深部高應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定性分析

王保龍

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河煤礦，山西晉城048200）

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深部高應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定性分析

王保龍

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河煤礦，山西晉城048200）

摘要：通過對深部巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出：巷道斷面形狀、支護(hù)形式、巖層結(jié)構(gòu)面、地應(yīng)力對巷道圍巖變形影響較大。改善圍巖特性、支護(hù)斷面和支護(hù)形式等可以改變巷道圍巖的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：深部開采；高地應(yīng)力；圍巖穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

我國煤礦開采深度以每年8 m～12 m的速度增加，部分煤礦的開采深度已經(jīng)超過1 000 m，有的甚至達(dá)到1 400 m。在深部高應(yīng)力環(huán)境中，巷道圍巖的控制變得比較困難，圍巖長期變形不止，圍巖的變形主要受到圍巖性質(zhì)、巷道埋深、地應(yīng)力、地質(zhì)水文等因素的影響，同時(shí)也受到了巷道支護(hù)斷面、支護(hù)形式、采動的影響，且各種因素相互作用，相互影響，最終導(dǎo)致巷道不穩(wěn)定[1-3]。

目前，許多學(xué)者[4-5]在工程實(shí)踐中不斷探索，發(fā)現(xiàn)了巷道圍巖變形的基本規(guī)律，認(rèn)識到了支架與圍巖的共同作用原理，還有學(xué)者對巷道開挖后圍巖破壞進(jìn)行了研究，提出了松動圈理論，同時(shí)也開發(fā)出了不同形式的支護(hù)材料，不同程度上解決了部分巷道的支護(hù)問題，但是對于高地應(yīng)力巷道的圍巖控制，目前還沒有合適的支護(hù)形式，主要是由于深部圍巖系統(tǒng)比較復(fù)雜。因此，對深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)進(jìn)行研究就顯得非常重要。

1　深部高應(yīng)力巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬

模擬對象為某煤礦運(yùn)輸巷，該巷埋深約1 107 m～1 207 m。最大水平主應(yīng)力為32.6 MPa，方向?yàn)镹12.5°E；最小水平主應(yīng)力為16.89 MPa，垂直主應(yīng)力為30.24 MPa。巷道圍巖巖性及力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　巷道圍巖力學(xué)參數(shù)表

1.1不同斷面形狀對巷道圍巖變形的影響

在無支護(hù)情況下，梯形斷面巷道變形如圖1所示，頂板最大變形達(dá)到68 mm。

在無支護(hù)情況下，直墻半圓拱形斷面巷道變形如圖2所示。與梯形斷面變形相比，由于巷道拱形部分切割了直接頂，導(dǎo)致直接頂暴露部分變形增加，超過了梯形斷面巷道變形，最大變形達(dá)到77 mm；頂板粗砂巖暴露位置變形減少，其它位置變形大致相當(dāng)。

在無支護(hù)情況下，矩形斷面巷道變形如圖3所示。與梯形斷面變形相比，由于巷道頂板部分切割了直接頂，導(dǎo)致直接頂暴露部分變形增加，超過了梯形斷面巷道變形，最大變形達(dá)到76 mm；頂板粗砂巖暴露位置變形減少，其它位置變形大致相當(dāng)。

圖1　梯形斷面巷道變形

圖2　直墻半圓拱形巷道變形

圖3　矩形巷道變形

1.2不同巖層強(qiáng)度對圍巖變形的影響

在無支護(hù)情況下，改變巷道圍巖強(qiáng)度，分三個(gè)等級進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，隨著圍巖強(qiáng)度提高，巷道變形顯著減少。

在硬煤和直接頂、無支護(hù)情況下，巷道變形見圖4。與中等強(qiáng)度煤和頂板相比，巷道整體變形大大降低，最大變形為37 mm。

在中等煤和直接頂、無支護(hù)情況下，巷道變形見圖5，頂板最大變形達(dá)到68 mm。

在軟煤和直接頂、無支護(hù)情況下，巷道變形見圖6。與中等強(qiáng)度煤和頂板相比，巷道整體變形有較大增加，最大變形為98 mm。

圖4　硬煤和直接頂時(shí)圍巖變形

圖5　中等煤和直接頂時(shí)圍巖變形

圖6　軟煤和直接頂時(shí)圍巖變形

1.3不同巖層結(jié)構(gòu)面

在無支護(hù)情況下，改變分層節(jié)理面強(qiáng)度，分強(qiáng)、中、弱三個(gè)等級進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，隨著節(jié)理面強(qiáng)度達(dá)到一定程度，再提高節(jié)理面強(qiáng)度，對巷道變形基本沒有影響；但是降低節(jié)理面強(qiáng)度，可以使巷道變形顯著增加。

在硬巖層結(jié)構(gòu)面、無支護(hù)情況下，巷道變形見圖7。與中等巖層結(jié)構(gòu)面相比，巷道變形大致相同，頂板最大變形達(dá)到68 mm。

在中等巖層結(jié)構(gòu)面、無支護(hù)情況下，巷道變形見圖8，頂板最大變形達(dá)到68 mm。

在軟巖層結(jié)構(gòu)面、無支護(hù)情況下，巷道變形見圖9。與中等巖層結(jié)構(gòu)面相比，巷道變形急劇增大，頂板最大變形達(dá)到365 mm。模擬結(jié)果表明煤層上部0.7 m的直接頂和煤層下部0.5 m粘土巖對結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度變?nèi)跏置舾小?/p>

圖7　硬巖層結(jié)構(gòu)面巷道變形

圖8　中等巖層結(jié)構(gòu)面巷道變形

圖9　軟巖層結(jié)構(gòu)面巷道變形

1.4不同地應(yīng)力

在無支護(hù)情況下，保持其它地質(zhì)力學(xué)參數(shù)不變，僅改變地應(yīng)力大小，分高、中、低三個(gè)等級進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，隨著地應(yīng)力水平增大，巷道變形顯著增加；隨著地應(yīng)力水平降低，巷道變形顯著減少。

在高地應(yīng)力、無支護(hù)情況下，巷道變形見圖10。與中等地應(yīng)力情況相比，巷道變形大大增加，最大變形達(dá)到99 mm。

在中等地應(yīng)力、無支護(hù)情況下，巷道變形見圖11，巷道最大變形達(dá)到68 mm。

在低地應(yīng)力、無支護(hù)情況下，巷道變形見圖12。與中等地應(yīng)力情況相比，巷道變形大大減少，最大變形為40 mm。

圖10　高地應(yīng)力巷道變形

圖11　中等地應(yīng)力巷道變形

圖12　低地應(yīng)力巷道變形

1.5不同支護(hù)形式的巷道圍巖變形

在保持其它地質(zhì)力學(xué)參數(shù)不變情況下，僅改變支護(hù)方式，分無支護(hù)、強(qiáng)力錨桿支護(hù)和普通錨桿支護(hù)進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，兩種支護(hù)方式都能從一定程度上限制巷道變形。就限制巷道變形效果而言，強(qiáng)力錨桿支護(hù)明顯好于普通錨桿支護(hù)。

在無支護(hù)情況下，梯形斷面巷道變形見圖13，頂板最大變形達(dá)到68 mm。

采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)時(shí)，巷道變形見圖14。與無支護(hù)相比，巷道變形有明顯的減少，巷道最大變形降低為61 mm。

采用普通錨桿支護(hù)時(shí)，巷道變形見圖15。與無支護(hù)相比，巷道變形有明顯的減少，巷道最大變形降低為63 mm。

圖13　無支護(hù)巷道圍巖變形

圖14　強(qiáng)力錨桿支護(hù)巷道圍巖變形

圖15　普通錨桿支護(hù)巷道圍巖變形

2　深部巷道圍巖變形與破壞機(jī)理分析

深部巷道圍巖變形與破壞主要受三方面的因素影響：其一是巷道圍巖地質(zhì)條件，包括煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)，地質(zhì)構(gòu)造及節(jié)理、裂隙發(fā)育程度；其二是巷道工程賦存環(huán)境，主要包括應(yīng)力環(huán)境、地下水環(huán)境和溫度環(huán)境；三是巷道施工因素，包括巷道類型，巷道斷面形狀與尺寸，巷道開挖方式，以及巷道支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)和支護(hù)時(shí)機(jī)等。

在巷道圍巖地質(zhì)條件中，煤巖體的強(qiáng)度與變形特征，圍巖內(nèi)結(jié)構(gòu)面形式、結(jié)構(gòu)面分布、結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)，是影響深部巷道圍巖變形與破壞的重要因素。在結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育的圍巖中，結(jié)構(gòu)面是最關(guān)鍵的影響因素。

在巷道工程環(huán)境中，高應(yīng)力環(huán)境是深部巷道變形與破壞的根本原因。深部巷道圍巖的應(yīng)力場不僅取決于原巖應(yīng)力，而且還與采動應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān)。即巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境是原巖應(yīng)力與采動應(yīng)力疊加后的應(yīng)力環(huán)境。

在巷道施工因素方面，通過優(yōu)化巷道斷面形狀與尺寸，進(jìn)行合理的巷道支護(hù)形式與參數(shù)設(shè)計(jì)，是保持巷道圍巖穩(wěn)定性與安全性的主要手段。

3　結(jié)論

1）在深井高應(yīng)力回采巷道中采用不同的支護(hù)形式和支護(hù)斷面對圍巖變形影響很大，強(qiáng)力錨桿支護(hù)控制圍巖效果較好，由于梯形支護(hù)未切割直接頂，采用梯形支護(hù)斷面巷道變形較小。

2）圍巖強(qiáng)度是影響圍巖變形和破壞的關(guān)鍵參數(shù)。隨著巖層強(qiáng)度降低，圍巖變形大大增加，特別是頂?shù)装鍘r層較軟時(shí)，巷道變形急劇增加。

3）結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度也是影響圍巖變形和破壞的關(guān)鍵參數(shù)。隨著結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)面剪切滑動加劇，圍巖變形大大增加。特別是煤巷直接頂和直接底對結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度變?nèi)跏置舾小?/p>

4）隨著地應(yīng)力水平的降低，圍巖變形顯著降低；當(dāng)?shù)貞?yīng)力小到一定程度，巷道變形變得很小。地應(yīng)力大小對巷道圍巖變形和穩(wěn)定性影響非常顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]康紅普，王金華，林健.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（12）：1234- 1238．

[2]賀永年，韓立軍，邵鵬，等.深部巷道穩(wěn)定的若干巖石力學(xué)問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，35（3）：288- 295．

[3]何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（16）：2803- 2813．

[4]孔祥義，高波，焦洪斌.軟巖巷道聯(lián)合支護(hù)方式在生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（22）：33 - 34．

[5]康紅普，王金華，林健.煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（4）：649- 664．

（編輯：武曉平）

Stability Analysis of Surrounding Rock in Deep Roadways with High Geostress

WANG Baolong
(Sihe Mine, Jincheng Anthracite Mining Group, Jincheng 048200, China)

Abstract:Numerical simulation of the stability of surrounding rock in deep roadways demonstrates that cross- section shape, supporting pattern, structural plane of rock, and geostress have greater influence on the deformation of the surrounding rock. To better control the deformation, effective improvement of the features of the surrounding rock, supporting cross- section, and supporting pattern could change the stabilityofthe surroundingrock in the roadway.

Keywords:deep mining; high geostress; stabilityofsurroundingrock; numerical simulation

作者簡介：王保龍（1987-），男，山西晉城人，大學(xué)?？?，助理工程師，從事煤炭設(shè)計(jì)與研究工作。

收稿日期：2015- 10- 29

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.019

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0065- 04

中圖分類號：TD322

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A