興安礦區(qū)深部地應(yīng)力測(cè)試及支護(hù)方案研究

連鴻全，亢鑫超

(1.黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司， 黑龍江 鶴崗 154100； 2.中國礦業(yè)大學(xué)， 北京 100083)

巷道支護(hù)工程的穩(wěn)定性，主要取決于圍巖強(qiáng)度、巖體應(yīng)力狀態(tài)和支護(hù)體強(qiáng)度。關(guān)于地應(yīng)力測(cè)量及巷道圍巖支護(hù)穩(wěn)定，不同學(xué)者做了大量研究。楊振茂等[1]確立了一種包括“地應(yīng)力測(cè)試—地質(zhì)力學(xué)評(píng)估—初始設(shè)計(jì)—現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)—反饋信息—修改設(shè)計(jì)”的煤巷錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法；針對(duì)高地應(yīng)力條件下的深部軟巖圍巖變形、破壞的特點(diǎn)，康紅普等[2-4]通過采用全斷面高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿與錨索及注漿聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行加固；侯公羽等[5]通過數(shù)值模擬的方法對(duì)深部高地應(yīng)力區(qū)巷道支護(hù)的過程及方案進(jìn)行了優(yōu)化。這些研究成果為類似的深部高地壓測(cè)試及支護(hù)研究奠定了基礎(chǔ)。

興安礦區(qū)開采歷史悠久，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，區(qū)內(nèi)許多礦的開采深度已延伸至500～1 000 m，沖擊地壓以及煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害多次發(fā)生，造成大量人員損傷及設(shè)備損壞。而深部高地應(yīng)力以及采動(dòng)疊加應(yīng)力形成的高應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)量及評(píng)估對(duì)預(yù)防沖擊地壓災(zāi)害以及巷道大變形破壞起到重要作用。因此，對(duì)興安礦區(qū)礦井進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，掌握礦井深部地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬分析進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，為后續(xù)開挖巷道的安全支護(hù)提供參考。

1 工程概況

興安煤礦設(shè)計(jì)能力為450萬t/年，礦井服務(wù)年限為63.5年。該礦位于鶴崗市興安區(qū)，礦井開拓方式為立井多水平主要石門分區(qū)大巷式(一水平)和主要大巷分區(qū)石門式(二、三、四水平)。分5個(gè)生產(chǎn)水平，+90 m標(biāo)高以上至露頭為第一水平；+90～-100 m標(biāo)高為第二水平；-100～300 m標(biāo)高為第三水平；-300～500 m標(biāo)高為第四水平；-500～700 m標(biāo)高為第五水平。目前一、二水平已開采結(jié)束，三、四水平正在同時(shí)開采，采煤方法為走向長壁后退式開采，頂板采用全部陷落法?，F(xiàn)三、四水平開采11、17-1、21、22、23、27、30、33號(hào)煤層；現(xiàn)五水平正延深。其中四水平17層中部區(qū)二段總機(jī)道、四水平北11層一二區(qū)二段總機(jī)道和三水平南邊界石門是該次地應(yīng)力測(cè)量的選點(diǎn)位置。

巷道圍巖主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖和砂巖，且受斷層影響，圍巖比較松軟破碎。

礦井已進(jìn)入深部開采，深部高地應(yīng)力以及沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重影響該礦安全生產(chǎn)。

2 興安礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造體系分析

興安礦井田位于鶴崗煤田中部，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向與煤田構(gòu)造規(guī)律有密切的關(guān)聯(lián)，見圖1.

1—雞西盆地 2—勃利(七臺(tái)河)盆地 3—雙樺盆地4—雙鴨山盆地 5—綏濱盆地 6—鶴崗盆地7—濃江盆地 8—撓力河盆地圖1 興安礦地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

鶴崗盆地為中新生代斷陷盆地，在大的構(gòu)造位置上處于吉黑褶皺系佳木斯地塊的西北部，經(jīng)歷了燕山中期、燕山晚期、喜山早期、喜山晚期4期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造體系分析得出，該區(qū)域的南北徑向構(gòu)造受后期的新華夏系北東向改造，其控制著該區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的分布。本區(qū)煤系地層走向近北北東，呈長條帶狀分布，傾向南東的單斜構(gòu)造，T9斷層為主的平推斷層是該井田內(nèi)最近一期的構(gòu)造，為典型新華夏系構(gòu)造，可初步判斷興安煤田構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向?yàn)楸睎|東向或近東西向。

3 地應(yīng)力原位測(cè)量

運(yùn)用地質(zhì)力學(xué)的方法可定性分析興安礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的方向，但不能得到準(zhǔn)確的深部地應(yīng)力的量值，難以為礦區(qū)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。為了確定礦井深部地應(yīng)力的量值，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量，測(cè)量結(jié)果不僅可以為力學(xué)分析提供驗(yàn)證，對(duì)工程建設(shè)也具有一定的意義。

3.1 地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置確定

地應(yīng)力測(cè)量需要精確可靠的傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，否則難以滿足實(shí)驗(yàn)及工程設(shè)計(jì)要求。該次實(shí)驗(yàn)采用空芯包體應(yīng)力計(jì)進(jìn)行原巖應(yīng)力的測(cè)量。地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置的選擇不僅應(yīng)具有代表性而且不能影響煤礦內(nèi)其它施工及生產(chǎn)工序。所選地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的位置見圖2.

圖2 興安煤礦地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)鉆孔位置圖

空芯包體應(yīng)力計(jì)測(cè)量法要求測(cè)試斷面需在彈性區(qū)內(nèi)。因此，為確保地應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)力計(jì)安放孔必須保持完整。該實(shí)驗(yàn)采用超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀以及YSZ(B)鉆孔窺視儀進(jìn)行該次地應(yīng)力原位測(cè)量前，對(duì)測(cè)點(diǎn)附近的巖石進(jìn)行了圍巖結(jié)構(gòu)完整性的測(cè)試，以保證空芯包體應(yīng)力計(jì)可安放在完整巖石中。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，一號(hào)測(cè)點(diǎn)空芯包體應(yīng)力計(jì)安放孔的深度應(yīng)大于1.0 m，二號(hào)測(cè)點(diǎn)空芯包體應(yīng)力計(jì)安放孔的深度應(yīng)大于1.2 m，三號(hào)測(cè)點(diǎn)空芯包體應(yīng)力計(jì)安放孔的深度也應(yīng)大于1.2 m.

3.2 空芯包體應(yīng)力計(jì)地應(yīng)力原位測(cè)量

3.2.1空芯包體應(yīng)力計(jì)地應(yīng)力測(cè)量方法

空芯包體環(huán)氧樹脂三軸應(yīng)變法的應(yīng)力解除過程如下：

1) 打大孔：在井下巷道內(nèi)，用鉆機(jī)向預(yù)定位置的圍巖鉆進(jìn)應(yīng)力解除孔，鉆孔深度以圍巖結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果為準(zhǔn)，鉆頭d130 mm，鉆孔上傾3°～5°.

2) 磨平鉆孔孔底。

3) 做錐形孔底：以保證后面的小孔與大孔同軸芯。

4) 打小孔：換上d36 mm的小鉆頭，打30 cm深的一段小鉆孔。小孔打好后應(yīng)立即清除油污并保證孔壁干燥，否則難以保證黏結(jié)劑與孔壁的黏結(jié)效果，給實(shí)驗(yàn)帶來誤差。

5) 進(jìn)行空芯包體的安裝。

6) 讀取應(yīng)變儀初始數(shù)據(jù)：在環(huán)氧樹脂固化后(一般為20 h)，接通應(yīng)變儀，待應(yīng)變儀讀數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行讀取。

7) 套芯地應(yīng)力解除與應(yīng)變測(cè)試：按規(guī)定分級(jí)解除芯體應(yīng)力，巖芯會(huì)發(fā)生彈性恢復(fù)。通過芯體上的應(yīng)變片測(cè)出應(yīng)變值。

3.2.2空芯包體應(yīng)力計(jì)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

興安礦區(qū)各測(cè)點(diǎn)技術(shù)特征見表1.

表1 興安礦地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)技術(shù)特征表

空芯包體應(yīng)力計(jì)測(cè)量法本質(zhì)上是一種應(yīng)力解除法，即通過一定的位移和應(yīng)變測(cè)量方法及合適的巖石的本構(gòu)關(guān)系模型計(jì)算求得地應(yīng)力的方法。分析各個(gè)應(yīng)力解除階段測(cè)得的應(yīng)變值，繪制出應(yīng)力解除曲線(應(yīng)變儀的讀數(shù)與應(yīng)力解除進(jìn)尺的變化關(guān)系曲線)，進(jìn)行應(yīng)力解除數(shù)據(jù)合理性判斷，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)所在位置的主應(yīng)力值和方向，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力解除曲線分別見圖3,4,5.

圖3 1#孔應(yīng)力解除過程曲線圖

將巖芯在實(shí)驗(yàn)室里加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，通過室內(nèi)試驗(yàn)得到其彈性常數(shù)，巖石力學(xué)參數(shù)見表2.

圖4 2#孔應(yīng)力解除過程曲線圖

圖5 3#孔應(yīng)力解除過程曲線圖

表2巖石力學(xué)參數(shù)表

測(cè)點(diǎn)單軸抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa泊松比興安1#49.819 3290.24興安2#47.219 1680.24興安3#56.318 1020.22

根據(jù)應(yīng)力解除階段測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果以及測(cè)點(diǎn)的技術(shù)特征參數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)，通過專業(yè)的地應(yīng)力計(jì)算軟件得出的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見表3.

表3 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表

3.3 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果綜合分析

根據(jù)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)興安煤礦地應(yīng)力分布存在如下規(guī)律：

1) 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力方位角依次為113.07°、69.16°、86.6°，最大水平主應(yīng)力方向總體上為近東西向，個(gè)別測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向偏差較大，與該點(diǎn)的局部應(yīng)力場(chǎng)變化和巖層力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

2) 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力分別為垂向應(yīng)力的1.27、1.36、2.18倍，說明興安礦區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)由水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。最大主應(yīng)力約為最小主應(yīng)力的2.01～2.16倍。

3) 垂直應(yīng)力基本上等于或者略小于單位面積上覆巖層的重量。

4) 在該深度范圍內(nèi)，可以得出最大主應(yīng)力梯度為0.041 1 MPa/m，垂直主應(yīng)力梯度為0.024 8 MPa/m，最小主應(yīng)力梯度為0.019 6 MPa/m.

4 興安礦區(qū)巷道支護(hù)技術(shù)

4.1 巷道支護(hù)方案

巷道為錨噴支護(hù)方式，設(shè)計(jì)斷面形狀為半圓拱形，巷道支護(hù)圖見圖6，其支護(hù)材料及參數(shù)如下：

1) 錨桿：錨桿選用45#左旋無縱筋螺紋鋼，d20 mm，錨桿的終錨力為11.2 t，錨桿長度1 600 mm，兩幫底角錨桿長度1 800 mm、角度向下30°.每排布置13根，拱頂間距1 000 mm，幫部間距800 mm，錨桿排距為1 000 mm.

2) 錨索：錨索鋼絞線應(yīng)用1860級(jí)(d17.8 mm)左捻低松弛鋼絞線，每根長度為5.0 m，錨固長度1 000 mm. 錨索排距2 000 mm，每排布置5根，拱頂3根，間距2 200 mm， 垂直巷道表面布置；兩幫2根，距底板1 200 mm，垂直巷道打設(shè)；錨索預(yù)緊力250 kN.

3) 混凝土：噴射混凝土標(biāo)號(hào)(150 kg/cm2)，水灰比(0.45)，配合比(1∶1)，骨料的使用必須達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：5～10 mm粒徑和2～5 mm粒徑的顆粒比例各占骨料的50%. 噴射混凝土厚度100 mm.

圖6 巷道支護(hù)圖

4.2 巷道圍巖變形數(shù)值分析

對(duì)于興安礦區(qū)深部巷道出現(xiàn)的大變形問題，采用彈塑性小變形數(shù)值模擬計(jì)算方法已經(jīng)不再適用，甚至?xí)贸鲥e(cuò)誤的結(jié)論，給工程及實(shí)驗(yàn)帶來不利的影響。為此，采用了FLAC3D數(shù)值模擬軟件。

巷道巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)是有限元分析的一個(gè)重要初始條件，該次模擬對(duì)3#測(cè)點(diǎn)所在巷道，即三水平南邊界石門巷道進(jìn)行模擬。力學(xué)計(jì)算模型上邊界所受的豎向荷載取實(shí)測(cè)豎向應(yīng)力，約為13.9 MPa；計(jì)算模型的水平方向的構(gòu)造應(yīng)力以外荷載的形式作用于左右兩邊界，垂直巷道走向方向的力約為5.16 MPa.

該礦區(qū)工作面標(biāo)高-287.2 m，地面標(biāo)高+276.3 m，埋深563.5 m. 巖性：細(xì)砂巖，巷道方位角：90°. 煤層產(chǎn)狀：該巷道開門點(diǎn)位于33層煤底板中，現(xiàn)已施工穿過23層煤，即將揭穿22層煤，22層煤預(yù)計(jì)煤厚1 m左右，傾角29°，半光亮型氣煤，硬度中等。建立工程地質(zhì)模型如下：在確定計(jì)算模型時(shí)，本構(gòu)模型采用mo-hr準(zhǔn)則。計(jì)算模型的幾何尺寸為：寬20 m×高20 m×長15 m.

將計(jì)算模型劃分為17 478個(gè)單元，19 513個(gè)節(jié)點(diǎn)。工程地質(zhì)模型見圖7.

圖7 開挖后工程地質(zhì)模型圖

無支護(hù)與支護(hù)后的數(shù)值模擬效果見圖8.

圖8 計(jì)算結(jié)果模型圖

由圖8a)、b)、c)可見，巷道在未支護(hù)時(shí)變形量極大，導(dǎo)致應(yīng)力向深部移動(dòng)，部分位置存在強(qiáng)烈的應(yīng)力集中現(xiàn)象。未支護(hù)時(shí)底板存在較大范圍的壓應(yīng)力區(qū)，容易導(dǎo)致底板沿垂直向開裂破壞成碎塊巖體；頂板基本處于水平壓應(yīng)力區(qū)，應(yīng)該注意防范頂板圍巖在擠壓作用下發(fā)生冒頂事故；在兩幫上，水平應(yīng)力理論上為零，但是因?yàn)樽冃瘟刻螅瑢?dǎo)致應(yīng)力集中。巷道四周均處在豎向受壓狀態(tài)，其中巷道兩側(cè)豎向壓應(yīng)力最大。起拱處有明顯的壓應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)該注意兩幫起拱點(diǎn)的側(cè)向擠出。支護(hù)后應(yīng)力條件得到顯著改善，不但水平應(yīng)力、垂直剪應(yīng)力的最大值降低，應(yīng)力集中現(xiàn)象也得到極大緩解。

由圖8d)、8e)可見，未支護(hù)前，巷道變形量極大，兩幫水平位移最大達(dá)到350 mm,頂板豎直位移有730 mm，底鼓約82 mm,變形量極大。巷道采用錨噴支護(hù)后，最終巷道底鼓變形約20 mm，頂板下沉約150 mm，而巷道兩幫收縮較均勻，均在200 mm左右?？梢院苊黠@的分析出，錨噴支護(hù)在控制巷道圍巖變形破壞以及改善圍巖受力狀態(tài)發(fā)揮了很大作用。同時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際巷道位移觀測(cè)結(jié)果處于同一量級(jí)，這一結(jié)果也一定程度上表明該次地應(yīng)力測(cè)量是準(zhǔn)確的。

5 結(jié) 論

1) 通過運(yùn)用“點(diǎn)-面結(jié)合”分析法，即地質(zhì)力學(xué)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量相結(jié)合的方法，得出興安礦區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西方向。

2) 利用空芯包體應(yīng)力解除法，測(cè)量得到的最大主應(yīng)力值及其方向?yàn)椋核乃?7層中部區(qū)二段總機(jī)道，最大主應(yīng)力的方位角是113.07°，大小為30.10 MPa. 四水平北11層一二區(qū)二段總機(jī)道，最大主應(yīng)力的方位角是69.16°，大小為32.72 MPa. 三水平南邊界石門，最大主應(yīng)力的方位角是86.6°，大小為30.48 MPa，即3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西走向。

3) 興安礦區(qū)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂向應(yīng)力分別為23.61 MPa、24.03 MPa、13.95 MPa，測(cè)試所得最大主應(yīng)力分別為30.10 MPa、32.72 MPa、30.48 MPa，最大主應(yīng)力分別為垂向應(yīng)力的1.27、1.36、2.18倍，因此該礦區(qū)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)。

4) 通過實(shí)際觀測(cè)及數(shù)值模擬分析證明：在興安礦區(qū)深部巷道采用錨噴支護(hù)不僅在技術(shù)上可行，也可降低支護(hù)成本。

5) 采區(qū)巷道應(yīng)盡量沿東西向布置，可有效減小構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道的破壞作用，有利于巷道的穩(wěn)定與維護(hù)。