深部沿空掘巷圍巖偏應(yīng)力演化與控制

謝生榮，潘 浩

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

沿空掘巷具有減少煤柱損失，提高回采率，保障礦井采掘接替等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于回采巷道[1]。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)沿空掘巷圍巖變形破壞與控制方面做了大量研究，并取得諸多成果。侯朝炯等[2]分析了沿空掘巷在掘巷期及回采過(guò)程中圍巖大、小結(jié)構(gòu)的變形破壞特征。柏建彪等[3]認(rèn)為沿空掘巷中高強(qiáng)度錨桿支護(hù)的窄煤柱是其圍巖承載結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。李學(xué)華等[4]采用數(shù)值模擬研究了不同因素對(duì)窄煤柱變形破壞的影響，得出窄煤柱的寬高比對(duì)沿空掘巷圍巖變形影響最大。張煒等[5]建立了孤島面窄煤柱沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，揭示其沿空掘巷圍巖控制機(jī)理。謝生榮等[6]模擬分析了沿空掘巷圍巖主應(yīng)力差與塑性區(qū)的響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)深井沿空掘巷圍巖控制。周鋼等[7]采用實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的方法分析了沿空掘巷在掘進(jìn)及回采過(guò)程中的變形演化機(jī)理，提出了沿空掘巷非對(duì)稱支護(hù)方案。于洋等[8]采用數(shù)值計(jì)算等方法對(duì)迎采動(dòng)工作面沿空掘巷上覆巖層運(yùn)動(dòng)及圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行分析，得出沿空掘巷階段巷道圍巖變形量與巷道掘進(jìn)距呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

上述研究對(duì)沿空掘巷的圍巖控制提供了很好的借鑒作用，但對(duì)深部充填工作面沿空掘巷圍巖變形破壞及控制研究較少，且這些成果多以垂直應(yīng)力或水平應(yīng)力作為研究依據(jù)。因此，本文以能表征圍巖變形破壞本質(zhì)的最大主偏應(yīng)力為衡量指標(biāo)[9-10]，研究邢東礦深部高水充填工作面下沿空掘巷的圍巖應(yīng)力及變形破壞機(jī)制，并探討不同采高時(shí)巷道圍巖的偏應(yīng)力演化規(guī)律及塑性區(qū)響應(yīng)特征，據(jù)此提出巷道穩(wěn)定性支護(hù)方案，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。

1 工程概況

邢東礦1128高水充填工作面位于-760水平一采區(qū)，其地面標(biāo)高+56～+58 m，工作面煤層標(biāo)高-740～-850 m，走向長(zhǎng)約696 m，傾斜長(zhǎng)約60.5 m，主采2號(hào)煤層。1128工作面的煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角為6～12°，煤層平均厚度4.5 m，直接頂為5 m厚的粉砂巖，基本頂為8.0 m厚的細(xì)砂巖，底板為富含根部化石的細(xì)砂巖。1128高水充填面的臨近工作面運(yùn)輸巷將作為沿空掘巷，且礦方只預(yù)留5 m寬煤柱，其巷道尺寸為5 m×3.5 m(寬×高)，沿2號(hào)煤頂板掘進(jìn)。運(yùn)輸巷為高水充填工作面條件下的沿空掘巷，且整個(gè)采區(qū)不同工作面煤層厚度亦有不同。

2 深部充填開(kāi)采沿空掘巷圍巖變形破壞模擬分析

根據(jù)現(xiàn)有研究表明，巷道圍巖破壞是由于巷道開(kāi)挖后，巷道圍巖的某個(gè)方向原巖應(yīng)力卸掉，導(dǎo)致圍巖受力狀態(tài)發(fā)生改變，從三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閮上蛏踔羻蜗驊?yīng)力狀態(tài)，圍巖單元體處于偏應(yīng)力狀態(tài)[11-13]。因此，塑性變形的發(fā)生與發(fā)展主要是由偏應(yīng)力決定的，圍巖應(yīng)力是球應(yīng)力和偏應(yīng)力的疊加，偏應(yīng)力能控制巖體的破壞，對(duì)巖石塑性破壞的影響有重要意義。設(shè)主應(yīng)力σi(i=1，2，3)，且σ1≥σ2≥σ3，則圍巖中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)表示為式(1)。

(1)

式中：等式右邊第1項(xiàng)是球應(yīng)力，即p=(σ1+σ2+σ3)/3，其作用是導(dǎo)致一微元體積的改變，但形狀不變；等式右邊第2項(xiàng)是偏應(yīng)力，其作用是導(dǎo)致一微元形狀改變，但體積不改變。σ1-p稱為主偏應(yīng)力，即為最大主偏應(yīng)力s1。在應(yīng)力張量中對(duì)圍巖變形起實(shí)質(zhì)作用的就是最大主偏應(yīng)力，本文將其作為衡量巷道圍巖破壞的指標(biāo)，其計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

(2)

2.1 沿空掘巷數(shù)值模型的建立

模擬對(duì)象為2128高水充填工作面和21210運(yùn)輸巷，模型尺寸為140 m×100 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)，見(jiàn)圖1。采用Mohr-Coulomb模型，左部、右部和底部為位移邊界，頂部為應(yīng)力邊界，施加載荷20 MPa，側(cè)壓系數(shù)取1.25，巖層容重為25 kg/m3。模擬方案為：保持煤層頂?shù)装鍘r層參數(shù)和高水材料充填參數(shù)(除充填高度)不變，分別建立采高3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m以及5.0 m的數(shù)值模型，并在21210運(yùn)輸巷煤柱側(cè)及實(shí)體煤幫側(cè)各布置一條測(cè)線。

2.2 深部沿空掘巷圍巖偏應(yīng)力分布特征

不同采高時(shí)深部充填工作面沿空掘巷圍巖最大主偏應(yīng)力云圖見(jiàn)圖2。由圖2可知：①不同采高時(shí)，其巷道圍巖偏應(yīng)力云圖分布形態(tài)基本一致，在巷道煤柱幫部(左側(cè))3.0～4.0 m范圍內(nèi)存在一偏應(yīng)力峰值區(qū)，實(shí)體煤幫(右側(cè))2.5～3.5 m范圍內(nèi)存有“月牙狀”偏應(yīng)力峰值帶，巷道圍巖的左下側(cè)、左上側(cè)分別有一“同心圓式”偏應(yīng)力低值區(qū)；②不同采高時(shí)，巷道頂板1.5 m范圍內(nèi)，偏應(yīng)力均呈勻速遞增趨勢(shì)，且分布均勻，在1.5 m之外至深部巖層中，頂板偏應(yīng)力呈不規(guī)則分布，其左側(cè)頂板(占頂板長(zhǎng)度的1/4)呈先減小后增大的趨勢(shì)，右側(cè)頂板(占頂板長(zhǎng)度的3/4)呈先增大后減小的趨勢(shì)；③隨著采高的增大，巷道煤柱幫部的偏應(yīng)力峰值區(qū)逐漸減小，且有上移的趨勢(shì)，而峰值逐漸衰減，實(shí)體煤幫的“月牙狀”峰值帶有向右上側(cè)擴(kuò)展的趨勢(shì)，且其峰值帶內(nèi)的極值區(qū)也逐漸增大，并有下移現(xiàn)象；④隨著采高的增大，巷道圍巖左下側(cè)的“同心圓式”低值區(qū)基本無(wú)變化，而左上側(cè)低值區(qū)內(nèi)的最小值逐漸增大。

不同采高時(shí)沿空掘巷兩幫最大主偏應(yīng)力演化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3(a)可知：①深部充填工作面沿空掘巷煤柱幫部的偏應(yīng)力呈斜“?！毙头植?，其由淺到深呈現(xiàn)出先勻速、快速增長(zhǎng)至峰值，而后快速下降至8.1 MPa左右的趨勢(shì)(到煤柱邊界)；②不同采高時(shí)，在煤柱幫淺部0～1.5 m范圍內(nèi)，同一位置的偏應(yīng)力值基本一致，且保持勻速增長(zhǎng)； ③1.5～5.0 m范圍內(nèi)，同一位置的偏應(yīng)力隨著采高的增大而減小，且在峰值處其偏應(yīng)力的差值達(dá)到最大。由圖3(b)可知：①深部充填工作面沿空掘巷實(shí)體煤幫偏應(yīng)力由淺部至深部，呈現(xiàn)出急速增長(zhǎng)至峰值，而后以負(fù)指數(shù)形式快速衰減，直至趨于穩(wěn)定的過(guò)程；②實(shí)體煤幫0～3.0 m范圍內(nèi)(急速增長(zhǎng)區(qū)域)，其同一位置的偏應(yīng)力值不隨采高的增大而變化， 在3.0～12.0 m范圍內(nèi)(衰減區(qū)域)，同一位置的偏應(yīng)力隨著采高的增大微量增加，在12.0 m范圍以外，隨著采高的增加其偏應(yīng)力基本趨于恒定。

圖1 數(shù)值模型及巷道布置

圖2 不同采高時(shí)沿空掘巷圍巖偏應(yīng)力云圖

圖3 不同采高時(shí)沿空掘巷兩幫偏應(yīng)力演化特征

2.3 深部沿空掘巷圍巖塑性區(qū)分布特征

不同采高時(shí)深部充填工作面沿空掘巷圍巖塑性區(qū)分布特征見(jiàn)圖4。由圖4可知：①沿空掘巷煤柱幫整體處于塑性狀態(tài)，但其巷道的左上側(cè)、左下側(cè)分別存在“V”型和“Λ”型的彈性區(qū)域，且隨著采高的增大，其彈性區(qū)域基本無(wú)變化，這與圖2的偏應(yīng)力分布特征基本吻合；②頂板塑性區(qū)范圍整體較大，且隨著采高的增大不斷向深部擴(kuò)展，采高由3.0～5.0 m時(shí)，塑性區(qū)深度依次為4.0 m，4.5 m，5.0 m，5.5 m，6.5 m，這亦表明巷道頂板塑性區(qū)的擴(kuò)展與巷道“月牙狀”峰值帶的分布密切相關(guān)；③隨著采高的增大，沿空掘巷實(shí)體煤側(cè)和底板的塑性區(qū)破壞深度基本保持在3.5 m和3.0 m，而塑性區(qū)范圍有向右下側(cè)擴(kuò)展的趨勢(shì)。

圖4 不同采高時(shí)沿空掘巷圍巖塑性區(qū)分布

根據(jù)上述分析，深部沿空掘巷開(kāi)挖后引起的偏應(yīng)力在16 MPa左右，其頂板的卸壓范圍達(dá)5.0 m(塑性區(qū)4.0～6.5 m)，實(shí)體煤幫的卸壓范圍也在3.5 m左右(塑性區(qū)3.5 m)。巷道圍巖偏應(yīng)力的分布特征將影響塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)律，即高偏應(yīng)力引起圍巖發(fā)生大范圍剪切破壞，致使圍巖變形錯(cuò)動(dòng)，支護(hù)不合理時(shí)將造成巷道頂板冒落和垮幫等現(xiàn)象。因此，基于偏應(yīng)力分布特征結(jié)合塑性區(qū)分布規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)巷道圍巖支護(hù)將是控制圍巖變形破壞行之有效的方法。

3 深部充填開(kāi)采沿空巷道圍巖控制機(jī)理與技術(shù)

3.1 頂板深淺承載結(jié)構(gòu)的支護(hù)機(jī)理與技術(shù)

高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿可在圍巖淺部形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，控制圍巖的離層、滑移、裂隙擴(kuò)張，使圍巖處于三向受壓狀態(tài)，保持圍巖的的完整性，增強(qiáng)其承載特性，有效抑制圍巖拉剪破壞的出現(xiàn)，避免高偏應(yīng)力引起更深層次圍巖的破壞[14-15]。大直徑高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)可顯著增強(qiáng)淺部圍巖完整性，提高錨桿預(yù)應(yīng)力承載能力，并能調(diào)動(dòng)深部圍巖承載特性，形成深淺協(xié)同承載結(jié)構(gòu)[16]。

根據(jù)沿空掘巷頂板偏應(yīng)力的分布特征與塑性區(qū)分布規(guī)律，頂板1.5 m范圍內(nèi)的偏應(yīng)力較低，其承載特性差、破壞嚴(yán)重，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿可提高該部分圍巖的完整性，增強(qiáng)其自穩(wěn)性能。頂板左上側(cè)的偏應(yīng)力較低，且處于彈性狀態(tài)，則可將頂幫角錨桿(索)錨固到該區(qū)域，調(diào)動(dòng)該處圍巖承載特性，共同抵御圍巖變形破壞。巷道右上側(cè)的高偏應(yīng)力區(qū)易造成頂板圍巖進(jìn)一步大變形甚至冒頂。因此，應(yīng)采用大延伸高預(yù)應(yīng)力錨索穿過(guò)高偏應(yīng)力峰值區(qū)，將其錨固到穩(wěn)定巖層中，以抑制偏應(yīng)力進(jìn)一步向更深層次圍巖破壞。結(jié)合邢東礦工程經(jīng)驗(yàn)與數(shù)值模擬，頂板選用Φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×800 mm，Φ22 mm高強(qiáng)錨桿預(yù)緊力范圍應(yīng)為27.4～45.6 kN[17]，每孔分別使用S2360和Z2360數(shù)值錨固劑一卷，配合穹形鋼托盤、Φ14 mm鋼筋梁及Φ6 mm冷拔絲金屬網(wǎng)。選用Φ21.8 mm×8 500 mm大直徑高延伸率錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，五花眼布置，間排距為1 400×1 600 mm，配合2.6 m的14號(hào)槽鋼，并在槽鋼與頂板之間加一個(gè)200 mm×200 mm的鋼托盤，其布置見(jiàn)圖5。

圖5 沿空掘巷圍巖支護(hù)方案

3.2 沿空掘巷兩幫支護(hù)機(jī)理與技術(shù)

隨著開(kāi)采深度的增加，巷道圍巖支護(hù)由控頂支護(hù)為主,逐漸過(guò)渡到頂幫同治、控頂先控幫。巷道兩幫移近量增大，會(huì)加劇頂板的彎曲下沉[18]。因此，在加強(qiáng)頂板承載能力的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)一步強(qiáng)化兩幫承載結(jié)構(gòu)，提高其完整性，達(dá)到幫、頂協(xié)同控制。預(yù)應(yīng)力錨桿配合金屬網(wǎng)及鋼筋梁可加固煤幫表面圍巖，且在圍巖淺部形成連續(xù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)，改變圍巖受力狀態(tài)，限制煤體沿破裂面產(chǎn)生滑移變形，增強(qiáng)淺部圍巖(錨固體)弱面的力學(xué)性能，從而降低圍巖的擠壓膨脹變形[19-20]。預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)用可進(jìn)一步增強(qiáng)其圍巖結(jié)構(gòu)效應(yīng)，并調(diào)動(dòng)圍巖穩(wěn)定區(qū)域巖體共同承載，限制圍巖外移。

由圖3和圖4可知，煤柱幫部已全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，但其仍有一定的承載性能，采用預(yù)應(yīng)力錨桿可在淺部破碎區(qū)域形成連續(xù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)，增強(qiáng)巖體間擠壓力，提高承載特性。實(shí)體煤幫內(nèi)2.5～3.5 m的范圍為偏應(yīng)力峰值帶，那么將錨索錨固到3.5 m范圍外深部穩(wěn)定巖體中，既保障了幫體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，又可抑制高偏應(yīng)力的進(jìn)一步剪切破壞。因此，綜合考慮確定沿空掘巷兩幫采用Φ20 mm×2 100 mm的全螺紋錨桿，間排距700 mm×800 mm，每孔分別使用S2360和Z2360樹(shù)脂錨固劑一卷，并配合穹形鋼托盤、Φ12 mm鋼筋梁及菱形金屬網(wǎng)。在兩幫距頂板1 100 mm和2 200 mm處分別打設(shè)Φ17.8 mm×4 500 mm的鋼絞線錨索，三花眼布置，排距1 600 mm，并配合200 mm×200 mm鋼托盤和Φ14 mm鋼筋梁連鎖(圖5)。

3.3 沿空掘巷圍巖支護(hù)效果分析

為進(jìn)一步了解深部充填工作面沿空掘巷圍巖支護(hù)效果，對(duì)巷道圍巖表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：深部充填工作面沿空掘巷開(kāi)挖后，8 d后頂?shù)装迮c兩幫變形速率開(kāi)始減緩，其中頂?shù)装遄畲笠平俾蕿?7 mm/d，兩幫最大移近速率為15 mm/d；25 d后逐漸趨穩(wěn)，其頂?shù)装遄畲笠平繛?24 mm，兩幫移近量為496 mm，圍巖控制效果良好。

4 結(jié) 論

1) 不同采高時(shí)，其巷道圍巖偏應(yīng)力云圖分布形態(tài)基本一致。在巷道煤柱幫部(左側(cè))3.0～4.0 m范圍內(nèi)有一偏應(yīng)力峰值區(qū)，實(shí)體煤幫(右側(cè))2.5～3.5 m范圍內(nèi)有“月牙狀”偏應(yīng)力峰值帶，巷道圍巖的左下側(cè)、左上側(cè)各有一“同心圓式”偏應(yīng)力低值區(qū)。

2) 深部充填工作面沿空掘巷煤柱幫部的偏應(yīng)力呈斜“?！毙头植迹溆蓽\到深呈現(xiàn)出先勻速,快速增長(zhǎng)至峰值，而后快速下降至8.0 MPa。實(shí)體煤幫偏應(yīng)力由淺部至深部，呈現(xiàn)出急速增長(zhǎng)至峰值，而后以負(fù)指數(shù)形式快速衰減，直至趨于穩(wěn)定的過(guò)程。

3) 深部沿空掘巷開(kāi)挖后引起的偏應(yīng)力在16 MPa左右，其頂板的卸壓范圍達(dá)5.0 m(塑性區(qū)4.0～6.5 m)，實(shí)體煤幫的卸壓范圍也在3.5 m左右(塑性區(qū)3.5 m)。巷道圍巖偏應(yīng)力的分布特征將影響塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)律，即高偏應(yīng)力引起圍巖發(fā)生大范圍剪切破壞，致使圍巖變形錯(cuò)動(dòng)，支護(hù)不合理時(shí)將造成巷道頂板冒落和垮幫等現(xiàn)象。

4) 采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)對(duì)深部充填開(kāi)采工作面沿空掘巷進(jìn)行圍巖控制，圍巖變形量較小，有效維護(hù)了沿空掘巷的圍巖變形，并為不同采高條件下充填開(kāi)采工作面的沿空掘巷圍巖支護(hù)提供參考。