基于壓力拱理論破碎圍巖巷道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)研究

楊皓博 李仕牧 王 帥 張依賢 呂兆海 涂智凌

(1.陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西省彬州市，713500； 2.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西省彬州市，713500； 3.陜西彬長文家坡礦業(yè)有限公司，陜西省彬州市，713500； 4.國家能源寧夏煤業(yè)集團(tuán)公司，寧夏自治區(qū)銀川市，750011)

破碎圍巖巷道失穩(wěn)與卸荷極易誘發(fā)掘進(jìn)工作面巖體大范圍冒落，甚至導(dǎo)致圍巖動(dòng)力災(zāi)害，嚴(yán)重制約現(xiàn)場安全高效掘進(jìn)。根據(jù)破碎圍巖巷道地質(zhì)條件，基于壓力拱理論確定“圍巖—支護(hù)”穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，巷道圍巖支護(hù)方式也隨之改變，1907年普氏壓力拱假說只考慮垮落覆巖自重壓力，1942年提出極限平衡拱太基公式，1948年提出卡斯特納計(jì)算公式(考慮極限平衡圍巖支護(hù)強(qiáng)度)。而“圍巖—支護(hù)”控制圍巖穩(wěn)定性觀念的出現(xiàn)，極大發(fā)展了巷道支護(hù)理論，其中主動(dòng)式支護(hù)及充分利用圍巖自重平衡應(yīng)力的錨索聯(lián)合支護(hù)方式尤為突出。錨索聯(lián)合支護(hù)方式極大彌補(bǔ)了最初懸吊理論、組合梁理論和擠壓加固理論，其中圍巖松動(dòng)圈理論對于現(xiàn)場最具指導(dǎo)意義，促使巷道支護(hù)理論和技術(shù)發(fā)展迅速。王曉利等針對無煤柱開采沿空留巷支護(hù)難題，設(shè)計(jì)了柔模支護(hù)技術(shù)方法；閆少宏、尹希文等研究大采高工作面直接頂及基本頂判定方法和支架工作阻力量化計(jì)算過程，剖析了巷道頂板易形成“短懸臂梁-鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)；伍永平等給出了“支架-圍巖”穩(wěn)定性關(guān)系判斷標(biāo)準(zhǔn)；韓玉明等使用超前預(yù)注漿加固技術(shù)，有效減緩巷道圍巖受開采擾動(dòng)影響，為動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。針對上述問題，本文緊繞巷道圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，以小莊煤礦巷道圍巖頂板為研究對象，基于壓力拱理論、數(shù)值計(jì)算及結(jié)合工程現(xiàn)場監(jiān)測等綜合探究方法，開展巷道圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的機(jī)理研究，提出控制對策，對相關(guān)技術(shù)研究及現(xiàn)場應(yīng)用具有借鑒意義。

1 工程概況

陜西彬長小莊煤礦井底車場37-38段巷道長度412.31 m，巷道寬度5.2 m，巷道墻高2.0 m，拱部高2.23 m，總凈高4.23 m。巷道穿越煤巷、半煤半巖巷和全巖巷地質(zhì)區(qū)段，穿越延安組下段、中段和富縣組下段；巷道所穿越的4#煤層厚0～5.5 m，煤層傾角3°～5°，煤層結(jié)構(gòu)屬塊狀、內(nèi)生節(jié)理發(fā)育裂隙。偽頂是砂質(zhì)泥巖，夾細(xì)粒砂巖條帶，具有波狀型層理結(jié)構(gòu)，含碳質(zhì)條帶和植物化石，偽頂厚度0.85 m；直接頂為淺灰色細(xì)粒砂巖，夾粗砂巖薄層，含植物化石級黃鐵礦結(jié)核，巖性堅(jiān)硬，直接頂厚度是2.85 m，普氏系數(shù)f=3.5；老頂為灰白色粗粒砂巖，含鏡煤條帶、分選較好、鈣質(zhì)膠結(jié)，老頂巖性堅(jiān)硬，無層理結(jié)構(gòu)裂隙，老頂厚度為5.20 m，普氏系數(shù)f=4.5；直接底為灰褐色鋁質(zhì)泥巖，含粉砂巖，巖層顯層理裂隙較少，底部含植物根系化石，巖性緊密、較堅(jiān)硬，厚度為1.26 m；老底為灰褐色鋁質(zhì)泥巖，具有近似水平紋理特征，含鐵質(zhì)微粒，夾鐵質(zhì)結(jié)核層，顏色褐紅且比重大，老底巖性堅(jiān)硬，普氏系數(shù)f=6。

2 基于壓力拱理論巷道圍巖應(yīng)力分析

2.1 巷道壓力拱圍巖應(yīng)力分布

通過借鑒普氏拱理論計(jì)算巷道壓力拱分布范圍，先根據(jù)壓力拱方程確定巷道頂部壓力拱破壞高度，得出拱頂?shù)捷S線距離。以矩形巷道為研究對象，假設(shè)頂板自然平衡拱軸線是一條二次曲線，假定矩形拱左右兩側(cè)巖體是均質(zhì)、各向同性、線彈性和無蠕變或黏性行為，而且?guī)r體原始應(yīng)力為各向等壓(靜水壓力)狀態(tài)，巷道無限長，巖體性質(zhì)不變，從而采用平面方法研究該問題。巷道壓力拱圍巖應(yīng)力分布見圖1、2。

圖1 巷道荷載-結(jié)構(gòu)模式

圖2 巷道壓力拱圍巖應(yīng)力分布

拱形曲線任取一點(diǎn)M(x，y)，即ΣM=0(軸向應(yīng)力存在，剪切應(yīng)力和彎矩消失)。拱頂截面的水平推力為：

(1)

式中：Ty——拱頂截面的水平推力，kN；

q——拱頂均布荷載，MPa；

當(dāng)拱頂?shù)乃酵屏y等于拱腳的水平推力T′時(shí)，得出：

T′≤qaf

(2)

式中：T′——拱腳的水平推力，kN；

f——頂板內(nèi)摩擦系數(shù)；

a——巷道半寬，m。

將T′帶入式(1)中可得：

(3)

當(dāng)巷道兩幫圍巖穩(wěn)定時(shí)，x=a，頂板平衡拱高度為：

(4)

式中：b——頂板高度，m。

2.2 巷道支護(hù)關(guān)鍵區(qū)演化

根據(jù)黃慶享教授自穩(wěn)平衡圈理論，實(shí)際工程中巷道存在不同程度的底鼓現(xiàn)象，這一現(xiàn)象對巷道兩幫極為不利，影響頂板圍巖穩(wěn)定性，因而頂?shù)装?、兩幫巷道變形相互受牽，可視為一個(gè)整體。巷道支護(hù)關(guān)鍵區(qū)如圖3所示。頂板覆巖的垮落受頂板和兩幫直接影響，頂板垮塌區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)高度及支護(hù)穩(wěn)定性均受其影響，其中，幫—底和頂—幫結(jié)合處(圖2中A、B、C、D處)受力、覆巖形變量和支護(hù)難度最大，該區(qū)是破碎圍巖巷道支護(hù)控制關(guān)鍵區(qū)。實(shí)際支護(hù)過程中，巖體擠壓承載力必須和錨桿長度相適應(yīng)，其中組合拱對于錨桿支護(hù)條件最高，需按照設(shè)計(jì)支護(hù)。圍巖擠壓應(yīng)力由錨索支護(hù)控制區(qū)提供，其中支護(hù)長度依據(jù)現(xiàn)場壓力拱高度確定。

圖3 巷道支護(hù)關(guān)鍵區(qū)演化

3 破碎圍巖巷道變形特征數(shù)值計(jì)算

基于壓力拱理論巷道圍巖應(yīng)力分析結(jié)果，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)彈塑性本構(gòu)模型和摩爾—庫侖破壞準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)左右邊界30 m，模型寬200 m、高200 m、長300 m。模型底端設(shè)為固定邊界，水平和豎向位置固定，4個(gè)側(cè)面設(shè)為滾軸邊界，以限制水平位移，模型上部施加垂直荷載以模擬上覆巖層重量。基于試驗(yàn)巷道圍巖工程地質(zhì)狀況，選取巖性較差的砂質(zhì)泥巖進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算分析。

3.1 破碎圍巖巷道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)應(yīng)力分布特征

由于地質(zhì)、巷道幾何性質(zhì)等均沿巷道走向中垂面對稱，故垂直應(yīng)力場也表現(xiàn)出十分理想的對稱現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在：頂板應(yīng)力釋放范圍逐漸由中部向高幫方向移動(dòng)，右?guī)图袘?yīng)力逐漸消失。矩形巷道開挖計(jì)算平衡后，圍巖水平應(yīng)力場仍然沿巷道走向中垂面對稱，隨著巷道幾何形狀和地質(zhì)條件不對稱性加劇，圍巖水平應(yīng)力場也顯現(xiàn)出不對稱分布，隨著傾角的增加，頂板應(yīng)力釋放程度降低，但影響范圍逐漸增加。巷道垂直和水平應(yīng)力場分布云見圖4。

圖4 巷道應(yīng)力場分布云圖

3.2 破碎圍巖巷道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)覆巖變形規(guī)律

煤層中矩形巷道開挖計(jì)算平衡后，垂直位移場仍然保持著較好的對稱性，頂板、底板中部變形最大，主要變形部位在頂?shù)装宓恼戏交蛘路剑匦蜗锏佬边厓A斜程度加劇，頂板下沉量逐漸向低幫上部擴(kuò)展，底板隆起變形的分布范圍基本保持不變。巖層中矩形巷道開挖后，水平位移也基本呈對稱分布，主要分布在兩幫中部。需要注意的是，在兩幫外側(cè)3.0 m處附近煤體出現(xiàn)了背向鄰空面的水平位移，由于巷道開挖后，頂板發(fā)生塑性破壞，實(shí)際工程中，該部分破壞煤巖體無支護(hù)時(shí)必然下落形成冒落拱，由于軟件是連續(xù)介質(zhì)模型，發(fā)生破壞的單元不會(huì)下墜而消失，但計(jì)算數(shù)據(jù)中，形拱結(jié)構(gòu)依舊存在。巷道位移分布云圖見圖5。

圖5 巷道位移分布云圖

3.3 破碎圍巖巷道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)塑性區(qū)分布及變形表征

數(shù)值計(jì)算中輸入的破壞區(qū)分布數(shù)據(jù)均賦予相對時(shí)間概念，同時(shí)覆巖破壞分為剪切、拉伸破壞兩類形式的相互組合，覆巖破壞形式總共可以劃分為5種破壞形式。掘進(jìn)尺度和層位的變化導(dǎo)致塑性區(qū)的破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，逐漸打破巖層平衡狀態(tài)。巷道圍巖破壞范圍主要分布在頂板、底板、低幫、高幫和低幫頂角5個(gè)區(qū)域。巷道塑性破壞見圖6。

隨著巷道掘進(jìn)的持續(xù)推入，覆巖巖層發(fā)生垮落和失穩(wěn)現(xiàn)象，頂板處沉降量最大、破壞區(qū)范圍最廣，巷道經(jīng)支護(hù)后，頂?shù)装鍙椝苄杂绊懛秶鷾p小，圍巖穩(wěn)定性得到有效提升。支護(hù)后沉降量平均較未支護(hù)狀態(tài)下巷道沉降量平均降低50%，應(yīng)力峰值減小且呈線性分布。掘進(jìn)擾動(dòng)作用下的頂板更容易發(fā)生失穩(wěn)，巷道支護(hù)能夠有效阻礙覆巖頂、底板運(yùn)移，圍巖穩(wěn)定性得到有效控制。

圖6 巷道塑性破壞分布圖

4 工程現(xiàn)場監(jiān)測

針對巷道圍巖破碎程度及范圍特點(diǎn)，選用專業(yè)高速地質(zhì)雷達(dá)光譜地磁技術(shù)進(jìn)行探測，對支護(hù)作用下巷道進(jìn)行掃描，分析巷道圍巖松動(dòng)范圍，為多斷層條件下破碎圍巖巷道的聯(lián)合支護(hù)研究提供依據(jù)。

根據(jù)破碎圍巖巷道地質(zhì)構(gòu)造、圍巖賦存條件及掘進(jìn)模式，為詳細(xì)掌握小莊煤礦巷道圍巖情況，選取井底車場37-38段進(jìn)行監(jiān)測。巷道上幫地質(zhì)雷達(dá)探測分析的結(jié)果顯示，在豎直方向4.0 m、8.0 m及16.0 m范圍處掃描圖顏色有所改變，反射率增加，說明該處所探測范圍內(nèi)存在明顯的破壞區(qū)與完整區(qū)的分界面。處于界面位置處的雷達(dá)反射波接收信號強(qiáng)烈，同相軸呈均勻的近水平直線，在4.0 m和8.0 m處，該地質(zhì)雷達(dá)反射能量異?；钴S，反射速度由高轉(zhuǎn)低，相對介電常數(shù)反而由小變大，反射波所攜帶能量加強(qiáng)，反映出該地質(zhì)區(qū)域內(nèi)巖體松散，由此得出松動(dòng)圈為1.4 m，垂深1.4～4.0 m范圍是塑性范圍，垂深4.0～7.5 m范圍為彈性區(qū)。根據(jù)巷道地質(zhì)構(gòu)造、圍巖賦存條件及掘進(jìn)模式從地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測圖中可以清楚地看出在垂向8.0 m以下掃描圖顏色有所改變，反射率增加，說明該處所探測范圍內(nèi)存在明顯的破壞區(qū)與完整區(qū)的分界面，該特殊地質(zhì)區(qū)段范圍內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射波分布勻稱、振幅適中，推斷巖層結(jié)構(gòu)較完整、管片支護(hù)效果良好、達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。巷道監(jiān)測掃描特征如圖7所示。

圖7 巷道監(jiān)測掃描特征

通過依靠地質(zhì)雷達(dá)高精密掃描儀器對巷道的連續(xù)、密實(shí)程度進(jìn)行掃描，確保支護(hù)范圍內(nèi)圍巖緊密連續(xù)，支護(hù)效果滿足要求。

5 結(jié)論

(1)基于壓力拱理論巷道圍巖應(yīng)力分析，得出巷道破壞變化趨勢由底板破壞引誘兩幫破壞，兩幫結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞引起頂板破壞加劇。

(2)通過數(shù)值計(jì)算對破碎圍巖巷道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)巖層在空間演化特征做出分析。支護(hù)后沉降量平均較未支護(hù)狀態(tài)下巷道沉降量降低50%，應(yīng)力峰值減小且呈線性分布。掘進(jìn)擾動(dòng)作用下的頂板更容易發(fā)生失穩(wěn)，巷道支護(hù)能夠有效阻礙覆巖頂、底板運(yùn)移，圍巖穩(wěn)定性得到有效控制。

(3)隨著掘進(jìn)尺度和層位的變化導(dǎo)致塑性區(qū)的破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，逐漸打破巖層平衡狀態(tài)，直至形成拱狀自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，使巷道圍巖保持平衡狀態(tài)。

(4)針對巷道圍巖破碎程度及范圍特點(diǎn)，選用專業(yè)高速地質(zhì)雷達(dá)光譜地磁技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場探測，得出松動(dòng)圈為1.4 m，垂深1.4～4.0 m范圍是塑性范圍，垂深4.0 m～7.5 m范圍為彈性區(qū)。