不同側(cè)壓系數(shù)下深部軟巖巷道應(yīng)力演化規(guī)律及支護(hù)研究

張振全 李 楊

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.神華科學(xué)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，北京市昌平區(qū)，102211)

隨著我國(guó)中東部礦區(qū)淺部可采煤炭資源的枯竭，開(kāi)采深度逐漸向深部轉(zhuǎn)移。由于深部開(kāi)采地質(zhì)條件復(fù)雜、應(yīng)力增大，煤巖體呈現(xiàn)軟化特性，強(qiáng)度降低，且易于風(fēng)化水解，致使深部軟巖巷道圍巖控制問(wèn)題日漸突出，而導(dǎo)致軟巖巷道變形破壞加劇的根本原因是巖層原有的地應(yīng)力在采動(dòng)干擾下的重新分布。原巖應(yīng)力是巖層在漫長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)期形成的天然內(nèi)應(yīng)力，是界定巖層力學(xué)屬性的基礎(chǔ)，也是巷道圍巖穩(wěn)定分析、優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)必須重視的基礎(chǔ)因素。

針對(duì)原巖應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道圍巖受力、破壞及支護(hù)方面的影響，許多學(xué)者做了大量的研究工作，王軍等系統(tǒng)分析了軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法，并提出了基于剪應(yīng)力導(dǎo)數(shù)的圍巖穩(wěn)定性理論；羅超文等采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬方法對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及變形情況進(jìn)行了研究；孟召平等從工程地質(zhì)方面對(duì)淮南礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，并進(jìn)一步探討了圓形硐室圍巖應(yīng)力分布特點(diǎn)以及不同側(cè)壓條件下巷道頂板圍巖的穩(wěn)定情況；王連國(guó)等針對(duì)深部軟巖巷道破壞情況提出了相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，用以維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定；王波等論述了地應(yīng)力分布狀態(tài)對(duì)巷道破壞的影響；劉泉聲等通過(guò)對(duì)淮南礦區(qū)12個(gè)礦井中的19個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，初步得出了三向應(yīng)力大小、側(cè)壓比等參數(shù)隨埋深的變化規(guī)律。

上述研究對(duì)地應(yīng)力的分布特點(diǎn)及對(duì)巷道支護(hù)影響方面的研究取得了豐富的研究成果，指導(dǎo)了大量工程實(shí)踐。但由于深部采掘過(guò)程中，巷道圍巖所處地應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜多變，不同應(yīng)力狀態(tài)下巷道圍巖變形破壞特征各異，尤其是水平應(yīng)力場(chǎng)影響作用顯著，充分了解不同水平應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道變形破壞的影響，才能實(shí)現(xiàn)深部軟巖巷道的穩(wěn)定支護(hù)，但這方面內(nèi)容研究成果較少。本文針對(duì)淮南礦區(qū)復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行了調(diào)研分析，并對(duì)不同水平應(yīng)力環(huán)境下巷道變形破壞特征進(jìn)行了模擬分析，以便揭示不同水平應(yīng)力條件下深部軟巖巷道應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、破壞場(chǎng)的變化特征和演化規(guī)律?；诨茨系V區(qū)最大主應(yīng)力主導(dǎo)的巷道變形破壞這一特征，提出了優(yōu)化支護(hù)方案，并應(yīng)用于謝橋煤礦，取得了良好的工程應(yīng)用效果，為類似地質(zhì)條件下巷道圍巖的穩(wěn)定支護(hù)提供了借鑒。

1 淮南礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律

以往一些學(xué)者對(duì)淮南礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律開(kāi)展過(guò)大量的研究工作，但由于研究數(shù)據(jù)較少，并不能從整體上反映出淮南礦區(qū)原巖應(yīng)力場(chǎng)的分布特征。因此，本文在查閱大量文獻(xiàn)、資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來(lái)礦區(qū)在新建礦井中積累的數(shù)據(jù)，最終得到淮南礦區(qū)10個(gè)礦井深部地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 淮南礦區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由表1可知，上述地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)律性，可采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析，進(jìn)而得到淮南礦區(qū)各測(cè)點(diǎn)最大、最小水平主應(yīng)力以及垂直主應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律，如圖1所示。

由圖1可知，礦區(qū)絕大部分測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，而垂直主應(yīng)力為中間主應(yīng)力，三向應(yīng)力大小差異較大，并均隨埋深的增加而增大。其中，與最大水平主應(yīng)力相比，垂直主應(yīng)力和最小主應(yīng)力增速均較快，但隨著埋深的增加其離散性逐漸增強(qiáng)；而最大水平主應(yīng)力線性相關(guān)性較強(qiáng)。因此可知，淮南礦區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力場(chǎng)為主導(dǎo)，且礦區(qū)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力值主要介于15～28 MPa之間，水平應(yīng)力大小屬于中等偏上水平；礦區(qū)最大水平主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力，從而進(jìn)一步表明淮南礦區(qū)深部地應(yīng)力場(chǎng)總體上以水平應(yīng)力為主。

基于上述分析，本文對(duì)淮南礦區(qū)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，以期得到不同水平應(yīng)力場(chǎng)條件下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、破壞場(chǎng)的變化規(guī)律，為指導(dǎo)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定支護(hù)提供依據(jù)。

圖1 淮南礦區(qū)地應(yīng)力與深度的關(guān)系

2 工程概況及模擬方案

2.1 工程地質(zhì)概況

謝橋煤礦位于潘謝礦區(qū)西部井田，礦井位于淮南復(fù)向斜中部，陳橋背斜南翼、謝橋向斜北翼，整體為東西走向、向南傾斜的單斜構(gòu)造，地層緩傾斜，斷層不發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。謝橋煤礦可采煤層賦存穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本文所研究的11316運(yùn)輸巷位于6#煤層，平均厚度約3.2 m，傾角10°，巷道平均埋深620 m，沿6#煤底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面為矩形，凈尺寸為4600 mm×3200 mm。具體煤巖層參數(shù)如圖2所示。

圖2 6#煤層綜合柱狀圖

2.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)謝橋煤礦煤巖層柱狀圖及地質(zhì)條件，本文采用FLAC3D建立了深部軟巖巷道支護(hù)模型。模型尺寸為60 m×80 m×48 m，模型節(jié)點(diǎn)310023個(gè)，模型單元總數(shù)為295680。假設(shè)模擬各巖層均質(zhì)，各向同性，選用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行運(yùn)算。由于所研究的淮南礦區(qū)應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，水平主應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)，因此為了研究不同水平應(yīng)力場(chǎng)條件下巷道應(yīng)力演化規(guī)律和圍巖變形破壞特征，取不同的側(cè)壓系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，本文所選的側(cè)壓系數(shù)λ分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4和1.6。模型構(gòu)建及應(yīng)力施加如圖3所示。

圖3 巷道數(shù)值模擬計(jì)算模型

3 水平應(yīng)力場(chǎng)作用下巷道圍巖力學(xué)特征分析

3.1 不同構(gòu)造應(yīng)力下巷道圍巖應(yīng)力分布

不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖最大主應(yīng)力場(chǎng)分布如圖4所示。由圖4可知，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道圍巖應(yīng)力集中程度不斷變化，λ<1.0時(shí)，隨著巷道開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，圍巖應(yīng)力重新分布，水平主應(yīng)力集中明顯高于垂直主應(yīng)力，說(shuō)明受采掘影響，垂直主應(yīng)力向水平方向轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致水平主應(yīng)力的增加；λ>1.0時(shí)，圍巖主應(yīng)力逐漸向巷道頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，且應(yīng)力集中程度增大；λ=1.6時(shí)，最大主應(yīng)力達(dá)32 MPa。這表明，水平主應(yīng)力占主導(dǎo)地位后，極易導(dǎo)致巷道圍巖頂?shù)装鍛?yīng)力集中，且集中程度隨著水平應(yīng)力的增加而不斷加劇。

3.2 不同構(gòu)造應(yīng)力下巷道圍巖位移場(chǎng)特征

不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖位移云圖如圖5所示。由圖5可知，λ=0.6時(shí)，巷道頂板下沉量為180 mm，底板底鼓量為180 mm，且變形范圍較小，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，頂?shù)装遄冃瘟吭龃?，變形范圍明顯增加；λ>1.0時(shí)，頂板變形增加幅度變大，逐漸達(dá)到1000 mm，甚至更大，巷道嚴(yán)重失穩(wěn)變形，相對(duì)頂板變形，底板底鼓收斂變形增加幅度較小；λ=1.6時(shí)，巷道底鼓量為400 mm，相較于λ=0.6時(shí)的巷道底鼓量，增幅為122%，而巷道頂板下沉量增幅則為789%。由此可見(jiàn)，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，即水平主應(yīng)力的增加，對(duì)巷道頂板巖層的運(yùn)移有較大影響。

圖4 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖最大主應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖5 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖位移云圖

不同側(cè)壓系數(shù)下巷道收斂變形曲線如圖6所示。由圖6可知，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道圍巖收斂變形不斷增加，其中底板底鼓量增加量最小，僅220 mm，幫部移近量次之，為1143 mm，頂板下沉量增幅最大，為1420 mm，且λ>1.2后，巷道頂板下沉量急劇增加，說(shuō)明巷道圍巖變形嚴(yán)重，圍巖控制難度增加。

3.3 不同水平應(yīng)力下巷道圍巖破壞場(chǎng)特征

不同側(cè)壓系數(shù)下巷道破壞示意圖如圖7所示。

由圖7可知，λ=0.6時(shí)，巷道圍巖發(fā)生塑性破壞，但破壞范圍整體較小，破壞區(qū)集中于巷道兩幫，底板破壞區(qū)范圍較??；隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道圍巖破壞范圍緩慢增加，由兩幫破壞嚴(yán)重逐漸變?yōu)轫數(shù)装遄冃纹茐募觿?，但破壞以兩幫破壞為主；?1.0時(shí)，巷道頂板兩肩及兩底角位置出現(xiàn)破壞區(qū)擴(kuò)大現(xiàn)象，頂?shù)装逅苄云茐姆秶粩嘣黾?；隨著側(cè)壓系數(shù)的進(jìn)一步增大，巷道圍巖出現(xiàn)大范圍變形破壞，且破壞集中于頂?shù)装澹沪?1.6時(shí)，頂板破壞范圍為6.1 m，底板破壞范圍為5.2 m，幫部破壞范圍2.9 m。由此可見(jiàn)，側(cè)壓系數(shù)的增大，加劇了巷道圍巖塑性破壞，且對(duì)頂?shù)装迤茐牡挠绊懜蟆?/p>

圖6 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖收斂變形曲線

圖7 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道破壞圖

綜合對(duì)比巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和破壞場(chǎng)的力學(xué)特征分析可知，隨著側(cè)壓系數(shù)的不斷增加，巷道圍巖主應(yīng)力集中程度逐漸由巷道兩幫向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，進(jìn)而造成巷道頂板下沉、底鼓嚴(yán)重，頂?shù)装逅苄云茐牟粩嗉觿〉痊F(xiàn)象的產(chǎn)生，巷道圍巖破壞范圍的增大勢(shì)必造成巷道支護(hù)困難，進(jìn)一步揭示了煤礦巷道進(jìn)入深部采掘后，由于水平應(yīng)力場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位后，巷道變形破壞嚴(yán)重、難以支護(hù)的根本原因。

4 工程實(shí)踐

4.1 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

巷道原有支護(hù)方案采用錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿規(guī)格?20 mm×2000 mm，頂部5根錨桿間排距1000 mm×800 mm，幫部3根錨桿間排距為1000 mm×800 mm，頂部2根錨索規(guī)格?17.8 mm×6000 mm，間排距為3000 mm×2400 mm，掘巷期間受開(kāi)挖擾動(dòng)影響，巷道出現(xiàn)片幫、掉頂，巷道變形破壞嚴(yán)重，且以頂板下沉及片幫嚴(yán)重為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，11316運(yùn)輸巷自掘進(jìn)至50 m范圍內(nèi)，錨桿破斷約60根，破斷率達(dá)1.2根/m，錨索破斷失效10根，破斷率0.17根/m，錨桿索的失效，使巷道支護(hù)安全性降低，難以滿足正常生產(chǎn)的需要。

分析11316運(yùn)輸巷所處的應(yīng)力環(huán)境可知，巷道水平應(yīng)力約為19.8 MPa，垂直應(yīng)力為16.5 MPa，側(cè)壓系數(shù)達(dá)1.2。由側(cè)壓系數(shù)影響分析可知，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道圍巖應(yīng)力集中程度逐漸向頂?shù)装逡平?，從而造成頂?shù)装遄冃纹茐膰?yán)重的現(xiàn)象，與該巷道變形破壞一致，因此采用高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿及超長(zhǎng)錨索進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)，達(dá)到控制圍巖變形的目的。

優(yōu)化方案如下：考慮巷道頂板下沉嚴(yán)重，將頂板及幫部錨桿選型改為?22 mm×2400 mm，頂錨桿間排距改為800 mm×800 mm，幫錨桿間排距改為800 mm×800 mm，且底部第一根錨桿距底板距離400 mm，與水平方向成30°夾角斜向下打入，其余3根水平布置。頂板布置型號(hào)?22mm×8000 mm的錨索3根，間排距為1400 mm×2400 mm，優(yōu)化前后的支護(hù)方案如圖8所示。

4.2 應(yīng)用效果分析

對(duì)11316運(yùn)輸巷未支護(hù)、原有支護(hù)以及優(yōu)化支護(hù)3種條件下巷道圍巖變形進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出不同支護(hù)方案下巷道圍巖變形情況，如圖9所示。

圖8 優(yōu)化前后的支護(hù)方案示意圖

圖9 不同支護(hù)方案圍巖收斂變形圖

由圖9可知，采用等強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿及高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道圍巖變形有了明顯改變，采用優(yōu)化支護(hù)方案后巷道頂板下沉量為183 mm，分別比未支護(hù)及原有支護(hù)方案下減少了65.1%和46.3%，支護(hù)效果明顯，將該支護(hù)方案應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，并對(duì)優(yōu)化支護(hù)方案下巷道圍巖變形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)曲線如圖10所示。

由圖10可知，采用等強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿及高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索優(yōu)化支護(hù)巷道頂板及兩幫底角位置后，巷道圍巖收斂變形有了明顯改善，在監(jiān)測(cè)初期巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃嗡俾瘦^大，變形量達(dá)到總監(jiān)測(cè)變形量的80%，后期變形量減小，變形速率降低，說(shuō)明該方案起到了較好支護(hù)效果。因此加強(qiáng)巷道頂板及幫部底角的支護(hù)，可以有效實(shí)現(xiàn)高水平應(yīng)力環(huán)境下巷道圍巖的穩(wěn)定支護(hù)。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)巷道變形曲線圖

5 結(jié)論

(1)基于淮南礦區(qū)原巖應(yīng)力場(chǎng)以水平主應(yīng)力占主導(dǎo)地位的應(yīng)力分布規(guī)律，通過(guò)模擬分析不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、破壞場(chǎng)的分布特征，揭示了巷道圍巖變形破壞隨側(cè)壓系數(shù)的變化規(guī)律，即隨著的增大，巷道圍巖應(yīng)力集中由兩幫逐漸向頂?shù)装逡平?，從而加劇了巷道頂?shù)装逅苄云茐摹㈨數(shù)装遄冃蝿×业痊F(xiàn)象。

(2)采用數(shù)值模擬分析了不同支護(hù)方案下謝橋煤礦11316運(yùn)輸巷圍巖變形情況，并提出了等強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿及高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索的優(yōu)化支護(hù)方案。

(3)將優(yōu)化支護(hù)方案應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，巷道圍巖收斂變形有了顯著改善，加強(qiáng)巷道頂板及幫部底角的支護(hù)，可實(shí)現(xiàn)高水平應(yīng)力環(huán)境下巷道圍巖的有效支護(hù)。

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