深井巖巷破壞機(jī)理與支護(hù)優(yōu)化研究*

張雪媛

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安710054;2.陜西煤業(yè)化工建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安710021)

0 引 言

煤礦深井開(kāi)采已成為煤礦設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中的重要問(wèn)題［1-5］。深部煤礦巖體處于高應(yīng)力作用下，巖體內(nèi)積聚大量應(yīng)變勢(shì)能，在巷道掘進(jìn)的擾動(dòng)作用下，巷道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，從而易誘發(fā)巷道圍巖體內(nèi)聚集的應(yīng)變勢(shì)能突發(fā)性釋放，造成巖爆、冒頂和片幫等災(zāi)害發(fā)生［6-10］。深井巖巷的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與支護(hù)設(shè)計(jì)受到諸多不確定因素的影響［11］。開(kāi)展深埋煤礦巖石巷道圍巖穩(wěn)定性分析和錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值［12］。數(shù)值模擬已經(jīng)成為支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析的重要手段［13-14］。文中以陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)文家坡煤礦一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷為依托，研究巷道穩(wěn)定性與支護(hù)方案優(yōu)化技術(shù)，探尋深井巖巷的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，保證巷道安全穩(wěn)定。

1 工程概況

文家坡煤礦是一座設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400 萬(wàn)t/a的在建新礦，預(yù)計(jì)2015 年投產(chǎn)。該礦位于咸陽(yáng)彬縣的東北方，采用立井開(kāi)拓方式。礦井主要開(kāi)拓大巷基本沿井田東西向中央南北布置，埋深在645～743 m 之間，按照煤礦埋深大于600 m 即為深埋煤礦的定義，屬于典型的深井。文家坡礦有三條運(yùn)輸大巷，分別是帶式運(yùn)輸機(jī)大巷、一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷和二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷，大巷掘進(jìn)采用鉆爆法掘進(jìn)。文中研究一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷的圍巖變形機(jī)理，并對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷大巷坡度3.5°，長(zhǎng)1 800 m，設(shè)計(jì)為圓弧拱斷面。原支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)，基本支護(hù)參數(shù):頂板錨桿φ20 mm × 2 700 mm，幫錨桿φ20 mm ×2 700 mm，間排距為800 mm×800 mm;錨索φ17.8 mm× 7 300 mm 鋼絞線(xiàn)，間排距為1 600 mm ×2 400 mm;鋼筋網(wǎng)用φ6 mm 的Q235 鋼筋焊接而成，網(wǎng)格為150 mm×150 mm，網(wǎng)幅為1 000 mm ×2 000 mm，原支護(hù)方案如圖1 所示。

圖1 巷道原支護(hù)方案Fig.1 Support plan of original roadway

2 深井長(zhǎng)距離巖巷變形的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為研究原支護(hù)方案下巷道圍巖變形過(guò)程，在一號(hào)輔助運(yùn)輸巷道布置了3 個(gè)綜合監(jiān)測(cè)斷面，3 個(gè)松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)斷面。限于篇幅，僅分析其中一個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果，具體監(jiān)測(cè)布置如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測(cè)方案Fig.2 Monitoring scheme

2.1 監(jiān)測(cè)方法

1)頂板離層監(jiān)測(cè)。頂板離層監(jiān)測(cè)采用8 點(diǎn)式頂板離層儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，頂板離層儀埋置深度分別為7.5，7，5，2.5，2，1.5，1.0，0.5 m.

2)表面收斂監(jiān)測(cè)。采用自制加工的收斂環(huán)進(jìn)行圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)。利用JSS30A 型數(shù)顯收斂計(jì)進(jìn)行量測(cè)，收斂計(jì)的精度達(dá)0.01 mm.

3)鉆孔窺視監(jiān)測(cè)。采用鉆孔窺視儀進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)，該方法是利用φ32 鉆頭的風(fēng)鉆在巷道頂板和兩幫及底角相應(yīng)位置打松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)孔，利用鉆孔窺視儀進(jìn)行孔內(nèi)窺視記錄，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4)錨桿、錨索受力監(jiān)測(cè)。采用錨桿、錨索測(cè)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 頂板離層

為了研究巷道頂板沉降變化規(guī)律，在一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷距離工作面迎頭15 m 位置安裝了8 點(diǎn)式離層儀(7.5，7，5，2.5，2，1.5，1.0，0.5 m)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 頂板離層特征Fig.3 Characteristics of roof separation

從圖3 可以看出，頂板的下沉量隨著工作面迎頭的不斷向前呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，最終在距離工作面迎頭38 m 時(shí)趨于穩(wěn)定。其中，0.5，1，1.5 和2 m 等4 點(diǎn)離層儀的下沉量在1 ～2 mm 之間，下沉量很小，但是2.5 m 處離層儀的下沉量突然急劇增大，表明在距離頂板2 ～2.5 m 之間存在離層，離層厚度為4.5 mm，產(chǎn)生離層的主要原因在于巷道掘進(jìn)改變了圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)，頂板上方形成自穩(wěn)隱形拱，距離頂板2 ～2.5 m 之間的巖體自身強(qiáng)度較小，在頂板圍巖自重應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋，并在爆破震動(dòng)的動(dòng)載作用下，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展貫通形成離層。5，7 和7.5 m 等3 點(diǎn)離層儀的下沉量在7 ～9 mm，2.5 ～7.5 m 區(qū)間的巖層位移量很小，表明該區(qū)間的巖層比較穩(wěn)定。由以上分析可知，自頂板離層監(jiān)測(cè)之后，頂板最大下沉量9.11 mm 左右，變形量非常小，頂板圍巖安全穩(wěn)定。

2.2.2 表面收斂

從圖4 可知，頂板下沉量和變化規(guī)律基本上與頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合，累計(jì)下沉量不超過(guò)10 mm，兩幫收斂量和收斂速率不超過(guò)頂板下沉量及其收斂速率，兩幫收斂量不超過(guò)5 mm，幫部圍巖比較穩(wěn)定。隨著工作面迎頭的向前掘進(jìn)，監(jiān)測(cè)斷面滯后掘進(jìn)迎頭38 m 后巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

圖4 表面位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.4 Curve of surface displacement

2.2.3 松動(dòng)圈測(cè)試

從表1 可以看出，巷道頂板的松動(dòng)圈范圍在1.3 ～1.4 m，左幫孔的松動(dòng)圈范圍在1.6 ～1.8 m，右?guī)涂椎乃蓜?dòng)圈范圍在1.0 ～1.2 m，左幫孔的松動(dòng)圈范圍大于右?guī)涂?，這是因?yàn)樵谝惶?hào)輔助運(yùn)輸大巷左邊20 m 處有一條已經(jīng)貫通的二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷，再加上一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷穿過(guò)的巖層有明顯的層理，鉆爆法掘進(jìn)對(duì)圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生了很大影響。

表1 松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果Tab.1 Result of loose circle test m

對(duì)同一窺視孔進(jìn)行多次松動(dòng)圈測(cè)試，結(jié)果表明，隨著工作面迎頭的不斷推進(jìn)，圍巖破碎帶和裂隙有增加和發(fā)育的趨勢(shì)，但是沒(méi)產(chǎn)生大的裂隙和明顯離層，表明巷道圍巖完整性較好。

2.2.4 錨桿錨索受力

頂板錨索測(cè)力計(jì)初始值為27.1 kN，錨桿測(cè)力計(jì)初始值見(jiàn)表2，隨著工作面迎頭的不斷推進(jìn)，壓力值基本上保持不變，在監(jiān)測(cè)斷面滯后工作面迎頭38 m 時(shí)錨索測(cè)力計(jì)值突然增大到55 kN，錨桿測(cè)力計(jì)值也突然增大，之后錨桿(索)測(cè)力計(jì)值趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)橄锏啦捎勉@爆法掘進(jìn)，之前巷道兩幫堆載的大量矸石被清理，兩幫圍巖有向巷內(nèi)收斂的趨勢(shì)，致使頂板圍巖有下沉趨勢(shì)，但是在錨桿錨索的錨固力作用下，從圖4 可看出，兩幫收斂增量不大，但是錨桿錨索受力增大。

錨桿拉力設(shè)計(jì)值為50 kN，從表2 可以看出，圍巖穩(wěn)定后頂板錨桿受力為設(shè)計(jì)值的48%，左幫、右?guī)湾^桿拉力值分別為設(shè)計(jì)值得42%和40.6%，主要因?yàn)殄^桿設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于圍巖松動(dòng)圈厚度，錨桿未能充分發(fā)揮其支護(hù)性能，具有優(yōu)化空間，尤其是兩幫錨桿。

表2 錨桿拉力監(jiān)測(cè)值Tab.2 Monitoring results of cable force

3 深井巖巷變形及破壞機(jī)理數(shù)值模擬

巷道掘進(jìn)擾動(dòng)了圍巖的原巖應(yīng)力場(chǎng)，使其重新分布，誘發(fā)巷道圍巖內(nèi)部裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通，裂隙發(fā)展到一定程度后就會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖破壞失穩(wěn)。采用FLAC3D數(shù)值模擬分析巷道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程，可得巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)展和應(yīng)力場(chǎng)特征。

圖5 FLAC 計(jì)算模型Fig.5 FLAC calculator model

模型的寬度(X 軸)為88.6 m，模型高(Z 軸)為60 m，模型厚(Y 軸)14.4 m，巷道斷面尺寸為5 400 mm(寬)× 4 600 mm(高)，直墻高1 900 mm，具體如圖5 所示。模型限制水平位移和垂直位移，垂直應(yīng)力12 MPa，水平應(yīng)力7 MPa，按照均布荷載施加在模型上部垂直應(yīng)力邊界和水平應(yīng)力邊界。由于二號(hào)輔運(yùn)大巷已經(jīng)貫通，模擬過(guò)程中，先挖通二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷，支護(hù)完成后再分四步(每步3.6 m)開(kāi)挖一號(hào)輔助運(yùn)輸石門(mén)，并完成支護(hù)，在巷道Y=2 位置設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面。

3.1 圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律

將開(kāi)挖過(guò)程分為四步，分析一號(hào)巷道監(jiān)測(cè)斷面(Y=2 m)圍巖塑性區(qū)隨巷道掘進(jìn)的發(fā)展過(guò)程，研究巷道圍巖變形機(jī)理。

從圖6 可知，開(kāi)挖第一步并完成支護(hù)后，巷道頂板、兩幫和底板多處發(fā)生塑性變形，由于兩幫底角存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩幫底角處塑形區(qū)厚度較大;開(kāi)挖第二步后，頂板塑性區(qū)厚度沒(méi)有增大，兩幫的塑性區(qū)厚度有所增大，這是因?yàn)榈诙介_(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，頂板圍巖自重應(yīng)力傳遞到兩幫，致使兩幫塑性區(qū)有所擴(kuò)展，底板塑性區(qū)范圍沒(méi)有增大;開(kāi)挖第三步后，兩幫的塑性區(qū)范圍繼續(xù)增大，但是增幅很小，因?yàn)榈谌介_(kāi)挖對(duì)巷道監(jiān)測(cè)斷面產(chǎn)生的擾動(dòng)已經(jīng)很小了，底板塑性區(qū)范圍沒(méi)有增大;開(kāi)挖第四步后，巷道監(jiān)測(cè)斷面的圍巖塑性區(qū)沒(méi)有繼續(xù)增大，因?yàn)殡S著巷道掘進(jìn)的繼續(xù)推進(jìn)，施工對(duì)滯后10 m 之外的巷道圍巖塑性區(qū)變化影響很小。顯然，在原支護(hù)方案下，隨著巷道掘進(jìn)的不斷推進(jìn)，巷道圍巖頂板塑性區(qū)厚度不會(huì)增加，兩幫塑性區(qū)厚度由增大到逐漸穩(wěn)定，底板塑性區(qū)域不會(huì)增大，兩幫底角位置由于存在應(yīng)力集中，其塑性區(qū)厚度比底板中心塑性區(qū)厚度大，這點(diǎn)對(duì)于底板巷道圍巖的穩(wěn)定十分不利，兩底角圍巖過(guò)早發(fā)生屈服，將應(yīng)力傳遞到底板中心區(qū)域，誘發(fā)底鼓產(chǎn)生。

圖6 塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)律Fig.6 Development law of plastic zone

圖7 水平應(yīng)力云圖(單位:Pa)Fig.7 Nephogram of horizon stress

3.2 圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

圖8 豎直應(yīng)力云圖(單位:Pa)Fig.8 Nephogram of verital stress

根據(jù)前面分析結(jié)果可知，隨著巷道掘進(jìn)的不斷推進(jìn)，在第四步開(kāi)挖后圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，這里僅給出第四步開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)斷面的圍巖應(yīng)力狀態(tài)。第一步開(kāi)挖完成后，監(jiān)測(cè)斷面的拱頂水平應(yīng)力10.8 MPa，幫部水平應(yīng)力2 MPa，隨著第二步、第三步的開(kāi)挖，監(jiān)測(cè)斷面的拱頂水平應(yīng)力相應(yīng)減小，幫部水平應(yīng)力區(qū)域增大，直到第四步開(kāi)挖完成后，巷道水平應(yīng)力趨于穩(wěn)定，拱頂水平應(yīng)力9.42 MPa，見(jiàn)圖7。自重引起的水平應(yīng)力使巷幫向巷道內(nèi)移動(dòng)，頂板產(chǎn)生剪切破壞，兩幫產(chǎn)生劈裂破壞。底板在兩幫的擠壓作用下向上鼓起，并產(chǎn)生破壞。開(kāi)挖過(guò)程中，巷道拱頂豎直應(yīng)力基本保持不變，幫部豎直應(yīng)力隨著巷道掘進(jìn)而增大，幫部開(kāi)挖后初始豎直應(yīng)力18.88 MPa，第四步開(kāi)挖完成后，幫部豎直應(yīng)力20.09 MPa，拱頂豎直應(yīng)力0.35 MPa，如圖8所示。

4 支護(hù)方案優(yōu)化

分析FLAC 模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知:巷道圍巖整體較完整，頂板下沉量和兩幫收斂量均較小，巷道圍巖松動(dòng)范圍度不超過(guò)2 m，同時(shí)錨桿(索)受力值遠(yuǎn)小于其設(shè)計(jì)值，說(shuō)明其未充分發(fā)揮其性能。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值計(jì)算和錨桿(索)設(shè)計(jì)理論，擬設(shè)計(jì)2 種優(yōu)化方案。方案一，考慮圍巖松動(dòng)圈厚度最大為1.8 m，將兩幫錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化為2.3 m，其他支護(hù)參數(shù)保持不變。方案二，按照錨桿支護(hù)理論計(jì)算，得出幫部錨桿長(zhǎng)度為2.1 m，其他支護(hù)參數(shù)保持不變。通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證方案的可行性。數(shù)值模型仍采用巷道變形機(jī)理分析的模型(圖5 所示)進(jìn)行分析。計(jì)算模型和錨桿(索)支護(hù)模型如圖9 所示。

模擬巷道開(kāi)挖時(shí)，先開(kāi)挖二號(hào)輔助運(yùn)輸石門(mén)大巷，后開(kāi)挖一號(hào)巷道。通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案的數(shù)值計(jì)算，獲得了巷道圍巖的豎直位移和水平位移變形特征。

圖9 錨桿(索)支護(hù)模型Fig.9 Cable(anchor wire)support model

優(yōu)化方案一的變形特征:巷道拱頂最大沉降9.13 mm，幫部最大水平位移8.88 mm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，巷道拱頂最大沉降由9.11 mm 增加到9.13 mm，幫部最大水平位移由4.8 mm 增加到8.88 mm，圍巖變形增量很小，能夠滿(mǎn)足支護(hù)要求，可以替代原有的支護(hù)方案。

優(yōu)化方案二的變形特征:巷道拱頂最大沉降10.87 mm，幫部最大水平位移16.88 mm，與工況一相比，盡管巷道拱頂最大沉降增量不大，但是幫部水平位移由8.88 mm 增大到17.59 mm，巷幫變形明顯增大，不能保證巷道穩(wěn)定。

研究表明，優(yōu)化方案一可行，即將幫部錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化到2.3 mm，其他支護(hù)參數(shù)保持不變，能夠滿(mǎn)足巷道支護(hù)要求，可以替代原有支護(hù)方案。

5 結(jié) 論

1)采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與FLAC 模擬相結(jié)合的手段得到了文家坡煤礦深井巖石巷道破壞機(jī)理:即隨著巷道不斷地向前掘進(jìn)，巷道兩幫圍巖塑性區(qū)厚度先增大直到逐漸穩(wěn)定，兩幫底角位置由于存在應(yīng)力集中，其塑性區(qū)厚度比底板中心塑性區(qū)厚度大。自重引起的水平應(yīng)力使巷幫向巷道內(nèi)收斂，頂板產(chǎn)生剪切破壞，兩幫產(chǎn)生劈裂破壞，總體上講，圍巖變形小，巷道成型良好;

2)文家坡煤礦一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷的圍巖變形量很小，錨桿(索)支護(hù)方案過(guò)于保守，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化;

3)提出了文家坡煤礦一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷的兩個(gè)支護(hù)優(yōu)化方案，F(xiàn)LAC 分析表明，將幫部錨桿長(zhǎng)度從2.7 m 優(yōu)化到2.3 mm，其他支護(hù)參數(shù)保持不變的優(yōu)化方案一合理可行，優(yōu)化后的支護(hù)可以滿(mǎn)足巷道穩(wěn)定性的要求。

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