復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖失穩(wěn)變形原因分析

陳 超

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司)

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復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖失穩(wěn)變形原因分析

陳 超

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司)

以山西天地王坡煤業(yè)有限公司3209放頂煤工作面軟巖臨空巷道圍巖失穩(wěn)變形為背景，從圍巖強(qiáng)度、地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)特征、地下水、巖層傾角、相鄰工程、巷道形狀、巷道跨度、施工工藝、施工質(zhì)量等10個(gè)因素考慮，采用層次分析法對(duì)各影響因素進(jìn)行綜合分析，給出各影響因素權(quán)重值的總排序，為巷道圍巖穩(wěn)定性控制提供一定的理論依據(jù)。

層次分析法 臨空巷道 圍巖失穩(wěn) 地質(zhì)條件

隨著我國(guó)煤礦不斷向深部開采，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，礦井經(jīng)過長(zhǎng)期開采后臨空巷道越來越多，以及局部厚煤層礦區(qū)大采高采煤工藝的應(yīng)用，礦區(qū)壓力顯現(xiàn)愈發(fā)明顯，巷道支護(hù)難度逐漸增大，尤其在煤巷施工和維護(hù)中，由于煤巖體內(nèi)部含有各種各樣的不連續(xù)面，如節(jié)理、層理、裂隙等，顯著改變了煤巖體的強(qiáng)度特征和變形特征，致使煤巖體與巖塊強(qiáng)度相差甚遠(yuǎn)，極易造成巷道頂板離層、下沉甚至冒落、兩幫內(nèi)鼓、底鼓等現(xiàn)象，成為制約煤礦安全高效生產(chǎn)的主要問題[1-3]。因此，需對(duì)影響圍巖穩(wěn)定性因素建立定性分析模型，進(jìn)而進(jìn)行權(quán)值劃分，多角度分析巷道圍巖失穩(wěn)變形的原因，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性控制具有重要的工程意義。

1 工程概況

山西天地王坡煤業(yè)有限公司目前開采二疊系下統(tǒng)山西組3#煤，煤厚平均5.9 m，煤層傾角近水平，煤層裂隙發(fā)育。煤層頂?shù)装逯饕阅鄮r(砂質(zhì)泥巖)為主，主要充水水源為頂板砂巖裂隙水，富水性弱，以間歇性淋水為主。礦井地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，局部構(gòu)造發(fā)育區(qū)原巖應(yīng)力集中。掘進(jìn)工作面采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)，錨網(wǎng)噴支護(hù)，回采工作面采用綜采放頂煤開采工藝。該礦采用斜井單水平延伸開采，布設(shè)1個(gè)回采工作面和2個(gè)掘進(jìn)工作面，其中3209掘進(jìn)工作面采用U+I型布置，回風(fēng)順槽(4.5 m×3.4 m)與進(jìn)風(fēng)順槽(5 m×3.1 m)為沿煤層底板掘進(jìn)巷道，兩者間距180 m，內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷平行于回風(fēng)順槽間距10 m，沿煤層頂板全巖巷掘進(jìn)。工作面進(jìn)風(fēng)順槽側(cè)為實(shí)煤區(qū)，回風(fēng)順槽和內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷側(cè)為已回采結(jié)束的3207工作面。巷道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變，在掘進(jìn)過程中揭露斷層1處、陷落柱5處，巷道在掘進(jìn)過程中頂板巖層破碎，再加上工程力和采動(dòng)等因素影響，導(dǎo)致支護(hù)無法較好地控制圍巖的穩(wěn)定性，屬于典型的復(fù)雜地質(zhì)條件大斷面巷道。進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)期間及巷道形成后未見壓力顯現(xiàn)，巷道圍巖穩(wěn)定性控制較好，3209內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷及3209回風(fēng)順槽在掘進(jìn)期間及巷道形成后壓力顯現(xiàn)明顯，巷道圍巖發(fā)生了嚴(yán)重的變形破壞，先頂板離層、下沉、脫落，甚至冒落，繼而引發(fā)兩幫內(nèi)鼓(片幫)、底鼓等礦壓顯現(xiàn)。巷道內(nèi)鼓一般0.3～0.8 m，最嚴(yán)重處達(dá)2 m，且底鼓處理多次。據(jù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，自巷道開挖以來，3209回風(fēng)順槽拉斷錨索61根，拉斷錨桿82根。3209內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷拉斷錨桿58根，拉斷錨索11根。錨索從距鎖具0.4～1.1 m處錯(cuò)差拉斷，鋼絲拉斷處絲徑明顯拉細(xì)(圖1)。

圖1 斷裂錨索展示

2 應(yīng)用層次分析法確定巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素及權(quán)重

層次分析法是20世紀(jì)70年代由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家SANTY提出的，是一種比較成熟的解決多因素復(fù)雜問題分析的有效方法，用其確定復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素的權(quán)重，為分析圍巖失穩(wěn)原因提供理論支持[4]。

影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素概括起來一般有巖體力學(xué)因素、工程地質(zhì)因素和工程技術(shù)因素三大類[5]，為了更有利于分析巷道圍巖失穩(wěn)原因，結(jié)合該礦生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)一步優(yōu)化為自然因素和人為因素。其中自然因素主要有：圍巖強(qiáng)度、地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)特征、地下水、巖層傾角；人為因素有：相鄰工程、巷道形狀、巷道跨度、施工工藝、施工質(zhì)量[6-8]。

2.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，如表1所示。

2.2 構(gòu)建判斷矩陣

依據(jù)表1的層次模型，采用1～9及其倒數(shù)的標(biāo)度法[9-10]，對(duì)隸屬于同一指標(biāo)層各因素間的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣(見表2～表4)，最后列出各因素對(duì)目標(biāo)層的總排序(表5)。

2.3 一致性檢驗(yàn)

首先對(duì)單排序一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)于一階、二階矩陣總是一致的，所以只需對(duì)B-C判斷矩陣檢驗(yàn)。

表1 巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素的層次模型

表2 判斷矩陣A-B及其特征向量

表3 判斷矩陣B1-Cj及其特征向量

表4 判斷矩陣B2-Cj及其特征向量

表5 影響因素層次總排序

判斷矩陣B1-Cj一致性檢驗(yàn)：

(1)

式中，CI為一致性特征數(shù)(CI=0時(shí)，矩陣一致，CI接近于零時(shí)有滿意的一致性，CI越大，不一致性越嚴(yán)重)；n為因子數(shù)，取n=10；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，根據(jù)因子數(shù)取值1.12；CR為一致性比率，當(dāng)CR<0.1時(shí)認(rèn)為不一致程度在容許范圍內(nèi)。

同理判斷矩陣B2-Cj一致性檢驗(yàn)：CR=0.018<0.1。

不一致程度均在允許的范圍內(nèi)，符合一致性檢驗(yàn)要求。

總排序一致性檢驗(yàn)：CR=0.02<0.1。故總排序也通過一致性檢驗(yàn)，從而確定影響巷道圍巖穩(wěn)定性因素的權(quán)重值(表6)。

表6 巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素權(quán)重值

3 復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖失穩(wěn)變形原因分析

從表6可以看出，影響巷道圍巖穩(wěn)定性因素的權(quán)重值由大到小依次為：相鄰工程>圍巖強(qiáng)度>巷道形狀>巷道跨度>地應(yīng)力>巖體結(jié)構(gòu)特征>施工工藝>施工質(zhì)量>巖層傾角>地下水。3209回風(fēng)順槽和內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷為臨空(3207采空區(qū))巷道，采場(chǎng)動(dòng)壓對(duì)臨近巷道圍巖穩(wěn)定性影響強(qiáng)烈，所以3207采空區(qū)是3209掘進(jìn)巷道圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵性原因，權(quán)重值達(dá)到了近1/3；兩條巷道均為矩形巷道，矩形巷道圍巖頂板將出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，可導(dǎo)致上部巖體產(chǎn)生張裂破壞趨勢(shì)，而拱形巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)以壓應(yīng)力為主，對(duì)維持圍巖穩(wěn)定性較好，通常情況下巷道斷面越大，巷道的頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平慷紩?huì)增加，所以該礦巷道形狀及跨度設(shè)計(jì)也是巷道圍巖失穩(wěn)變形的主要原因；3209內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷施工工藝為爆破掘進(jìn)，對(duì)圍巖的破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)掘，工人對(duì)機(jī)械的操作水平，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性都將對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；圍巖強(qiáng)度對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響次之，該礦《3#煤層地質(zhì)力學(xué)測(cè)試報(bào)告》證實(shí)煤層頂板10 m范圍內(nèi)巖性主要以炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟巖為主，且存在大量離層、裂隙和夾層，裂隙多向發(fā)育，直接影響了巖體的整體強(qiáng)度；頂板大量軟巖夾層的存在同時(shí)也阻隔了地下水滲入溶蝕，所以地下水對(duì)該礦巷道圍巖穩(wěn)定性影響不大，權(quán)重值僅為0.02；巖體結(jié)構(gòu)特征權(quán)重值為0.053 7，這與該礦3#煤層頂?shù)装鍘r體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體內(nèi)節(jié)理、層理發(fā)育，偶有層間錯(cuò)動(dòng)面和軟弱夾層有關(guān)；該礦地應(yīng)力主要以自重應(yīng)力為主，局部構(gòu)造發(fā)育區(qū)域造成原巖應(yīng)力集中，且水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力之間的差值較大，這是巷道圍巖較難控制的一個(gè)原始本因；上覆巖層和下伏巖層與煤層賦存情況基本一致，屬于近水平巖層，壓力主要來自于頂板，變形也主要來自于頂板，巷道中局部?jī)A斜巖層中壓力主要來自于頂?shù)装?，變形主要來自于兩幫和底板，造成了局部巷道?nèi)移和底鼓[11]。

4 結(jié) 論

(1)3209回順與內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷為臨空軟巖巷道，煤層及頂?shù)装辶严遁^發(fā)育，采掘期間形成的擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)與原始應(yīng)力場(chǎng)疊加且局部構(gòu)造發(fā)育，巷道圍巖處于較復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。

(2)綜合考慮各種影響因素，運(yùn)用層次分析法，從最終的結(jié)果可以看出巷道臨空掘進(jìn)對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制起到非常重要的作用，圍巖強(qiáng)度、地應(yīng)力、巷道的形狀和斷面大小也是不容忽視的因素，評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況基本一致，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

(3)該礦3#煤層頂?shù)装鍘r體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體內(nèi)節(jié)理、層理發(fā)育，偶有層間錯(cuò)動(dòng)面和軟弱夾層，對(duì)這種非連續(xù)巖體應(yīng)先利用錨桿(索)控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、張裂隙等，及時(shí)進(jìn)行注漿，阻止巖體內(nèi)部的微運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度；巷道形狀應(yīng)盡量采用拱形設(shè)計(jì)，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)工人職業(yè)技能的培訓(xùn)。

[1] 余偉健,袁 越,王衛(wèi)軍.困難條件下大變形巷道圍巖變形機(jī)理與控制技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2015(1):15-20.

[2] 彭志德.安山煤礦巷道頂板結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理及其控制[D].西安：西安科技大學(xué),2012.

[3] 謝生榮,謝國(guó)強(qiáng),何尚森，等.深部軟巖巷道錨噴注強(qiáng)化承壓拱支護(hù)機(jī)理及其應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014(3):404-409.

[4] 楊國(guó)勇,陳 超,高樹林,等.基于層次分析-模糊聚類分析法的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015(2):206-212.[5] 薛彥平,許 廣,唐又馳.基于AHP的深部巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素評(píng)價(jià)分析[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí),2013(6):157-164.

[6] 劉艷章.巖體結(jié)構(gòu)面分布的分形特征及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)研究[D].武漢：武漢科技大學(xué),2004.

[7] 康紅普,顏立新,郭相平,等.回采工作面多巷布置留巷圍巖變形特征與支護(hù)技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012(10):2022-2036.

[8] 鄭書兵.寺河煤礦三維地應(yīng)力場(chǎng)分布和巷道布置優(yōu)化[J].煤炭學(xué)報(bào),2010(5):717-722.

[9] 郭金玉,張忠彬,孫慶云.層次分析法的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2008(5):148-153.

[10] 段自力.基于AHP的礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系優(yōu)化[J].現(xiàn)代礦業(yè),2016(4):27-29.

[11] 孟慶彬,韓立軍,喬衛(wèi)國(guó),等.深部高應(yīng)力軟巖巷道斷面形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2012(5):650-656.

Instability Deformation Reason of the Surrounding Rock of Roadway Under the Complex Geological Conditions

Chen Chao

(Shanxi Tiandi Wangpo Coal Mining Co.,Ltd.)

Taking the instability deformation of the surrounding rock of soft rock overhead roadway of 3209 caving working face of Shanxi tiandi wangpo coal mining Co.,Ltd as the study background,the factors of intensity of surrounding rock,in-situ stress,rock mass structural characteristics,groundwater,dip angle of rock strum,adjacent engineering,roadway shape,roadway span,construction techniques,construction quality are analyzed synthetically by adopting the analytic hierarchy process,the general ranking results of weights of the above ten factors are given to provide the theoretical basis for the controlling of the stability of surrounding rock of roadway.

Analytic hierarchy process,Overhead roadway,Instability of surrounding rock of roadway,Geological conditions

2016-06-30)

陳 超(1988—)，男，助理工程師，碩士，048021 山西省晉城市澤州縣下村鎮(zhèn)。