近距離采空區(qū)下巷道循環(huán)掘進(jìn)的應(yīng)力擾動(dòng)特征

鄧日鍵，韓昌良，楊厚強(qiáng)，張有志，劉永強(qiáng)，宋 凱，魏 民

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司 葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.山東兗煤黑豹礦業(yè)裝備有限公司，山東 濟(jì)寧 273599)

深井巷道圍巖裂隙發(fā)育，承載能力下降，變形敏感度顯著提高，巷道支護(hù)困難，常發(fā)生大變形失穩(wěn)乃至冒頂潰幫事故，極大地制約了礦井的安全高效生產(chǎn)[1]。各種應(yīng)力擾動(dòng)是造成這種變形破壞的根源問題[2，3]。當(dāng)前，有諸多學(xué)者針對(duì)巷道掘進(jìn)擾動(dòng)等進(jìn)行了一系列的研究，取得了較多的成果。

研究表明，許多學(xué)者在深部巷道擾動(dòng)變形[4-7]、掘進(jìn)應(yīng)力分布規(guī)律[8-10]等方面開展了大量的研究并取得了新的突破，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)巷道變形破壞的主控作用[11，12]。然而，現(xiàn)有的研究對(duì)于近距離采空區(qū)卸壓作用下的巷道循環(huán)掘進(jìn)擾動(dòng)機(jī)理研究尚存在欠缺，相應(yīng)的控制對(duì)策未能充分考慮重復(fù)性擾動(dòng)影響，尤其是巷道掘進(jìn)面鄰近頂板在循環(huán)掘進(jìn)擾動(dòng)下的控制問題還沒有得到很好的解決[13，14]。本文結(jié)合典型工程案例進(jìn)行模擬分析，探究在上覆工作面采空的環(huán)境下巷道掘進(jìn)工作面重復(fù)性推進(jìn)對(duì)鄰近頂板的擾動(dòng)影響，得出開挖卸載與擾動(dòng)應(yīng)力之間的關(guān)系以及應(yīng)力的傳遞規(guī)律，基于擾動(dòng)應(yīng)力波傳播特征進(jìn)行區(qū)域劃分。

1 工程概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市葫蘆素煤礦首采2-1煤層基本開采完畢，相鄰工作面間遺留寬為30m的煤柱。2-1煤層下方是2-2煤層，平均層間距為21.74m，屬于近距離煤層。在21102、21103工作面回采結(jié)束的情況下，于2-2煤層中布置接續(xù)22103工作面。擬研究的巷道為2-2煤層中的22103工作面運(yùn)輸巷，埋深670m。運(yùn)輸巷位于上覆煤層21103采空區(qū)下，即處于卸壓區(qū)范圍內(nèi)，下行開采巷道受到上煤層開采卸壓與殘余應(yīng)力場(chǎng)的耦合影響與制約[15]。巷道與遺留煤柱之間的水平距離為40m。運(yùn)輸巷空間位置如圖1所示。

圖1 巷道空間位置

2-2煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度變化較大，平均厚度3.2m。煤層一般不含夾矸或局部含有2層夾矸，夾矸巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。直接頂巖性主要為粉砂巖，局部夾砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖和中粒砂巖。而底板巖性以中粒砂巖為主，其余為粉砂巖、細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖。頂?shù)装鍙?qiáng)度較低，以軟弱-半堅(jiān)硬巖石為主。

運(yùn)輸巷采用綜掘機(jī)掘進(jìn)，每天共推進(jìn)8m。運(yùn)輸巷斷面為矩形，凈高3.2m，凈寬5.4m，凈斷面17.3m2。全巷采用錨桿、錨索及錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。頂板柔性錨桿直徑21.8mm，長(zhǎng)度4300mm，間距1400mm，排距由原來的1100mm調(diào)整為1400mm，每排4根布置，預(yù)緊力不小于200kN。柔性錨桿壓編織鋼筋網(wǎng)支護(hù)，規(guī)格為?6.5mm×5400mm×1400mm，網(wǎng)孔100mm×100mm。煤幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿與菱形金屬網(wǎng)支護(hù)，其中錨桿直徑22mm，長(zhǎng)度2500mm，間距850mm，排距調(diào)整方案與柔性錨桿一樣，每排各幫4根布置，預(yù)緊力矩不小于300N·m。兩幫幫肩與幫腳位置的錨桿與水平呈15°進(jìn)行安裝，其他位置錨桿和錨索均垂直于巖面布置。菱形金屬網(wǎng)規(guī)格為3200×1500mm。巷道支護(hù)布置如圖2所示。

圖2 運(yùn)輸巷支護(hù)布置(mm)

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 數(shù)值模擬方案

本模型采用FLAC3D軟件建立，模型尺寸為180m(長(zhǎng))×150m(高)×120m(寬)，各個(gè)巖層相關(guān)參數(shù)見表1。巷道為寬5.4m、高3.2m的矩形巷道。模型采用位移固定邊界，頂部為應(yīng)力邊界。模型上部邊界埋深563.3m，下部邊界埋深713.3m。巷道上覆巖體平均密度若按照2500kg/m3計(jì)算，模型頂部邊界所需施加的垂直應(yīng)力為14.08MPa，側(cè)壓系數(shù)λ平均值為1.5。模型如圖3所示。

圖3 三維數(shù)值模型

表1 模型各層的巖石物理力學(xué)參數(shù)

為了符合實(shí)際情況，對(duì)21102、21103工作面先后進(jìn)行開挖，設(shè)置計(jì)算步數(shù)不運(yùn)算平衡，即采空區(qū)垮落但并未壓實(shí)。22103運(yùn)輸巷推進(jìn)一定的距離，選取70m，按設(shè)計(jì)方案支護(hù)，運(yùn)算平衡。隨著上部采空區(qū)逐漸壓實(shí)，卸壓作用慢慢消失。掘進(jìn)面與鄰近柔性錨桿之間最小水平距離為0.6m。擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于頂板同排柔性錨桿中間，即頂板正中央。在距離巷道掘進(jìn)面51m范圍內(nèi)的同一位置均布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)共計(jì)37處。每次循環(huán)開挖步距為200步，通過10次的重復(fù)性開挖得到頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)的卸載擾動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，分析得出應(yīng)力傳播特征及規(guī)律[16，17]。

2.2 應(yīng)力環(huán)境分析

上覆煤層21102、21103工作面開采引起采場(chǎng)周圍應(yīng)力重新分布，遺留區(qū)段煤柱上的支承壓力和采空區(qū)垮落的頂板對(duì)底板巖層產(chǎn)生開采損傷。底板原巖應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力經(jīng)過集中、傳遞、變化等演化過程，最終形成一定的底板巖層應(yīng)力分布形式。工作面開采之后的殘留采動(dòng)應(yīng)力對(duì)下行開采的運(yùn)輸巷有著不可忽視的影響，這種應(yīng)力存在一定的不均衡性[18-20]。下位煤層頂板受上層采動(dòng)影響，覆巖裂隙較為發(fā)育。上位煤層區(qū)段煤柱附近高應(yīng)力集中，而運(yùn)輸巷處于遺留煤柱側(cè)下方、21103采空區(qū)正下方，回避了高應(yīng)力的擾動(dòng)，這對(duì)于運(yùn)輸巷具有一定的卸壓作用，變形破壞力源趨減。隨著上覆采空區(qū)頂板下沉、壓實(shí)，壓力又逐漸恢復(fù)，卸壓效應(yīng)慢慢消退[21-23]。采掘環(huán)境應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 采掘環(huán)境應(yīng)力分布

3 巷道開挖卸載擾動(dòng)應(yīng)力的傳播規(guī)律

3.1 不同擾動(dòng)區(qū)的應(yīng)力傳播規(guī)律

根據(jù)頂板所受擾動(dòng)應(yīng)力的曲線變化趨勢(shì)將頂板支護(hù)區(qū)分為三個(gè)區(qū)域：近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)、中場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)。擾動(dòng)應(yīng)力與頂板某一點(diǎn)距巷道掘進(jìn)面之間的初始距離的關(guān)系如圖5所示。

圖5 擾動(dòng)應(yīng)力與巷道掘進(jìn)面之間的最初距離的關(guān)系

近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)即最初距掘進(jìn)面0～7.6m的范圍內(nèi)，曲線呈現(xiàn)急劇下降的形態(tài)(圖5a)。在距掘進(jìn)面0～2m內(nèi)，曲線為平均斜率-1.785的直線，擾動(dòng)應(yīng)力隨距離的增加而急劇減小。而2～7.6m范圍內(nèi)的曲線為弧形線，擾動(dòng)應(yīng)力降低的變化量較0～2m范圍內(nèi)的擾動(dòng)應(yīng)力遠(yuǎn)小得多。在近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)內(nèi)，掘進(jìn)面在推進(jìn)中擾動(dòng)應(yīng)力變化量為2.84MPa。相較其他兩個(gè)擾動(dòng)區(qū)，頂板擾動(dòng)應(yīng)力遞減變化幅度最大、區(qū)域范圍最小，且破壞影響能力最大。該區(qū)域是擾動(dòng)應(yīng)力傳播的第一時(shí)區(qū)。

中場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)即最初距巷道掘進(jìn)面7.6～42.6m的范圍內(nèi)，擾動(dòng)應(yīng)力以一種振幅越來越小的波形線遞減(圖5b)。擾動(dòng)應(yīng)力進(jìn)一步被削弱，其平均變化量為0.025MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)的應(yīng)力變化量。中場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)是擾動(dòng)應(yīng)力傳播的第二區(qū)，從近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)傳播過來的擾動(dòng)應(yīng)力被削弱成相對(duì)穩(wěn)定、破壞較小的應(yīng)力，隨后傳遞至遠(yuǎn)場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)。

遠(yuǎn)場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)即離巷道掘進(jìn)面初始距離42.6m之外的區(qū)域，曲線以波形線的形式緩緩降低(圖5c)。根據(jù)曲線趨勢(shì)走向可判斷，曲線最終會(huì)相交于橫軸，即擾動(dòng)應(yīng)力消損為0。應(yīng)力波的傳播趨勢(shì)仍具有中場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)應(yīng)力波的形態(tài)特征，但其振幅小，可視為線性傳播，直至損耗消失。故遠(yuǎn)場(chǎng)擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)范圍最廣、破壞能力最小，但該區(qū)域積累的破壞最多。

3.2 應(yīng)力波的傳播規(guī)律

距離巷道掘進(jìn)面最初2m范圍之外的卸載擾動(dòng)應(yīng)力，在消失前其擾動(dòng)應(yīng)力波擬合曲線可被當(dāng)作是“指數(shù)函數(shù)”。10次開挖卸載對(duì)巷道頂板產(chǎn)生了循環(huán)擾動(dòng)作用，每次的卸載應(yīng)力與距掘進(jìn)面初始距離之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，即第一至第十次開挖的函數(shù)表達(dá)式分別為：σ1=0.9718L1；σ2=0.9717L2；σ3=0.9716L3；σ4=0.9715L4；σ5=0.9714L5；σ6=0.9713L6；σ7=0.9712L7；σ8=0.9711L8；σ9=0.9710L9；σ10=0.9709L10。

由上述10組函數(shù)表達(dá)式擬合出頂板擾動(dòng)應(yīng)力與距掘進(jìn)面初始距離之間的關(guān)系，即指數(shù)函數(shù)為：

σ=aL

(1)

式中，σ為當(dāng)次開挖掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的擾動(dòng)應(yīng)力，MPa；L為與巷道掘進(jìn)面的初始距離，m；a為指數(shù)常數(shù)，0

當(dāng)次開挖卸載的曲線指數(shù)常數(shù)比后一次開挖卸載的曲線指數(shù)常數(shù)略大。隨著掘進(jìn)面的推進(jìn)，對(duì)于同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言，曲線的a值越來越小，但不為0。

3.3 同一點(diǎn)擾動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律

巷道掘進(jìn)工作面的鄰近頂板，在每次開挖卸載得到的擾動(dòng)應(yīng)力曲線特征一致。越靠近掘進(jìn)面，卸載擾動(dòng)應(yīng)力值越大，在圖5中則表現(xiàn)為曲線更靠上。巷道在開挖卸載過程中，同一位置頂板所受到的擾動(dòng)應(yīng)力比前一次開挖受到的擾動(dòng)應(yīng)力低，且卸載應(yīng)力越來越小，直至為0。

巖體的開挖卸載對(duì)鄰近支護(hù)體的擾動(dòng)影響較大，同樣地，在支護(hù)下的鄰近頂板受卸載影響也較為敏感。每次開挖卸載過程中，每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化量微乎其微，基本一致。距離巷道掘進(jìn)面最近的頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)在開挖卸載中得到的應(yīng)力變化關(guān)系見表2。

表2 鄰近頂板的擾動(dòng)應(yīng)力變化

空頂距2.6m的位置是近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)內(nèi)的拐點(diǎn)，也是卸載擾動(dòng)應(yīng)力降低率由急劇趨緩和的分界點(diǎn)。區(qū)內(nèi)該處應(yīng)力的變化量和下降百分比最大，分別為0.07MPa和1.91%。此時(shí)應(yīng)力變化量有0.01MPa的波動(dòng)，先增后減、再恢復(fù)為原值，且應(yīng)力下降的百分比波動(dòng)值達(dá)到了最大，為0.3%。而柔性錨桿距離掘進(jìn)面7.6m處是近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)與中場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)的分界點(diǎn)，卸載擾動(dòng)應(yīng)力遞減形態(tài)在該處由直線轉(zhuǎn)變?yōu)檩^緩的波形線。過分界點(diǎn)后應(yīng)力變化量降低0.01MPa后不變，其應(yīng)力下降百分比波動(dòng)值僅次于近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)內(nèi)拐點(diǎn)值，為0.24%。應(yīng)力下降百分比也呈現(xiàn)為波形遞減的趨勢(shì)。

4 工程現(xiàn)場(chǎng)效果分析

4.1 厚層錨固與速度效應(yīng)

巷道錨固系統(tǒng)貫穿了圍巖淺部破碎區(qū)域，構(gòu)建了厚層錨固圈[24]。在柔性錨桿中間“五花眼”位置布置一根加強(qiáng)錨索，規(guī)格為?21.8mm×7300mm，排距5600mm，預(yù)緊力不小于250kN。礦方將排距由1.1m加長(zhǎng)至1.4m，在應(yīng)力調(diào)整初期及時(shí)支護(hù)以充分利用速度效應(yīng)，大大提高了掘進(jìn)速率。

4.2 鉆孔窺視效果分析

距離巷道掘進(jìn)面18.4m處頂板中部施工鉆孔Z1，200m處頂板中部施工鉆孔Z2，每個(gè)鉆孔孔壁特征如圖6所示。

圖6 頂板鉆孔孔壁特征

由圖6(a)可得，裂隙與破壞主要集中在頂板1.3m以內(nèi)，煤巖交界面在頂板3.81m。在頂板0.05、0.44、0.51、1.27m發(fā)現(xiàn)4處裂隙或破碎，破壞范圍小，基本是在掘進(jìn)初期造成的；在頂板0.58、3.78、3.88、4.63、5.88、7.12m共6處存在不同厚度的煤線夾層，直接頂巖層相對(duì)復(fù)雜。

由圖6(b)可得，裂隙分布在頂板2.5m以內(nèi)，在4.02m存在出現(xiàn)煤巖互存現(xiàn)象，巖性較差，強(qiáng)度較低。在頂板0.07、2.47m處發(fā)現(xiàn)2處破碎裂隙，而0.26m處發(fā)現(xiàn)1處離層破碎，頂板淺部巖性強(qiáng)度較低。在頂板0.82、0.86、4.02m共3處分布有厚度較薄的煤線。

根據(jù)上述鉆孔孔壁圖像分析，裂隙集中分布于頂板巖層淺部范圍內(nèi)，并發(fā)現(xiàn)有多條煤線存在于直接頂，降低了巖層的整體性。裂隙均發(fā)生在錨固系統(tǒng)有效錨固范圍內(nèi)，僅存在于頂板淺部，完整性提高，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)至穩(wěn)定期間頂板的安全。

4.3 巷道循環(huán)掘進(jìn)效應(yīng)

開挖期間巷道掘進(jìn)面鄰近擾動(dòng)區(qū)是巷道圍巖損傷演變的第一時(shí)區(qū)，該區(qū)域內(nèi)錨固系統(tǒng)的力學(xué)性能是后期巷道的承載基礎(chǔ)，決定了巷道的支護(hù)效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。巷道掘進(jìn)面卸載的重復(fù)性擾動(dòng)如圖7所示，掘進(jìn)面鄰近錨固系統(tǒng)經(jīng)受重復(fù)性開挖卸載的擾動(dòng)，極易發(fā)生微破裂損傷。若循環(huán)卸載擾動(dòng)期間出現(xiàn)錨固桿體脫粘或錨固巖體離層破裂，則其長(zhǎng)期承載性能必然受損并逐漸弱化，后期再受到構(gòu)造應(yīng)力或二次擾動(dòng)等因素影響則可能造成錨固失效，甚至誘發(fā)冒頂事故[25-27]。因此，厚層錨固圈層的建立將大大提高頂板和圍巖的穩(wěn)定性。

圖7 巷道掘進(jìn)面卸載的重復(fù)性擾動(dòng)

大斷面巷道開挖卸載對(duì)后方錨固系統(tǒng)的擾動(dòng)影響不能忽視，尤其是循環(huán)性開挖巖體造成的多次疊加擾動(dòng)，是誘發(fā)錨固初期損傷的根源，而這正是現(xiàn)場(chǎng)工作中容易疏忽的客觀事實(shí)。巷道掘進(jìn)面鄰近頂板及時(shí)錨固，充分利用速度效應(yīng)降低巖體損傷，以確保錨固系統(tǒng)的安全，這對(duì)于維護(hù)巷道穩(wěn)定、礦井安全生產(chǎn)意義重大。

5 結(jié) 論

1)上覆采空區(qū)對(duì)近距離下煤層巷道掘進(jìn)具有卸壓作用，殘余采動(dòng)應(yīng)力傳遞至巷道頂板，會(huì)產(chǎn)生裂隙損傷。隨著采空區(qū)的壓實(shí)，卸壓效應(yīng)消退。

2)在巷道掘進(jìn)工作面開挖卸載期間，根據(jù)鄰近支護(hù)區(qū)內(nèi)擾動(dòng)應(yīng)力變化形態(tài)可劃為三個(gè)區(qū)域：近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)、中場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)。擾動(dòng)應(yīng)力波在每個(gè)區(qū)域的傳播特點(diǎn)各不相同：近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)距離短、應(yīng)力變化幅度大；中場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)內(nèi)擾動(dòng)應(yīng)力波振幅越來越小，距離稍長(zhǎng)、變化幅度較小；擾動(dòng)應(yīng)力波最終消失損耗于遠(yuǎn)場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)，該區(qū)域范圍最廣，擾動(dòng)破壞最小，累計(jì)破壞最多。

3)距離巷道掘進(jìn)工作面初始2m范圍之外的卸載擾動(dòng)應(yīng)力，在消失前其應(yīng)力波擬合曲線可視為“指數(shù)函數(shù)”。

4)掘進(jìn)工作面鄰近頂板同一位置，卸載擾動(dòng)應(yīng)力變化量幾乎一致。隨著空頂距的增加，應(yīng)力下降百分比的數(shù)值為波形線遞減。距離掘進(jìn)工作面2.6m處為近場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)內(nèi)的拐點(diǎn)，應(yīng)力的變化量有波動(dòng)。而在近、中場(chǎng)擾動(dòng)應(yīng)力區(qū)的分界點(diǎn)處，應(yīng)力遞減的形態(tài)發(fā)生變化，由陡趨緩。

5)對(duì)頂板進(jìn)行鉆孔窺視結(jié)果來看，裂隙主要集中于巖層淺部范圍。從巖層整體性來看情況較好，未發(fā)生離層現(xiàn)象，巷道頂板穩(wěn)固安全。