層狀巖層影響下煤礦巷道穩(wěn)定性研究

徐 峰 （安徽理工大學，安徽 淮南 232000）

0 引言

在淮南礦區(qū)中層狀巖層分布較為廣泛，因其不同巖層的沉積時間、礦物成分等成巖條件各不相同，且不同巖層的厚度及力學特性相差較大，不同方向、不同深度的層狀巖層力學特征相去甚遠。層狀巖層在垂直于層面方向上可以傳遞較大的壓應(yīng)力，僅能傳遞較低的拉應(yīng)力，圍巖整體性差，易產(chǎn)生碎脹，形成拉裂區(qū)域，進而導致冒頂、底臌等問題；若僅用均勻巖體支護的方法對傾斜巖層進行支護，由于巖體各處的各項異性，導致支護結(jié)構(gòu)受力不均勻，易使得層狀巖塊發(fā)生滑移，尤其易在肩角和幫部位置出現(xiàn)大變形。由于層狀圍巖條件下巷道掘進引起的頂板離層、兩幫非對稱收斂、底臌、肩角閉合等圍巖破壞現(xiàn)象，極易產(chǎn)生安全問題并影響煤礦生產(chǎn)進度。因此，需分析層狀巖層覆蓋下煤礦巷道圍巖應(yīng)力分布特點及其易破壞位置，并有針對性地對其進行加固。

李曉紅等表示層狀巖體下巷道圍巖最大地應(yīng)力方向不是巷道圍巖破壞的方向，而是在垂直于層面方向上。沙鵬等表示層狀圍巖主要沿巖層層面法線方向產(chǎn)生擠壓變形，且該方向的強度最弱。李樹忱等表示開挖多裂隙且具有傾角的巖體時，頂板及底板巖體主要產(chǎn)生大變形、兩幫巖體具有分層破裂特征，沿裂隙方向在巷道兩旁呈“耳朵狀”分布。周應(yīng)麟等表示層狀巖體破裂后會導致圍巖變形，巖層傾角與巷道開挖后穩(wěn)定性成反比，傾角越大，穩(wěn)定性越差，且當傾角在40°左右時，對二次襯砌產(chǎn)生偏壓現(xiàn)象最為明顯。張學民表示層狀巖層層面傾角角度的變化影響巖石材料的強度，具有的傾角效應(yīng)，沿著平行或垂直于層理面方向，巖體的抗壓強度最大，抗壓強度與層面傾角的關(guān)系曲線分別呈“U”型、肩型或波浪型。王輝表示層狀復合巖層巷道頂板、底板、兩幫的變形破壞具有明顯的耦合作用特征。

本文在此基礎(chǔ)上，以顧橋煤礦巷道為背景，通過基爾希方程來分析巷道周圍的應(yīng)力分布，并結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷巷道最易破壞及形變較快位置。

1 工程背景

本文選取的顧橋煤礦巷道周圍巖體巖性由上到下主要為細砂巖、煤線、泥巖、砂質(zhì)泥巖等，巖層產(chǎn)狀為88°～92°、∠5°～7°。如圖1所示。

圖1 綜合地層柱狀圖

2 理論分析

當對層狀圍巖體進行開挖時，受開挖影響,巷道周圍巖體向內(nèi)徑向變形，當有巖體效約束不足時，層間節(jié)理最先發(fā)生破壞，巖層發(fā)生受剪破壞最終導致層狀圍巖失穩(wěn)。因此，在分析最大可能破壞位置時，需找出平行于層狀巖層傾角的最大切向應(yīng)力位置。本文假設(shè)在層狀巖層處發(fā)生滑移、剪脹變形前，巷道周圍巖體為具有均質(zhì)性、各向同性和線彈性特征，且巷道斷面為圓形，埋深深度大于巷道直徑的二十倍（如圖2所示），用彈性理論中基爾希解來計算環(huán)向應(yīng)力（如圖3所示）。

圖2 層狀巖層下巷道-圍巖示意圖

圖3 在極坐標系下使用彈性理論確定的環(huán)形巷道應(yīng)力分布[9]

基爾希方程即：

σ,σ,τ—徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力和剪應(yīng)力；

λ—側(cè)壓力系數(shù)；

ρ—巷道半徑；

r—巷道中心到應(yīng)力計算點的距離；

θ—在極坐標系中的角度。

經(jīng)對煤礦深部原巖應(yīng)力場進行實測，側(cè)壓力系數(shù)一般為1.0～1.6。由基爾希方程易知當λ＞1，r=ρ時，σ為零，σ較大且與cos2θ的變化成正比。當σ平行于層狀巖層傾角時，層狀巖體所受的剪應(yīng)力最大，層間節(jié)理首先破壞，巖層受剪切作用導致斷裂最終巖體發(fā)生滑移、拱曲、變形，具體表現(xiàn)為肩角內(nèi)擠、底臌，如圖4。

圖4 巷道肩角內(nèi)擠、底臌示意圖

3 現(xiàn)場觀測

在巷道選取觀測斷面，并在斷面布置測點及感光測片，使用精度較高的全站儀進行位移監(jiān)測，獲得各點的三維坐標，并通過向量運算得到頂板、肩部及兩幫的相對收斂位移。本次選擇斷面5進行監(jiān)測，斷面位置圖如圖5，測點布置圖如圖6，監(jiān)測結(jié)果如圖7。監(jiān)測結(jié)果表明：巷道斷面肩部位置的變形顯著大于頂部和兩幫。

圖5 斷面位置圖

圖6 圍巖表面收斂位移監(jiān)測布置

圖7 圍巖表面收斂位移監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論

若巷道處在深部層狀巖層中，當巷道巖體處于彈性變形階段時，在巷道輪廓切應(yīng)力方向平行于巖層產(chǎn)狀方向的位置處，巖層最易發(fā)生彎曲、剪切破壞。在顧橋煤礦巷道中，巷道肩角的變形速率明顯大于頂板及兩幫，后期可以通過圍巖注漿、錨桿（索）進行針對性加固。