深部煤巷偏應(yīng)力場分布特征及圍巖控制研究

史明將，弓培林，姚春波，牛奮蹄，范東旭

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

隨著煤炭開采規(guī)模及強度的大幅度提高，開采深度由淺部逐漸向深部轉(zhuǎn)移[1-5]。同時為滿足通風(fēng)、生產(chǎn)和工作面接續(xù)等需要，工作面巷道常采用雙巷掘進(jìn)的方式布置[6，7]，該方式造成了需要保留的巷道受到重復(fù)采動影響，巷道服務(wù)時間長，礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，支護結(jié)構(gòu)失效，煤壁片幫，冒頂事故頻繁，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用。

巷道圍巖的穩(wěn)定性是保證煤礦安全生產(chǎn)的必要條件。深部高地應(yīng)力巷道開挖后應(yīng)力分布狀態(tài)及圍巖塑性區(qū)發(fā)育范圍與淺部巷道明顯不同[8，9]。針對深部巷道圍巖變形和控制機理，許多學(xué)者做了深入研究?？导t普等[10，11]分析留巷圍巖的應(yīng)力分布，提出了留巷受工作面采動影響較大，在本工作面后方一定距離變形急劇增加后趨于穩(wěn)定，受二次采動影響后，變形顯著增加。陳梁等[12]分析不同屈服準(zhǔn)則和條件下巷道圍巖的變化，得出了中間主應(yīng)力具有明顯的區(qū)間效應(yīng)。張明等[13]分析多煤層條件下巷道破壞的規(guī)律，提出了動壓卸、靜壓補的巷道控制手段。潘岳等[14]推導(dǎo)得出圍巖彈塑性區(qū)應(yīng)力分布的表達(dá)式，并用重積分計算了彈性區(qū)、塑性區(qū)的偏應(yīng)力應(yīng)變能。吳祥業(yè)等[15]針對留巷受到采動影響破壞嚴(yán)重等問題，提出了動-靜組合的重復(fù)采動巷道塑性區(qū)機制。趙洪寶等[16]通過分析巷道圍巖偏應(yīng)力場、應(yīng)變能密度的分布規(guī)律，得出了不同的構(gòu)造應(yīng)力場中分布規(guī)律明顯不同。

這些研究成果均表明深部巷道變形機理的復(fù)雜性和多樣性。本文結(jié)合趙莊煤礦33092巷具體工程實況，分析巷道圍巖偏應(yīng)力和塑性區(qū)的分布形態(tài)，得出33092巷道圍巖的破壞特征；采用FLAC3D模擬33092巷道從掘進(jìn)到報廢的全壽命周期，分析了受重復(fù)采動影響的巷道圍巖塑性區(qū)的演化規(guī)律；并結(jié)合工程實踐提出相應(yīng)的控制手段。

1 工程概況

山西趙莊煤業(yè)主采3#煤層，煤層平均厚度為4.60m。研究對象為3盤區(qū)3309工作面回風(fēng)巷道-33092巷。巷道位置與工作面分布如圖1所示。33092巷平均埋深約為780m。33092巷在3309工作面回采期間作為回風(fēng)巷使用，3309工作面回采完畢后保留下來作為3310工作面進(jìn)風(fēng)巷，33092巷與33091巷之間留設(shè)50m的保護煤柱。

圖1 33092巷位置與工作面分布

33092巷沿煤層頂板布置，巷道斷面為矩形，凈斷面規(guī)格為：寬5.4m×高4.4m，凈斷面積為23.76m2，采用錨網(wǎng)索對稱式支護。支護方式如圖2所示?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明該支護方式不能滿足安全生產(chǎn)要求，錨索破斷、煤壁片幫、底板底鼓等。

圖2 33092巷道斷面支護(mm)

2 巷道圍巖偏應(yīng)力和塑性區(qū)分布特征

2.1 巷道圍巖偏應(yīng)力分布特征

巖體單元應(yīng)力可分解為球應(yīng)力和偏應(yīng)力，巖體單元的體積變形由球應(yīng)力控制，形狀變形由偏應(yīng)力決定[17]。通過研究巷道周圍應(yīng)力狀態(tài)的偏應(yīng)力分布規(guī)律，從而獲得巷道圍巖的破壞形態(tài)。以圓形巷道為例，巷道周圍應(yīng)力分布如圖3所示。

σx—水平主應(yīng)力；σz—垂直應(yīng)力；σy—平行軸向的應(yīng)力；R—巷道半徑；r—單元到巷道中心的距離；θ—單元與水平方向的夾角；v—泊松比；σr—徑向應(yīng)力；σθ—切向應(yīng)力；σV—平行軸向的應(yīng)力

巷道平面應(yīng)變由彈性力學(xué)得式(1)：

(1)

式中，τrθ為巷道圍巖單元的剪應(yīng)力，MPa。

根據(jù)平面主應(yīng)力關(guān)系和式(1)可得r、θ平面內(nèi)的三個主應(yīng)力為：

σ2=σV

(2)

由巖土塑性力學(xué)知應(yīng)力偏張量的三個主向與應(yīng)力一致，三個主值為：

S1=σ1-p

S2=σ2-p

S3=σ3-p

(3)

聯(lián)列式(1)、式(2)、式(3)，得巷道主偏應(yīng)力值為：

(4)

當(dāng)考慮應(yīng)力洛德角變化時，巷道所處應(yīng)力環(huán)境σx、σy、σz與球應(yīng)力p、偏應(yīng)力q、應(yīng)力洛德角θσ之間的關(guān)系可用式(5)表示：

(5)

通過理論分析和趙莊煤礦提供地應(yīng)力測試報告得出巷道所處應(yīng)力為：σ1=25.45MPa，σ2=20.58MPa，σ3=13.02MPa。將數(shù)據(jù)帶入式(4)，計算可得33092巷最大偏應(yīng)力分布特征，如圖4所示。

圖4 33092巷道圍巖偏應(yīng)力S1分布規(guī)律

從圖4分析可知：①33092巷在掘進(jìn)期間圍巖偏應(yīng)力呈對稱的“8”字型分布，隨著3309工作面的開采，33092巷受到3309工作面采動影響，巷道應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，巷道圍巖偏應(yīng)力整體呈傾斜的“8”字型分布；3309工作面回采完畢后，由于受到3310工作面的二次采動影響，應(yīng)力洛德角進(jìn)一步增大，巷道圍巖偏應(yīng)力呈更傾斜的“8”字型分布；②巷道圍巖偏應(yīng)力在巷道表面時達(dá)到最大，約為20MPa，距離巷道越遠(yuǎn)，圍巖偏應(yīng)力也越?。虎巯锏理敯遄髠?cè)偏應(yīng)力明顯大于巷道頂板右側(cè)，巷道底板右側(cè)偏應(yīng)力明顯大于巷道底板左側(cè)，而對于巷幫來說，左側(cè)巷幫下部偏應(yīng)力較大，而右?guī)蛣t正好與之相反，該巷道屬于明顯的非對稱性破壞方式。

2.2 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

由文獻(xiàn)[18]可得關(guān)于圓形巷道圍巖塑性區(qū)邊界隱性方程，即：

(6)

式中，k為側(cè)壓系數(shù)；c為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

將現(xiàn)場數(shù)據(jù)帶入式(6)，當(dāng)f(r，θ)=0時可求得巷道圍巖塑性區(qū)分布方程。33092巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律如圖5所示。由圖5分析可知，33092巷圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律與圍巖偏應(yīng)力S1分布規(guī)律基本一致，進(jìn)一步驗證了巷道破壞特征分布規(guī)律。

圖5 33092巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

3 巷道圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律

3.1 數(shù)值模型

為了獲得33092巷道全壽命周期的塑性區(qū)演化規(guī)律，分析33092巷掘進(jìn)期間、3309工作面回采過程和3310工作面回采對33092巷道的破壞影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以趙莊煤礦工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立數(shù)值模型如圖6所示，尺寸為600m×1000m×60m。模型上部施加垂直荷載18.35MPa，模型四周和底部為固定約束，水平初始應(yīng)力值為25.45MPa。模型中各巖層采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。數(shù)值模型中的各巖層巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

圖6 33092巷道數(shù)值模型(m)

3.2 巷道圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律分析

巷道監(jiān)測面設(shè)置在33092巷距離工作面開切眼500m 的位置，通過進(jìn)行33092巷掘進(jìn)過程、3309工作面回采(0～1000m)、3310工作面回采(0～500m)的數(shù)值模擬，來獲得33092巷道圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律。工作面推進(jìn)100m記錄一次塑性區(qū)分布特征。監(jiān)測面的塑性區(qū)分布特征如圖7所示。

由圖7分析：隨著3309工作面及3310工作面回采過程的采動影響，33092巷道圍巖塑性區(qū)大致分為：①掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段：33092巷道掘進(jìn)期間和3309工作面回采0～300m過程中，塑性區(qū)呈現(xiàn)頂?shù)装迤茐某潭让黠@大于兩幫的對稱破壞形態(tài)，塑性區(qū)破壞程度未發(fā)生明顯變化。②一次采動影響階段：3309工作面開采300～700m過程中，塑性區(qū)出現(xiàn)明顯的非對稱破壞，塑性區(qū)破壞向深部擴展，巷道頂板左側(cè)、底板右側(cè)塑性區(qū)破壞范圍明顯大于頂板右側(cè)和底板左側(cè)。③一次采動后穩(wěn)定階段：3309工作面回采700～1000m過程中，巷道塑性區(qū)形態(tài)和范圍未發(fā)生較大變化，此時監(jiān)測面處于3309工作面采動影響后的穩(wěn)定階段。④二次采動影響階段：3310工作面回采過程中，33092巷受到二次采動影響，塑性區(qū)破壞深度、形態(tài)均發(fā)生較大變化，巷道頂部塑性破壞區(qū)與幫部破壞區(qū)相連，逐漸向區(qū)段煤柱擴展。

通過數(shù)值模擬結(jié)果分析可知：33092巷道由于受到3309工作面采動影響和3310工作面的二次采動影響，巷道圍巖塑性區(qū)由掘進(jìn)期間的對稱破壞逐漸發(fā)展為傾斜的非對稱破壞，并隨著3310工作面的二次采動影響，非對稱破壞進(jìn)一步擴大；由偏應(yīng)力決定單元的形狀變形，因此巷道頂板左側(cè)、底板右側(cè)偏應(yīng)力明顯大于頂板右側(cè)和底板左側(cè)的偏應(yīng)力，該結(jié)論與圍巖偏應(yīng)力S1的演化過程基本保持一致。

4 圍巖控制技術(shù)

4.1 支護方案

針對33092巷的非對稱破壞，在原有支護方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研、結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，提出了新的巷道支護改進(jìn)方案，如圖8所示。巷道頂板左側(cè)距巷幫800mm處增設(shè)一根錨索，以15°的角度安設(shè)，錨索之間用W型鋼帶連接，形成簡式桁架錨索的非對稱支護，錨索間排距為1500mm×2400mm；巷道底板由原先的無支護變?yōu)樵谙锏赖装逵覀?cè)每排增設(shè)兩根錨索平行布置，錨索間排距為1500mm×2400mm，用于防止巷道底板底鼓；巷道幫部則分別在左幫下側(cè)和右?guī)蜕蟼?cè)增設(shè)兩根錨索，防止煤壁片幫、變形等問題。

圖8 33092巷道斷面改進(jìn)支護方案(mm)

為更好的反映原支護方案和改進(jìn)支護方案后產(chǎn)生的支護應(yīng)力場，在不考慮原巖應(yīng)力場的條件下，采用FLAC3D模擬分析不同支護方案的支護應(yīng)力場的分布特征，如圖9所示。

圖9 巷道圍巖支護應(yīng)力場分布特征

由圖9分析可知，原支護方案(a)中：巷道圍巖錨桿錨索錨固范圍內(nèi)形成一定的壓應(yīng)力疊加區(qū)，但其對巷道頂角和巷道底板處錨固范圍較小，遠(yuǎn)小于其巷道圍巖塑性區(qū)的破壞范圍，不利于巷道圍巖控制，此時疊加區(qū)巷道圍巖的最大壓應(yīng)力值約為4.8MPa；改進(jìn)支護方案(b)中通過對巷道頂板左側(cè)、巷道左幫下部、巷道右?guī)蜕喜?、巷道底板增設(shè)錨索，使其原巷道非對稱破壞區(qū)域形成壓應(yīng)力區(qū)，有效的控制了巷道圍巖變形，巷道圍巖錨桿錨索錨固范圍內(nèi)形成完整的壓應(yīng)力疊加區(qū)，此時疊加區(qū)巷道圍巖的最大壓應(yīng)力值約為7.7MPa，該支護方案較原支護方案具有明顯的優(yōu)勢。

4.2 井下工業(yè)試驗

支護方案在趙莊煤礦進(jìn)行工業(yè)試驗，并采用十字交叉法對底鼓量、巷道兩幫移近量和頂?shù)装逦灰谱冃瘟窟M(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果如圖10所示。

圖10 改進(jìn)支護方案后巷道相對收斂量

由圖10可知，巷道自支護后的20d時間內(nèi)，圍巖整體變形速度與變形量較大，巷道圍巖變形主要發(fā)生在頂?shù)装?，頂?shù)装迨諗苛繛?58mm，兩幫收斂量為180mm，底鼓量為15mm；之后圍巖變形趨于相對穩(wěn)定的緩慢增長，監(jiān)測至60d時，頂?shù)装迨諗苛繛?44mm，兩幫收斂量為228mm，底鼓量55mm；60d之后圍巖變形趨于穩(wěn)定。試驗巷道在服務(wù)期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)錨桿、錨索破斷失效現(xiàn)象，巷道圍巖穩(wěn)定性好，巷道斷面未出現(xiàn)明顯的變形。

5 結(jié) 論

1)通過對趙莊煤礦33092巷現(xiàn)場調(diào)研和理論分析，得出33092巷圍巖偏應(yīng)力S1分布規(guī)律為傾斜的“8”字型，屬于明顯的非對稱性破壞。該結(jié)果與巷道破壞現(xiàn)狀和圍巖塑性區(qū)理論計算范圍較為吻合。

2)采用FLAC3D研究分析了33092巷道圍巖破壞的塑性區(qū)演化規(guī)律，得出了隨著3309工作面及3310工作面回采過程的采動影響，33092巷道圍巖塑性區(qū)大致分為4個階段：①掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段；②一次采動影響階段；③一次采動后穩(wěn)定階段；④二次采動影響階段。

3)結(jié)合理論分析、現(xiàn)場工程實際情況和數(shù)值模擬，提出了巷道圍巖非對稱支護方案，方案改進(jìn)后的巷道穩(wěn)定性得到明顯的改善，巷道變形整體處于可控狀態(tài)，保證了其在服務(wù)期內(nèi)的安全使用。