節(jié)理傾角對(duì)巷道圍巖的劣化效應(yīng)及圍巖分區(qū)域控制研究

郭忠華

(呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 呂梁 033000)

節(jié)理(也稱(chēng)為“裂隙”)是巖體受力斷裂后兩側(cè)巖塊沒(méi)有顯著位移的小型斷裂構(gòu)造[1]。由于長(zhǎng)期的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，巖體中往往存在大量的節(jié)理等不連續(xù)面，這些不連續(xù)面交錯(cuò)相交形成多種形式塊體，破壞了巖體的完整性并降低巖體強(qiáng)度，產(chǎn)生劣化效應(yīng)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性有顯著的影響[2]。節(jié)理發(fā)育巷道圍巖變形量大、控制困難，常會(huì)發(fā)生碎漲、冒頂、片幫等事故，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)[3]。針對(duì)節(jié)理巷道控制，專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究，主要集中在節(jié)理巷道穩(wěn)定性分級(jí)評(píng)價(jià)和節(jié)理發(fā)育特征等方面[4-6]。由于節(jié)理發(fā)育的不規(guī)則、對(duì)巖石強(qiáng)度的顯著影響和控制難度大，目前節(jié)理發(fā)育巷道控制成為研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)[7-8]。不同節(jié)理傾角巷道圍巖的強(qiáng)度劣化效應(yīng)明顯不同，由此帶來(lái)的巷道圍巖控制手段也差異明顯，而現(xiàn)有的相關(guān)研究較少，嚴(yán)重影響了節(jié)理發(fā)育巷道圍巖的高效安全控制，需要進(jìn)一步研究，用以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

以山西賈家溝煤礦1002工作面回風(fēng)巷道為研究對(duì)象，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究不同節(jié)理傾角巷道的受力、變形，以及破壞演化規(guī)律，分析節(jié)理發(fā)育巷道強(qiáng)度劣化效應(yīng)、災(zāi)變機(jī)理，提出分區(qū)域控制原則和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巷道安全經(jīng)濟(jì)支護(hù)，具有重要意義。

1 節(jié)理對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度的劣化效應(yīng)

1)節(jié)理切割巖體，形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，弱化了巖體強(qiáng)度。

工作面內(nèi)斷層等構(gòu)造多，巷道圍巖原生節(jié)理發(fā)育，巷道開(kāi)挖后及回采期間，在強(qiáng)卸載作用下節(jié)理很快受剪切、拉伸破壞并貫通，發(fā)生剪脹變形。節(jié)理將巖體切割成獨(dú)立塊體，進(jìn)一步割裂巷道圍巖完整性，形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)面。

載荷作用下，不同塊體間相互作用產(chǎn)生擠壓和錯(cuò)動(dòng)，塊體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，作為主要承載結(jié)構(gòu)，節(jié)理切割的塊體顯著弱化了巖體強(qiáng)度。

2)節(jié)理使巖體呈現(xiàn)各向異性。

根據(jù)預(yù)制節(jié)理試件加載試驗(yàn)[3]，預(yù)制試件和加載后破壞效果如圖1所示。采用預(yù)制裂紋模擬節(jié)理作用將試件分割，加載初期在節(jié)理尖端出現(xiàn)擴(kuò)展，繼續(xù)加載出現(xiàn)節(jié)理間裂紋貫通形成獨(dú)立的新生塊體[3]，塊體間裂紋向上下端面擴(kuò)展形成主破裂面，載荷作用下主破裂面兩側(cè)巖體發(fā)生彎曲折斷，試件承載結(jié)構(gòu)急劇劣化并最終發(fā)生破壞。節(jié)理將巖體切割成不同的獨(dú)立塊體，加載時(shí)巖體整體承載性能出現(xiàn)明顯削弱和差異，出現(xiàn)加速破壞現(xiàn)象，獨(dú)立塊體呈現(xiàn)不同承載和破壞特征，體現(xiàn)出各向異性。

圖1 預(yù)制試件和加載后破壞效果圖

2 節(jié)理角度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力及變形的影響規(guī)律

節(jié)理傾角對(duì)巖體破壞形式產(chǎn)生重大影響，采用UDEC模擬軟件研究不同節(jié)理傾角下巷道圍巖的破壞及發(fā)展情況。

模擬的山西賈家溝煤礦1002工作面平均埋深 685 m，傾斜長(zhǎng)度330 m，走向長(zhǎng)度1 090 m，主采10#煤層平均厚度5.6 m，采用長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝，全部垮落法控制頂板。回風(fēng)巷道沿煤層底板掘進(jìn)，斷面為矩形，寬5 m、高4 m。采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿間排距800 mm×900 mm，兩幫錨桿間排距900 mm×900 mm。模型長(zhǎng)×高為150 m×80 m，其余巖層自重以均布載荷形式加載。

模型采用 Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則[9-10]，采用 Voronoi 多邊形節(jié)理生成器將頂?shù)装鍘r體隨機(jī)劃分成不同形狀大小的Voronoi子塊[11]，來(lái)模擬節(jié)理(傾角β分別為0°、15°、30°、45°、60°、90°)作用，其他非重點(diǎn)研究的巖層區(qū)域采用 JSET 節(jié)理生成器生成[12]。模型中Cable 結(jié)構(gòu)單元可以模擬錨桿、錨索，以Preten命令施加特定預(yù)緊力。

2.1 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

模型運(yùn)算后得到如圖2所示巷道圍巖塑性區(qū)分布，圍巖塑性區(qū)破壞深度見(jiàn)表1。

(b)β=15°

(c)β=30°

(d)β=45°

(e)β=60°

(f)β=90°圖2 不同節(jié)理角度圍巖塑性區(qū)分布 表1 圍巖塑性區(qū)破壞深度

節(jié)理傾角/(°)左幫破壞深度/m右?guī)推茐纳疃?m上部中部下部上部中部下部頂板破壞深度/m00.602.401.200.802.300.401.50150.504.104.600.433.600.561.80300.401.802.600.801.500.801.50451.401.101.801.001.400.901.50600.801.201.900.301.001.201.50900.701.701.900.302.401.601.50

由圖2可知，對(duì)于節(jié)理傾角為0°～30°賦存區(qū)域巖體，載荷下節(jié)理中部擴(kuò)展成拉裂紋，之后巖體發(fā)生張拉破裂，被節(jié)理切割的塊體在載荷作用下易翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)巖體承載結(jié)構(gòu)劣化，使得巖體呈現(xiàn)顯著拉破壞，巷道圍巖發(fā)生彎折破壞失穩(wěn)。

當(dāng)圍巖節(jié)理傾角以30°～45°為主時(shí)，初期節(jié)理尖端裂紋的萌生及擴(kuò)展發(fā)生拉損傷，而在峰值強(qiáng)度附近則以剪切裂紋貫通為主，使得巖體發(fā)生拉剪混合破壞及剪切破壞，巷道圍巖發(fā)生片幫。

當(dāng)節(jié)理傾角增大為75°時(shí)，節(jié)理尖端產(chǎn)生的剪切裂紋沿著節(jié)理傾向擴(kuò)展，并相互貫通成滑移剪切面，巖體發(fā)生剪切破壞，巷道圍巖以劈裂片幫為主。

由表1可知，兩幫中下部塑性破壞深度大于上部，節(jié)理傾角越大，兩幫塑性破壞深度越小，頂板塑性破壞深度受節(jié)理傾角影響較小。0°節(jié)理巷道兩幫中部塑性區(qū)深度達(dá)2.40 m，下部圍巖塑性破壞深度為1.20 m ；15°節(jié)理巷道兩幫中部塑性區(qū)深度達(dá)4.10 m，下部圍巖塑性破壞深度為4.60 m。巷道下部左幫破壞明顯大于右?guī)停锏纼蓭桶l(fā)生非對(duì)稱(chēng)變形，這是因?yàn)橄锏雷髠?cè)受鄰近采掘工程應(yīng)力擾動(dòng)影響較大所致。巷道肩角為承載軟弱部位，發(fā)生了塑性破壞；15°節(jié)理巷道塑性區(qū)范圍最大，巷道塑性破壞深度最大；60°節(jié)理巷道塑性區(qū)最小，主要在巷道圍巖的表面，沒(méi)有向深部發(fā)展，30°、45°節(jié)理巷道塑性區(qū)整體范圍較大。

2.2 巷道圍巖位移發(fā)展規(guī)律

模擬不同主節(jié)理角度的巷道圍巖位移發(fā)展規(guī)律，隱去錨桿得到如圖3所示位移矢量圖(矢量箭頭方向代表位移發(fā)展方向，大小表示位移發(fā)展速度)。

(a)β=0°

(b)β=15°

(c)β=30°

(d)β=45°

(e)β=60°

(f)β=90°圖3 節(jié)理角度與巷道變形關(guān)系

由圖3可知，不同節(jié)理傾角下，巷道位移發(fā)展方向均與節(jié)理方向一致，巷道圍巖容易沿節(jié)理接觸面發(fā)生張拉或剪切破壞，但不同節(jié)理角度下巷道位移發(fā)展不同，其中傾角越小圍巖運(yùn)移速度越大。

在巷道表面布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)得到不同節(jié)理傾角下頂板和巷幫位移，如圖4、圖5所示。

圖4 不同節(jié)理角度頂板表面位移曲線(xiàn)

圖5 不同節(jié)理角度左幫表面位移曲線(xiàn)

由圖4、圖5可知，巷道頂板與兩幫的中點(diǎn)圍巖位移最大，巷幫下部圍巖位移大于上部圍巖位移。當(dāng)巷道的主節(jié)理角度為15°時(shí)，巷道圍巖變形量(頂板和巷幫位移70 mm)最大，這是因?yàn)樵谳d荷作用下，圍巖節(jié)理法向上的相鄰節(jié)理間出現(xiàn)裂紋貫通，在節(jié)理組內(nèi)切割出的獨(dú)立新生塊體極易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中塊體側(cè)面開(kāi)始發(fā)生彎曲折斷，承載結(jié)構(gòu)急劇劣化，導(dǎo)致巷道圍巖最終發(fā)生大變形破壞。在巷道圍巖的主節(jié)理角度為0°和90°時(shí)，巷道圍巖變形量(頂板和巷幫位移 30 mm)最小。

3 節(jié)理發(fā)育巷道控制原則和技術(shù)

由上述分析可知，對(duì)于節(jié)理傾角不同區(qū)域，巖石劣化效應(yīng)呈現(xiàn)分區(qū)域特征。為實(shí)現(xiàn)節(jié)理發(fā)育圍巖的有效控制，提出分區(qū)域控制原則和技術(shù)。

1)對(duì)于節(jié)理傾角較小(0°～45°)的賦存區(qū)域，通過(guò)圍巖改性和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)實(shí)現(xiàn)控制，將漿液壓入裂隙充填空隙，形成固結(jié)網(wǎng)絡(luò)，起到骨架支撐作用并增加巖體完整性及強(qiáng)度[13-15]，增大抵抗拉剪破壞能力，實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定。

選用2TGZ-120/105型注漿泵和LJ-200型攪拌機(jī)，利用注漿錨桿進(jìn)行注漿，確定漿液擴(kuò)散半徑為2.62 m。注漿鉆孔直徑42 mm、長(zhǎng)度2 400 mm，注漿鉆孔間排距為900 mm×1 800 mm，注漿時(shí)間為15～20 min，注漿壓力為2 MPa，單孔注漿量為1.54～3.08 m3。

2)對(duì)于節(jié)理傾角較大(45°～90°)的賦存區(qū)域，巷道圍巖易片幫劈裂失穩(wěn)，提出錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)實(shí)現(xiàn)控制，采用錨桿錨索將遠(yuǎn)、近處的節(jié)理發(fā)育巖層擠壓組合成一體，增強(qiáng)節(jié)理間黏聚力和摩擦力，可以有效阻止煤巖體發(fā)生片幫劈裂破壞。

頂板支護(hù)用?22 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×900 mm；錨索規(guī)格為?17.8 mm×6 300 mm，間排距1 750 mm×2 700 mm，頂板采用10#鐵絲編制的菱形網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)格為50 mm×50 mm，菱形網(wǎng)規(guī)格為1 950 mm×5 600 mm[16]。鋼筋梯子梁采用?10 mm的鋼筋焊制而成，規(guī)格為GT10/5600；采用ZCZ13000/26/45D型液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)，支護(hù)距離30 m[17]。

4 節(jié)理發(fā)育圍巖控制效果實(shí)測(cè)

賈家溝煤礦1002工作面內(nèi)落差小于10 m的斷層有數(shù)十條，主采的10#煤層節(jié)理發(fā)育，節(jié)理走向與巷道軸向平行，節(jié)理傾向分別為0°～45°、平均為30°，150°～160°、平均為155°，其中傾向0°～45°節(jié)理貫通，為主要節(jié)理。煤層底板為砂質(zhì)泥巖，遇水易膨脹[18-19]；老頂為灰白色粉細(xì)砂巖，直接頂為泥巖，質(zhì)軟松散；煤層局部有泥巖偽頂，易垮落。

回風(fēng)巷道圍巖節(jié)理發(fā)育，片幫冒頂嚴(yán)重，控制困難，采用圍巖改性和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)對(duì)頂板進(jìn)行控制。布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)回采期間巷道礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[20]，得到如圖6、圖7所示圍巖變形曲線(xiàn)及巷道控制效果對(duì)比圖。

圖6 圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

(a)原支護(hù)方式巷道變形情況

(b)采用圍巖改性和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)對(duì)頂板控制效果圖7 1002工作面巷道控制效果對(duì)比

由圖6可知，巷道圍巖變形速度逐漸減小，變形量先增大后趨于穩(wěn)定。頂板最大下沉量為120 mm，兩幫最大移近量為90 mm，節(jié)理發(fā)育巷道圍巖變形得到有效控制。

5 結(jié)論

1)節(jié)理弱化了巖體強(qiáng)度，使巖體呈現(xiàn)各向異性，節(jié)理發(fā)育巷道圍巖呈現(xiàn)碎塊化、低承載力和弱穩(wěn)定性。

2)節(jié)理傾角不同，巖體發(fā)生破壞形式不同，節(jié)理傾角較小(0°～45°)時(shí)，巷道圍巖易發(fā)生拉破壞及拉剪混合破壞。巷道圍巖發(fā)生片幫和大變形，是節(jié)理巷道控制的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

3)提出分區(qū)域控制原則和技術(shù)，通過(guò)圍巖改性和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)實(shí)現(xiàn)控制，得到控制工藝和參數(shù)。研究結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理巷道進(jìn)行了應(yīng)用，巷道圍巖變形量小，圍巖變形得到了有效控制。