巖應(yīng)力分布圖(回采72 m)。在集中支承煤柱下掘巷，應(yīng)力集中程度約為采空區(qū)下的1.5倍，在采空區(qū)邊緣后大約50 m以后，由于開采的卸壓作用，巷道承受的垂直應(yīng)力減弱。圖5為-785 m水平軌道大巷受工作面開采影響的垂向應(yīng)力分布，從圖中可以看出，由于開采支承壓力的影響，巷道出現(xiàn)了一定程度的底臌變形。在采動(dòng)影響下，由于高應(yīng)力作用，產(chǎn)生的應(yīng)力和變形分布具有不對(duì)稱性。

圖3 地質(zhì)力學(xué)模型Fig.3 Engineering geological model

圖6為煤柱下方位移等值線和位移矢量場圖。從位移矢量場分布的方向來看，煤柱下方巖體發(fā)生了類似條形基礎(chǔ)下方土體變形的應(yīng)力和位移擴(kuò)散，并且距離煤柱越遠(yuǎn)，受其集中壓力的影響越小，但位移矢量場的方向大致呈45°向斜下方擴(kuò)散，當(dāng)這種集中壓力的影響擴(kuò)散到-785 m水平軌道巖石大巷時(shí)，使巷道承受非對(duì)稱的附加壓力并導(dǎo)致巷道產(chǎn)生非對(duì)稱變形(見圖7)。

圖4 采高(h=6 m)平面上工作面圍巖應(yīng)力分布圖Fig.4 Surrounding rock stress distribution of face on mining height plane(h=6 m)

圖5 －785 m水平軌道大巷受工作面開采影響的垂向應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution of －785 m level railway laneway influenced by working face

圖6 煤柱下方位移等值線和位移矢量場圖Fig.6 Displacement isoline and displacement vector field under the coal pillar

5 非對(duì)稱變形控制對(duì)策與應(yīng)用效果

5.1 非對(duì)稱變形控制對(duì)策

非對(duì)稱變形控制就是對(duì)巷道圍巖中的關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)或局部弱化，改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與局部圍巖應(yīng)力狀態(tài)，減小關(guān)鍵部位劇烈變形，使其能夠隨巷道圍巖一起協(xié)調(diào)變形[8]，使巷道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)形成共同承載的力學(xué)體系，充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖自身的承載能力，顯著改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作特性或圍巖應(yīng)力狀態(tài)，大幅提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力或降低巷道周邊圍巖的應(yīng)力，有效控制關(guān)鍵部位位移和圍巖松動(dòng)圈的擴(kuò)大或使塑性區(qū)內(nèi)移，從而避免巷道圍巖局部過早破壞和失穩(wěn)，以及由此而引起巷道圍巖的非對(duì)稱破壞與失穩(wěn)。

圖7 －785 m水平軌道巷道承受非對(duì)稱附加壓力示意圖Fig.7 Asymmetric additional pressure on－785 m level railway laneway

針對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)構(gòu)特征以及巷道圍巖的變形破壞特征，巷道圍巖非對(duì)稱變形控制[8]從以下3個(gè)方面考慮:

1)合理布置巷道層位，優(yōu)選結(jié)構(gòu)巷道圍巖結(jié)構(gòu)。

2)加強(qiáng)圍巖中關(guān)鍵部位的控制，包括加強(qiáng)圍巖關(guān)鍵部位的支護(hù)、改善其力學(xué)參數(shù)與提高強(qiáng)度等措施，以實(shí)現(xiàn)巷道圍巖控制效果的改善。

3)針對(duì)巷道變形特點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)控制，改善支護(hù)體系的受載狀況，提高圍巖結(jié)構(gòu)的承載能力。

5.2 非對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及理論分析結(jié)果，對(duì)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在錨網(wǎng)索耦合支護(hù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)非對(duì)稱變形，采取非對(duì)稱支護(hù)形式:在巷道右肩窩關(guān)鍵部位增設(shè)一排錨索，同時(shí)底臌劇烈部位布置雙排底角錨桿[12]，有效控制巷道變形。

5.3 支護(hù)效果

優(yōu)化后的支護(hù)方案在-785 m水平軌道大巷進(jìn)行實(shí)施，根據(jù)近100 d的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，兩幫最大收縮量為120 mm，頂板最大下沉量為39 mm，而最大底臌量僅為10 mm，巷道肩部的變形僅以混凝土噴層局部剝蝕為主，巷道變形得到了有效控制，巷道表面位移監(jiān)測曲線見圖8。

圖8 巷道表面位移監(jiān)測曲線Fig.8 D －t curve of roadway surrounding rock

6 結(jié)語

通過現(xiàn)場工程調(diào)查和分析，總結(jié)了深部巷道非對(duì)稱變形的主要特征，分析了孔莊礦-785 m水平軌道大巷非對(duì)稱變形的主要影響因素和變形機(jī)理，并提出了相應(yīng)的控制對(duì)策，主要結(jié)論如下:

1)孔莊礦巷道產(chǎn)生非對(duì)稱變形的主要因素為:巖性及產(chǎn)狀產(chǎn)生的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、構(gòu)造應(yīng)力、動(dòng)壓影響和對(duì)稱的支護(hù)形式。

2)提出了孔莊礦-785 m大巷非對(duì)稱支護(hù)對(duì)策和設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

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