埋深對巷道圍巖松動圈的影響研究

于占軍，楊玉中，左 寶，劉 軍

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 六礦，河南 平頂山 467000；3.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

地下巷道開挖后，擾動破壞了圍巖原有的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力由三向應(yīng)力狀態(tài)重新分布到雙向應(yīng)力狀態(tài)，隨著應(yīng)力的變化，巷道周圍的巖體逐漸破碎，形成指向巷道的破碎帶，稱為圍巖松動圈。由于深部開采具有高地應(yīng)力、復(fù)雜應(yīng)力的狀態(tài)導(dǎo)致圍巖松動圈的破壞范圍在深部礦井尤為明顯。巷道合理的支護(hù)參數(shù)是保證巷道穩(wěn)定性，避免巷道發(fā)生大變形，塑性流動的有效措施。開展針對巷道的松動圈分布研究，對于支護(hù)參數(shù)的選取具有參考價值，故針對松動圈的分布研究，對于解決深部礦井巷道支護(hù)問題具有重要意義。

許多學(xué)者對圍巖塑性區(qū)的分布進(jìn)行了研究。馬念杰等[1]針對深部采動巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，分析了雙向非等壓條件下巷道圍巖塑性區(qū)形成的力學(xué)機(jī)制及其形態(tài)特征，并對頂板穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了探討。Zhang Jia-hua等[2]基于非線性摩爾庫倫準(zhǔn)則，導(dǎo)出了淺埋雙隧道穩(wěn)定性能以及支護(hù)力的解析解，并分析了埋深、荷載、孔隙水壓力、非線性系數(shù)對支護(hù)力的影響。曹平等[3]提出了拱梁與支護(hù)組合方案，改進(jìn)了圍巖壓力拱的計算方法，建立了樓板梁的力學(xué)模型。徐坤等[4]將聲波法應(yīng)用到了現(xiàn)場實(shí)際中，準(zhǔn)確得到了不同深度巖體的縱波波速，通過波速的變化測得松動圈的范圍?？导t普等[5]利用UDEC數(shù)值模擬軟件，研究了深埋巷道的圍巖和支護(hù)應(yīng)力隨著支護(hù)條件和圍巖性質(zhì)的改變的變化規(guī)律。郭曉菲等[6]利用FLAC3D軟件結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測對開采條件下塑性區(qū)和破壞區(qū)的分布和形態(tài)，以及采掘擾動對巷道變形的影響進(jìn)行了研究，得到了巷道支護(hù)和煤柱的合理尺寸。孫曉明等[7]用數(shù)值模擬法研究了錨桿分別和圍巖在強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)上耦合時對圍巖強(qiáng)度、支護(hù)作用、應(yīng)力場和位移的演化規(guī)律的影響作用。

本文以玉溪煤礦地質(zhì)條件為工程背景，利用聲波法測試了中央輔助運(yùn)輸大巷的松動圈范圍，同時結(jié)合數(shù)值模擬研究了不同深度條件下的松動圈演化規(guī)律，研究結(jié)果對于玉溪煤礦巷道支護(hù)具有指導(dǎo)意義。

1 玉溪煤礦試驗(yàn)地點(diǎn)概況

玉溪煤礦屬于沁水縣胡底鄉(xiāng)管轄，主采3號煤層厚度5.12～7.20 m，平均5.85 m，原始瓦斯含量為26.38 m3/t，瓦斯壓力為1.65 MPa，埋深505～862 m，具有突出危險。礦井設(shè)計產(chǎn)能240萬t/a。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為細(xì)粒砂巖，底板為泥巖，地層局部綜合柱狀圖如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇玉溪煤礦中央輔助運(yùn)輸大巷作為巖石巷道松動圈測試地點(diǎn)。中央輔助運(yùn)輸大巷布置在3號煤層底板下的巖層中，埋深660 m左右，圍巖主要以砂質(zhì)泥巖和粉砂巖、頁巖為主，巷道斷面為直墻半圓拱形斷面，寬5.4 m，高4.3 m，斷面積為20.1 m2。

圖1 地層局部綜合柱狀圖

2 巖石巷道松動圈現(xiàn)場測定

根據(jù)玉溪煤礦圍巖巷道的實(shí)際情況，采用聲波法測定巖石巷道松動圈的范圍。儀器設(shè)備選用CT-2型圍巖裂隙探測儀。測定地點(diǎn)選在玉溪煤礦中央輔助運(yùn)輸大巷的第四巖石巷道聯(lián)絡(luò)巷南部80 m、85 m、90 m位置進(jìn)行測定。測試前選用75 mm鉆桿，施工孔深為4 m，傾角為5°的下向鉆孔，具體地點(diǎn)及鉆孔布置如圖2所示。

圖2 中央輔助運(yùn)輸大巷鉆孔示意

聲波法測定松動圈測定步驟如下：

1) 在前期定下的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，垂直于巷幫位置進(jìn)行施鉆，鉆孔深度為5 m，當(dāng)鉆孔形成后，對鉆孔掃眼，清出孔中巖粉和碎石碴，利用清水對鉆孔進(jìn)行清洗，直到鉆孔內(nèi)排出水未含巖渣為止。

2) 在儀器中安裝電池后，先檢查儀器顯示及電路是否正常，然后螺旋連接測桿和收發(fā)裝置，通過測桿將接收探頭、發(fā)射探頭送入鉆孔底部位置(需要兩人配合)，其余的附屬裝置放在孔口適當(dāng)位置，利用堵水塞進(jìn)行密封，通過注水口進(jìn)入耦合劑(水)，直到金屬桿端部連續(xù)出水。

3) 打開儀器進(jìn)行測量后，拉動刻有刻度的銅金屬測量桿向外移動，即可測出孔內(nèi)不同深度的圍巖波速，每個位置記錄4組數(shù)據(jù)，且在測量結(jié)束后，向外拉動0.1 m，直至試驗(yàn)結(jié)束。

4) 整理數(shù)據(jù)，對每個位置測量得到的4組數(shù)據(jù)求平均數(shù)。將波速作為縱坐標(biāo)，距巷幫的距離作為橫坐標(biāo)，繪制波速與距巷幫距離的關(guān)系圖。根據(jù)現(xiàn)場測定，可以得出玉溪煤礦中央輔助運(yùn)輸大巷松動圈的范圍，如圖3所示。

從圖3可以看出，中央輔助運(yùn)輸大巷1-1號鉆孔在距離巷幫2.9 m范圍內(nèi)，超聲波波速在1 145～1 457 m/s之間波動，平均1 335 m/s；距離巷幫2.9～3.4 m范圍內(nèi)，超聲波傳播速度明顯增大，在1 685～1 800 m/s之間，平均1 739 m/s，增長了30%，說明在此范圍內(nèi)巖體壓密程度較高；3.4 m以后，超聲波傳播速度為1 410～1 684 m/s之間，平均為1 612 m/s，說明此段范圍圍巖處于彈塑性區(qū)域。據(jù)此可判定中央輔助運(yùn)輸大巷1-1鉆孔處巷道圍巖松動圈的范圍為2.9 m。中央輔助運(yùn)輸大巷1-2號鉆孔在距離巷幫2.7 m范圍內(nèi)，超聲波波速1 226～1 581 m/s之間波動，平均為1 404 m/s；在2.7m以后，超聲波傳播速度明顯增大，維持在1 395～2 028 m/s之間，平均為1 720 m/s，增長了22%，說明此段范圍圍巖處于彈塑性區(qū)域。據(jù)此可判定中央輔助運(yùn)輸大巷1-2鉆孔處巷道圍巖松動圈的范圍為2.7 m。同理，可判定中央輔助運(yùn)輸大巷2-1、2-2、3-1、3-2鉆孔處巷道圍巖松動圈的范圍分別為2.7 m、2.7 m、2.7 m、2.8 m。綜上所述，玉溪煤礦中央輔助運(yùn)輸大巷圍巖松動圈的范圍為2.7～2.9 m。

3 巷道松動圈數(shù)值模擬

現(xiàn)場測定巖石巷道松動圈的過程中，只能得到巖石巷道松動圈的具體破壞范圍，并不能得出巷道形狀變化和巷道深度變化條件下巖石巷道松動圈的變化規(guī)律，加之現(xiàn)場測試成本較大、工程量較大、施工周期長，因此本文運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證分析，以得到不同巷道形狀和不同巷道深度條件下巖石巷道松動圈的變化規(guī)律，為玉溪煤礦施工設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

在巷道巖體在形成過程中，由于地質(zhì)條件的影響，存在層理和節(jié)理的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，故巷道巖體為一種非均質(zhì)、非連續(xù)以及周圍應(yīng)力條件復(fù)雜的一種介質(zhì)。但在研究過程中，選取的是較大的區(qū)域，可以近似地看作可向同性的均質(zhì)體。為使問題簡化，做出如下假設(shè)：

1) 巷道圍巖為理想的彈塑性體，滿足 Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則；

2) 各個巖層均為層狀分布，巖體為均質(zhì)的各向同性體；

3) 因巖層傾角較小，為方便計算按水平巖層考慮；

4) 不考慮地下水滲流的影響。

3.2 物理模型及邊界條件的建立

選擇玉溪煤礦中央輔助運(yùn)輸大巷為巖石巷道的工程背景，選用的巖石破壞準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，在所建模型上部加載對應(yīng)埋深為的地應(yīng)力(巖石密度均值為2 500 kg/m3)。模型左右采用滾動邊界條件，下部采用固定邊界條件，如圖4所示。

圖4 物理模型圖

根據(jù)玉溪煤礦中央輔助運(yùn)輸大巷頂?shù)装鍘r性的實(shí)際情況，該模型巖石巷道位于砂質(zhì)泥巖中，頂板巖性為泥巖、細(xì)粒砂巖和泥巖，底板巖性為粉砂巖、細(xì)粒砂巖。通過查閱玉溪煤礦相關(guān)報告以及相關(guān)研究成果，得到具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

3.3 不同埋深條件松動圈數(shù)值模擬

巷道周圍巖體開挖前的初始地應(yīng)力由巷道埋深所致，初始地應(yīng)力決定了巷道開挖后的穩(wěn)定情況。通過現(xiàn)場情況，選擇斷面積為20 m2，埋深為260 m、460 m、660 m、860 m的情況，研究不同埋深對巷道松動圈分布的影響。通過模擬可以得到巷道圍巖分別在埋深為260 m、460 m、660 m、860 m 的松動圈(破壞區(qū))分布圖，如圖5所示。

由圖5(a)可以看出，巷道周邊的松動圈是以巷道中心為對稱軸左右對稱分布的，在巷道的底角位置出現(xiàn)了0.5～0.6 m小范圍的松動圈，在巷道兩側(cè)以及巷道頂?shù)装逦闯霈F(xiàn)明顯的松動圈分布。這是由于拱形巷道底角尖銳的角度形成應(yīng)力集中，故松動圈優(yōu)先在巷道底角位置出現(xiàn)。

由圖5(b)可以看出，巷道周邊的松動圈以巷道中心為對稱軸左右對稱分布的。相對于260 m的巷道，巷道兩側(cè)和巷道底角位置松動圈的范圍明顯增大。在巷道底角松動圈為1.6 m左右，在巷道兩側(cè)位置上松動圈的范圍為1～1.2 m，巷道斜上方位置松動圈分布相對較小。這是由于隨著埋深的增加，巷道所受的地應(yīng)力增大，導(dǎo)致松動圈在巷道底部繼續(xù)延伸，同時地應(yīng)力達(dá)到了巷道所在巖層的破壞強(qiáng)度，故松動圈在巷道兩幫開始逐漸發(fā)育。

由圖5(c)可以看出，巷道周邊的松動圈以巷道中心為對稱軸左右對稱分布，且在形狀上表現(xiàn)為“蝴蝶形”。相對于460 m的巷道，在巷幫、巷道底角以及巷道斜上方位置松動圈的范圍明顯增大。在巷道底角位置松動圈為6.8 m，增加了2.5倍。在巷道兩幫位置上松動圈范圍為3 m，增加了1.5倍。巷道斜上方位置松動圈分布為6.3 m。由于地應(yīng)力的增大，松動圈在巷道周圍持續(xù)發(fā)育。當(dāng)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值η>3時，巷道斜上方發(fā)育較為明顯，巷道底角和巷道兩幫的松動圈繼續(xù)延伸，最終松動圈在形狀上表現(xiàn)為“蝴蝶形”分布。

由圖5(d)可以看出，巷道周邊的松動圈以巷道中心為對稱軸左右對稱分布的。相對于660 m的巷道，在巷幫、巷道底角以及巷道斜上方位置松動圈的范圍均明顯增大。在巷道底角位置松動圈為11 m，增加了0.6倍。在巷道兩幫位置偏上的松動圈的范圍為15～16 m，增加了4倍左右。在巷道兩幫位置偏下的松動圈范圍為16～18 m，增加了5倍。巷道斜上方位置出現(xiàn)的松動圈分布為8.6 m，增加了0.4倍。這是由于隨埋深的加大，巷道承受極高的地應(yīng)力，巷道所在巖層強(qiáng)度相比于地應(yīng)力較小，導(dǎo)致松動圈在巷道兩幫發(fā)育十分明顯。不同深度下松動圈的范圍數(shù)據(jù)參數(shù)如表2所示。

表2 不同深度下巖石松動區(qū)的范圍

通過以上分析，隨著埋深的增加，巷道兩幫、巷道底角以及巷道斜上方位置的松動圈的范圍逐漸變大，且在巷幫的增加速度大于在巷道底角以及巷道斜上方位置的增加速度。隨著埋深的增加，巷道頂板和巷道底板均沒有出現(xiàn)明顯的松動圈。

為了進(jìn)一步研究松動圈的范圍與埋深之間的關(guān)系，取3個區(qū)域(巷道底角、巷道兩幫、巷道斜上方)松動圈的最大影響范圍進(jìn)行累加，得到巷道松動圈深度和隨埋深的變化規(guī)律，如圖6所示。分析圖6可得，松動圈深度和與埋深之間滿足的指數(shù)關(guān)系，故隨著埋深的增加，巷道松動圈的范圍逐漸增加，且增加的速度越來越快。

圖6 松動圈深度和隨埋深的變化規(guī)律圖

4 結(jié) 語

1) 隨著深度增加，當(dāng)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值η>3時松動圈分布大致呈“蝴蝶形”分布，且巷道設(shè)計時斷面越“圓滑”，其松動圈的范圍就越小，相對于具有尖銳角度的巷道具有更好的穩(wěn)定性。

2) 隨著埋深的增加，巷道松動圈的范圍逐漸增加，且增加的速度越來越快，并且松動圈的范圍與埋深之間滿足指數(shù)關(guān)系。

3) 根據(jù)玉溪煤礦的實(shí)際情況(埋深660 m)，經(jīng)現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬得到斷面積20 m2，斷面形狀為拱形的中央輔助運(yùn)輸大巷(巖巷)圍巖松動圈的范圍為2.7～2.9 m。

4) 由于玉溪煤礦的頂板和底板巖性的特殊性，巷道底板以下10 m處的巖石強(qiáng)度大于其他巖層，從而限制了底部拐角處的巖石松動圈的延深發(fā)育，今后研究應(yīng)針對不同的頂板和底板巖性條件進(jìn)行進(jìn)一步的分析和討論。