上灣煤礦運(yùn)輸大巷過(guò)斷層圍巖變形破壞特征研究

張建超，曹其嘉

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 資源與測(cè)繪工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

斷層作為一種特殊的地質(zhì)構(gòu)造，廣泛分布在大多數(shù)礦井中，斷層兩盤沿著破裂面產(chǎn)生滑移，附近應(yīng)力場(chǎng)有較大的非連續(xù)性與應(yīng)力集中特性[1-3]。當(dāng)巷道穿斷層破碎帶時(shí)，巷道極易產(chǎn)生大變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)有直接影響[4-6]。孟召平等[7]采用煤巖裂隙觀測(cè)、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室研究，揭示了巷道過(guò)正斷層時(shí)的礦壓分布及煤巖體力學(xué)性質(zhì)。王恩營(yíng)等[8]通過(guò)力學(xué)分析正斷層的變形破壞，得到正斷層具有以剪切性為主的力學(xué)特征。于偉健等[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方式，將斷層附近圍巖分為斷層帶、斷層影響帶、破碎帶和節(jié)理帶4個(gè)影響區(qū)域。王襄禹等[10]從斷層附近的非對(duì)稱采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、巷道關(guān)鍵部位的剪切滑移破壞以及煤巖體碎脹變形分析了巷道過(guò)斷層大變形和支護(hù)失效的原因。閆帥等[11]分析了含水層上斷層區(qū)巷道圍巖控制技術(shù)，確定了含水層上巷道過(guò)斷層的重點(diǎn)控制區(qū)域，提出超前注漿+噴錨注漿+錨索關(guān)鍵部位加固方式。

針對(duì)巷道過(guò)斷層極易產(chǎn)生大變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問(wèn)題，以上灣煤礦中六運(yùn)輸大巷過(guò)斷層為工程背景，采用數(shù)值模擬分析巷道過(guò)斷層中圍巖變形特征，提出關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面錨桿支護(hù)的圍巖控制技術(shù)，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

1 工程背景

上灣煤礦中六運(yùn)輸大巷位于-520水平，由上盤揭露F2斷層組，F(xiàn)2斷層為正斷層，傾角60°，傾向305°，落差15 m，運(yùn)輸大巷過(guò)F2斷層剖面如圖1所示。中六運(yùn)輸大巷為直墻半圓拱形巷道，巷道斷面為4.0 m×3.6 m，原有巷道支護(hù)方式如圖2所示。

圖1 運(yùn)輸大巷過(guò)斷層地質(zhì)剖面

圖2 運(yùn)輸大巷原有支護(hù)示意

2 巷道過(guò)斷層圍巖變形破壞特征

2.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，根據(jù)上灣煤礦中六運(yùn)輸大巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖3所示。其中試驗(yàn)巷道圍巖-280水平，模型的高度和寬度均為40 m。試驗(yàn)巷道為直墻拱形斷面，高3.6 m，寬4.0 m，其中墻高1.6 m，拱形半徑2.0 m。模型的底部采用固定邊界條件，頂部采用自由邊界條件，其余位置采用法相位移約束條件。模型的頂部施加12.25 MPa的垂直均布應(yīng)力，重力加速度取9.8 m/s2。試驗(yàn)巷道依次穿過(guò)斷層的上盤、斷層破碎帶和斷層的下盤，研究巷道掘進(jìn)過(guò)程中，斷層對(duì)掘進(jìn)擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，以及對(duì)圍巖塑性破壞的影響。圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型示意

表1 數(shù)值計(jì)算中巖石力學(xué)參數(shù)

2.2 沿巷道走向圍巖變形破壞特征

從圖4可以看出，中六運(yùn)輸大巷過(guò)斷層的過(guò)程中，斷層破碎帶圍巖塑性破壞范圍明顯增大，塑性區(qū)呈斜三角分布，圍巖以剪切破壞為主。距離斷層面兩側(cè)約10 m范圍內(nèi)，斷層破碎帶塑性破壞深度明顯大于其他部位，塑性破壞區(qū)發(fā)展迅速，巷道圍巖移進(jìn)量最大值均出現(xiàn)在斷層破碎帶中，其中頂板、底板和幫部移近量最大值分別為306 mm、261 mm和212mm。距離斷層大于10 m時(shí)，圍巖塑性破壞范圍以及巷道圍巖變形量逐漸減小，直至穩(wěn)定階段。

圖4 沿巷道走向圍巖變形破壞特征

2.3 垂直于巷道走向圍巖變形破壞特征

中六運(yùn)輸大巷掘進(jìn)過(guò)程中，圍巖頂?shù)装搴蛢蓭退巼鷰r地質(zhì)力學(xué)條件會(huì)發(fā)生變化，巷道接近斷層破碎帶時(shí)，其底板巖性變?nèi)?；在斷層破碎帶位置時(shí)，其幫部圍巖巖性較弱；穿出斷層破碎帶時(shí)，其頂板巖性較弱。圍巖破壞以剪切破壞為主，剪切破壞的發(fā)生又與剪應(yīng)力密切相關(guān)，而最大剪應(yīng)力的值等于最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之間的差值，所以，研究巷道斷面最大剪應(yīng)力分布規(guī)律十分必要，主應(yīng)力差值分布如圖5所示。

圖5 巷道斷面圍巖最大剪應(yīng)力分布

正常基巖段：巷道頂?shù)装搴蛢蓭退苄詤^(qū)范圍較小，圍巖比較穩(wěn)定。主應(yīng)力差值形成一個(gè)閉環(huán)，圍巖能夠形成一個(gè)自穩(wěn)定承載圈。

上盤距斷層面5 m：斷層底板變形量增大顯著，底板圍巖的承載能力顯著降低；頂板塑性區(qū)基本不變，幫部塑性區(qū)范圍有所增大。應(yīng)力圈不能夠形成一個(gè)閉環(huán)，在底板區(qū)域有所缺失。此時(shí)，底板需要加強(qiáng)支護(hù)，讓圍巖的圍壓增大，形成自穩(wěn)圈。

斷層破碎帶中央：在斷層破碎帶中央時(shí)，幫部圍巖變形破壞較為嚴(yán)重，兩幫移近量較大，幫部圍巖的承載能力顯著降低。應(yīng)力圈在巷道幫部缺失，幫部圍巖需要加強(qiáng)支護(hù)。

斷層下盤接斷層：頂板塑性破壞嚴(yán)重，塑性區(qū)擴(kuò)大，頂板圍巖的承載能力顯著降低。應(yīng)力圈在頂板處缺失，頂板圍巖巖性較弱，塑性破壞深度較大，需要加強(qiáng)支護(hù)。

可見(jiàn)，上灣煤礦中六運(yùn)輸大巷過(guò)斷層的過(guò)程中，巷道圍巖破壞先后順序依次為：底板、兩幫和頂板。

3 工程應(yīng)用

3.1 巷道過(guò)斷層圍巖支護(hù)方案

數(shù)值模擬可知，中六運(yùn)輸大巷過(guò)斷層時(shí)，上盤底板和幫部圍巖為主要控制區(qū)域，防止產(chǎn)生大量的底鼓；下盤頂板和幫部圍巖為主要控制區(qū)域，防止冒頂事故的發(fā)生；圍巖破碎帶區(qū)域幫部圍巖變形破壞最為嚴(yán)重，防止片幫的發(fā)生。根據(jù)上灣煤礦大巷過(guò)斷層圍巖變形破壞分析可知，在斷層前后10 m范圍內(nèi)圍巖變形量較大，采取關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面錨桿支護(hù)的圍巖控制技術(shù)，如圖6所示。

圖6 加強(qiáng)支護(hù)段支護(hù)示意

3.2 支護(hù)效果分析

數(shù)值模擬分析：數(shù)值模擬分別對(duì)斷層上盤距斷層面5 m和斷層下盤距斷層面5 m處中六運(yùn)輸大巷圍巖主應(yīng)力差與位移矢量分布，如圖7所示。

圖7 圍巖主應(yīng)力差及位移矢量分布

中六運(yùn)輸大巷在關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面支護(hù)下，承載區(qū)域明顯增大，圍巖的自承能力增強(qiáng)明顯，形成全斷面應(yīng)力承載圈。在斷層上盤距斷層面5 m時(shí)底板變形量降低至81 mm，斷層下盤距斷層面5 m處頂板移近量降低至74 mm，可知通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)有效降低了巷道過(guò)斷層圍巖變形。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析：為了分析支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖的控制效果，通過(guò)布置測(cè)站，利用激光測(cè)距儀，采用十字交叉法，對(duì)斷層上盤和下盤分別進(jìn)行巷道圍巖表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖8所示。

圖8 各測(cè)點(diǎn)布置示意

通過(guò)各測(cè)點(diǎn)圍巖相對(duì)移近量由圖9可知，靠近斷層附近，巷道圍巖表面位移隨距斷層面距離減小而增大，最大位移均小于120 mm。通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)均說(shuō)明在斷層前后10 m范圍，采取關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面錨桿支護(hù)的圍巖控制技術(shù)具有合理性。

圖9 1#～6#測(cè)點(diǎn)圍巖相對(duì)移進(jìn)量

4 結(jié)論

(1)巷道過(guò)斷層，圍巖以剪切破壞為主，影響范圍為斷層面兩側(cè)約10 m范圍內(nèi)，其中頂板、底板和幫部移近量最大值分別為306 mm、261mm和212 mm。

(2)巷道過(guò)斷層時(shí)，上盤影響段巷道底板和幫部為主要控制區(qū)域，防止產(chǎn)生大量的底鼓；下盤影響段巷道頂板和幫部為主要控制區(qū)域，防止冒頂事故的發(fā)生。

(3)工業(yè)試驗(yàn)表明，在斷層前后10 m的范圍內(nèi)圍巖變形量較大，采取關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面錨桿支護(hù)技術(shù)可有效控制圍巖變形，掘進(jìn)過(guò)程中最大位移均小于120 mm，圍巖控制效果較好。