正斷層構(gòu)造應(yīng)力作用下巷道圍巖破壞機(jī)理

張文浩

(大同煤礦集團(tuán) 塔山礦， 山西 大同 037003)

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，巷道掘進(jìn)時(shí)遇到斷層或者多斷層的地質(zhì)構(gòu)造影響較為普遍。王玉玨[1]結(jié)合斷層構(gòu)造區(qū)域附近的煤巖體力學(xué)特點(diǎn)及斷層構(gòu)造區(qū)域附近的煤巖體應(yīng)力環(huán)境，進(jìn)行了巷道設(shè)計(jì)與施工分析；孟召平等[2]在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)及顯微裂隙觀測(cè)分析，對(duì)斷層構(gòu)造區(qū)域附近的煤巖體力學(xué)特征及斷層構(gòu)造區(qū)域附近的煤巖體應(yīng)力環(huán)境特征進(jìn)行研究分析；高明中[3]結(jié)合袁店二礦受斷層影響的巷道圍巖條件，提出了過(guò)斷層破碎帶的巷道支護(hù)思路；孫玉寧等[4]研究了斷層構(gòu)造對(duì)工作面回采頂板穩(wěn)定的影響；孫海洋[5]提出了采用超前錨桿支護(hù)的掘巷方案，分析比較了不同角度和間排距等不同支護(hù)參數(shù)下超前錨桿的支護(hù)效果；張延偉[6]提出“二高一大”的支護(hù)原則，對(duì)沿?cái)鄬悠扑槊簬r巷道支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 正斷層構(gòu)造區(qū)域附近巖層應(yīng)力分布特征分析

1.1 正斷層構(gòu)造區(qū)域的受力結(jié)構(gòu)特征

進(jìn)行正斷層構(gòu)造應(yīng)力作用下巷道圍巖破壞機(jī)理分析，首先對(duì)正斷層構(gòu)造區(qū)域附近的巖層應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行力學(xué)分析。結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造和巖石強(qiáng)度理論，視自重應(yīng)力即為垂直主應(yīng)力，另一水平主應(yīng)力與斷裂構(gòu)造體系正交，對(duì)于正斷層，則自重應(yīng)力σz是最大主應(yīng)力，即最大主應(yīng)力σz=γH，最小主應(yīng)力σx與斷層帶正交。正斷層的應(yīng)力分布狀態(tài)見(jiàn)圖1.

圖1 正斷層的應(yīng)力分布狀態(tài)圖

視斷層附近巖體為由連續(xù)、均質(zhì)、各項(xiàng)同性的彈塑性介質(zhì)組成，且滿足莫爾一庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則：

σ′y=σ′ztanφ+C

(1)

式中：

σ′z、σ′y—分別為在斷層斷裂面位置形成垂直于斷層面方向的σ′z應(yīng)力分量和平行于斷層面方向的應(yīng)力分量σ′y，MPa；

C—巖層內(nèi)聚力，MPa；

φ—巖層內(nèi)摩擦角，(°).

1.2 正斷層構(gòu)造區(qū)域附近巖層應(yīng)力分布特征分析

原有完整的地下巖層在斷層地質(zhì)構(gòu)造的作用下不再連續(xù)，并改變了原有完整的地下巖層賦存結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致斷層構(gòu)造區(qū)域附近的巖層應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生不均衡影響。根據(jù)對(duì)斷層結(jié)構(gòu)特征分析可知，原有完整的地下巖層發(fā)生斷裂形成斷層且斷層面多為傾斜面，在斷層構(gòu)造區(qū)域，特別是斷層面附近的巖層呈現(xiàn)為“錯(cuò)動(dòng)接觸的楔形體”巖層結(jié)構(gòu)，在斷層斷裂面位置形成有垂直于斷層面方向的應(yīng)力分量σ′z和平行于斷層面方向的應(yīng)力分量σ′y，二者主要與巖層的巖石力學(xué)條件、斷層傾角、巖層深度、側(cè)向應(yīng)力系數(shù)有關(guān)。

斷層構(gòu)造區(qū)域巖層中水平應(yīng)力和垂直主應(yīng)力應(yīng)力分量比例與斷層面附近巖層自身的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角以及斷層面傾角、巖層埋深等因素有關(guān)。初始假設(shè)：巖層埋深垂直載荷10 MPa，內(nèi)聚力1.0 MPa，內(nèi)摩擦角24°，斷層傾角60°，根據(jù)公式(1)可推導(dǎo)出正斷層構(gòu)造形成前斷層面未發(fā)生錯(cuò)動(dòng)滑移的水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值κzd、正斷層構(gòu)造形成后斷層面附近巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)滑移后的水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值ηzd與巖層內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、埋深垂直荷載、斷層傾角的關(guān)系公式，并進(jìn)行正斷層的單因素變化對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖2，3，4，5.

圖2 內(nèi)聚力對(duì)正斷層形成前后應(yīng)力分量比例影響圖

圖3 內(nèi)摩擦角對(duì)正斷層形成前后應(yīng)力分量比例影響圖

圖4 埋深垂直載荷對(duì)正斷層形成前后應(yīng)力分量比例影響圖

圖5 傾角對(duì)正斷層形成前后應(yīng)力分量比例影響圖

由圖2，3,4，5可知，正斷層構(gòu)造情況下，巖層內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、巖層埋深垂直載荷對(duì)κzd呈線性關(guān)系，而ηzd僅受內(nèi)摩擦角影響。巖層內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角越大，κzd降低，說(shuō)明垂直應(yīng)力分量相對(duì)水平應(yīng)力分量更大；巖層埋深垂直載荷越大，κzd增加且逐漸收斂，說(shuō)明垂直應(yīng)力分量與水平應(yīng)力分量更接近；而斷層傾角對(duì)κzd、ηzd均有影響且呈“凹曲線”形式變化，這主要與斷層結(jié)構(gòu)有關(guān)，正斷層傾角過(guò)低則垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)換至平行于斷層面方向的應(yīng)力分量σ′y的作用效果越弱且不利于剪切破斷作用和斷層滑移，而正斷層傾角過(guò)高則垂直應(yīng)力作用范圍越來(lái)越少且不利于剪切破斷作用，這就導(dǎo)致斷層傾角過(guò)低或者過(guò)高，其所需的垂直應(yīng)力左右相對(duì)水平應(yīng)力更大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)斷層構(gòu)造形成，甚至還需要拉應(yīng)力作用，這也說(shuō)明現(xiàn)實(shí)情況中的正斷層大多在40°～80°比較常見(jiàn)。

綜上分析所述，斷層構(gòu)造區(qū)域巖層中水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比例狀態(tài)與斷層面附近巖層自身的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角以及斷層面傾角、巖層埋深等因素有關(guān)，對(duì)于正斷層巖層強(qiáng)度條件越好、埋深越淺、傾角越靠近50°～60°，垂直應(yīng)力分量相對(duì)水平應(yīng)力分量更大。

2 斷層構(gòu)造應(yīng)力作用下巷道圍巖破壞特征分析

根據(jù)魯賓涅特方程對(duì)非均勻應(yīng)力環(huán)境下圓形巷道圍巖破碎深度的力學(xué)解析，在塑性破碎區(qū)范圍內(nèi)，認(rèn)為：盡管巷道圍巖處于非均勻應(yīng)力環(huán)境下，原巖應(yīng)力場(chǎng)對(duì)塑性區(qū)范圍內(nèi)的處于極限平衡狀態(tài)的圍巖介質(zhì)的影響關(guān)系不大，基本假設(shè)中巷道斷面為軸對(duì)稱的圓形斷面，因此塑性范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力近似視為軸對(duì)稱，建立正斷層構(gòu)造應(yīng)力作用下的巷道圍巖應(yīng)力集中方程和塑性破壞方程。

通過(guò)代入回采巷道參數(shù)進(jìn)行算例分析，初始假設(shè)條件：斷層及其巷道圍巖介質(zhì)的內(nèi)聚力1.0 MPa，內(nèi)摩擦角24°，設(shè)等效外接圓形巷道半徑R為2.5 m，該次算例分析不考慮無(wú)支護(hù)反力作用，分析斷層構(gòu)造應(yīng)力條件下的斷層傾角、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、巷道埋深等影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素對(duì)巷道圍巖塑性破碎分布S及其應(yīng)力集中的影響，將參數(shù)代入式中進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 正斷層傾角對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響

斷層傾角對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖見(jiàn)圖6. 由圖6可知，巷道通過(guò)正斷層過(guò)程中，當(dāng)正斷層傾角增加時(shí)，巷道圍巖塑性破壞范圍有所增加且增加位置多為巷道兩幫圍巖承載體。正斷層傾角越大，說(shuō)明圍巖體內(nèi)原有地應(yīng)力作用狀態(tài)中垂直應(yīng)力相對(duì)水平應(yīng)力作用更劇烈，導(dǎo)致巷道兩幫的圍巖體內(nèi)承載較大的應(yīng)力集中，兩幫過(guò)大的應(yīng)力集中不益于巷道兩幫的圍巖體承載，進(jìn)而加大了巷道頂?shù)装宓目缍榷罱K導(dǎo)致巷道的整體圍巖體失穩(wěn)，巷道圍巖塌落失效。因此，巷道通過(guò)正斷層過(guò)程中，當(dāng)遇到正斷層傾角越大，則需要加強(qiáng)巷道兩幫的支撐支護(hù)強(qiáng)度。

圖6 斷層傾角對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖

2.2 巷道埋深對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響

巷道埋深對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖見(jiàn)圖7. 由圖7可知，巷道通過(guò)正斷層過(guò)程中，隨著巷道埋深的增加，巷道圍巖塑性破壞范圍程度有所增加且巷道兩幫圍巖破壞加劇最為明顯。正斷層構(gòu)造條件下，巖體內(nèi)原有地應(yīng)力作用狀態(tài)中垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力作用，導(dǎo)致巷道兩幫的圍巖體破壞大于頂?shù)装宓膰鷰r破壞，且兩幫圍巖應(yīng)力集中峰值也遠(yuǎn)高于巷道頂?shù)装鍑鷰r體應(yīng)力集中峰值，隨之所處巖層埋深增加，正斷層構(gòu)造影響的礦壓也就更為劇烈。

圖7 巷道埋深對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖

2.3 巖層內(nèi)聚力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響

內(nèi)聚力對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖見(jiàn)圖8. 由圖8可知，巷道通過(guò)正斷層過(guò)程中，巷道圍巖內(nèi)聚力增加，巷道圍巖塑性破壞范圍有所減小。正斷層構(gòu)造條件下的巖體原有地應(yīng)力作用不受巖層內(nèi)聚力大小影響，但巖層內(nèi)聚力大小對(duì)巷道圍巖塑性破壞程度具有一定的增益作用，內(nèi)聚力越大說(shuō)明圍巖強(qiáng)度相對(duì)較好，圍巖承載結(jié)構(gòu)抗圍巖應(yīng)力重分布作用有所增強(qiáng)，進(jìn)而巷道圍巖塑性破壞范圍有所減小，同時(shí)圍巖塑性破壞程度減小，則圍巖體應(yīng)力集中有所降低，有益于圍巖穩(wěn)定性控制。

圖8 內(nèi)聚力對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖

2.4 巖層內(nèi)摩擦角對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響

內(nèi)摩擦角對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖見(jiàn)圖9. 由圖9可知，巷道通過(guò)正斷層地質(zhì)構(gòu)造過(guò)程中，當(dāng)巖層內(nèi)摩擦角增加時(shí)，巷道圍巖塑性破壞范圍有顯著降低。內(nèi)摩擦角越大，說(shuō)明圍巖體抵抗原有地應(yīng)力作用能力越大，在此巖層介質(zhì)條件下垂直應(yīng)力需要更大的水平應(yīng)力作用，才能使得斷層剪切破斷；盡管內(nèi)摩擦角越大，原有地應(yīng)力中垂直應(yīng)力就更大于水平應(yīng)力作用，但內(nèi)摩擦角越大，也提高了圍巖強(qiáng)度，圍巖承載結(jié)構(gòu)抗圍巖應(yīng)力重分布作用顯著增強(qiáng)，進(jìn)而巷道圍巖塑性破壞范圍和圍巖體應(yīng)力集中，有益于圍巖穩(wěn)定性控制。

圖9 內(nèi)摩擦角對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖

2.5 支護(hù)阻力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響

支護(hù)阻力對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖見(jiàn)圖10. 由圖10可知，巷道支護(hù)阻力作用對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定很重要，正斷層地質(zhì)構(gòu)造顯示圍巖體內(nèi)原有地應(yīng)力作用狀態(tài)中垂直應(yīng)力相對(duì)水平應(yīng)力作用更劇烈，導(dǎo)致巷道兩幫的圍巖體內(nèi)在承載較大的應(yīng)力集中，兩幫圍巖破壞最為劇烈，一旦兩幫圍巖破壞過(guò)大將造成巷道頂?shù)装宓目缍仍黾佣焕谙锏勒w圍巖體穩(wěn)定，在支護(hù)措施上，有必要采取剛性支護(hù)以抵抗并支撐正斷層地質(zhì)構(gòu)造作用下的圍巖垂直應(yīng)力集中作用，維護(hù)正斷層地質(zhì)構(gòu)造作用下巷道過(guò)斷層圍巖穩(wěn)定。

圖10 支護(hù)阻力對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖

2.6 巷道尺寸對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響

巷道尺寸對(duì)巷道圍巖塑性破壞影響圖見(jiàn)圖11. 由圖11可知，巷道合理斷面尺寸有益于降低礦壓顯現(xiàn)程度，巷道斷面越大，則加劇巷道兩幫和頂?shù)装宓膰鷰r體應(yīng)力集中作用，巷道兩幫和頂?shù)装鍑鷰r的破壞深度均有所增加。因此，合理的巷道斷面尺寸有益于降低礦壓顯現(xiàn)程度，對(duì)巷道支護(hù)作用則相對(duì)更易于維護(hù)，有益于降低在正斷層地質(zhì)構(gòu)造作用下巷道過(guò)斷層圍巖穩(wěn)定性控制難度。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)斷層構(gòu)造區(qū)域附近巖層應(yīng)力分布特征和斷層構(gòu)造應(yīng)力作用下巷道圍巖破壞特征分析，針對(duì)斷層構(gòu)造應(yīng)力作用下巷道圍巖穩(wěn)定性得到如下結(jié)論：

1) 斷層構(gòu)造就好似地質(zhì)構(gòu)造的作用“切斷”，導(dǎo)致斷層構(gòu)造區(qū)域附近的巖層應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生不均衡影響。

2) 巷道掘進(jìn)工程擾動(dòng)的影響可能會(huì)誘發(fā)斷層構(gòu)造區(qū)域附近的不連續(xù)巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3) 斷層構(gòu)造區(qū)域巖層中水平應(yīng)力和垂直主應(yīng)力應(yīng)力分量的比例與斷層面附近巖層自身的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角以及斷層面傾角、巖層埋深等因素有關(guān)。

4) 巷道支護(hù)阻力作用對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定很重要，正斷層地質(zhì)構(gòu)造顯示圍巖體內(nèi)原有地應(yīng)力作用狀態(tài)中垂直應(yīng)力相對(duì)水平應(yīng)力作用更劇烈。在支護(hù)措施上，有必要采取剛性支護(hù)以抵抗并支撐正斷層地質(zhì)構(gòu)造作用下的圍巖垂直應(yīng)力集中作用，維護(hù)正斷層地質(zhì)構(gòu)造作用下巷道過(guò)斷層圍巖穩(wěn)定。