基于構(gòu)造應(yīng)力的弱面斜穿巷道圍巖變形特征

谷翱翔,余偉健,2,3*,潘豹

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

隨著礦區(qū)開采深度的增加,巷道所處的工程地質(zhì)條件越發(fā)復(fù)雜.在“三高一擾動”作用下,巷道掘出后圍巖碎脹、擴容等大變形現(xiàn)象嚴(yán)重.巷道多布置于強度較低的沉積地層中,受沉積巖成層特征、層間巖性及賦存結(jié)構(gòu)差異的影響,掘進中揭露的圍巖類型多、巖性各異.層狀巖體中常分布一種強度低、厚度小、膠結(jié)性差的特殊成層結(jié)構(gòu),如軟弱結(jié)構(gòu)面、裂隙破碎帶、軟弱夾層、破碎夾層和泥化夾層等,簡稱巷道弱面.弱面在應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生損傷破壞,加劇鄰近巖層松動破裂區(qū)的擴展,威脅巷道整體穩(wěn)定[1-3].因此,研究弱面與構(gòu)造應(yīng)力組合作用對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,對類似巷道確定支護技術(shù)與參數(shù)具有一定的工程實際意義.

關(guān)于弱面對巷道變形的影響,國內(nèi)外諸多學(xué)者做了大量的研究.趙同彬等[4]通過巖石力學(xué)試驗,分析了加錨前后節(jié)理巖石破壞形態(tài)、強度特征以及加載過程中變形場演化規(guī)律和錨固控制機制;許鵬等[5]采用霍普金森桿作為沖擊加載裝置,記錄傾斜弱面介質(zhì)中運動裂紋的擴展過程,對裂紋周圍應(yīng)變場的演化過程、裂紋尖端的開裂應(yīng)變以及裂紋的擴展速度進行了分析;于永江等[6]通過對含結(jié)構(gòu)面巖石進行擾動力學(xué)試驗,發(fā)現(xiàn)在循環(huán)動力擾動下,巖石塑性變形積累值與擾動循環(huán)加載次數(shù)存在函數(shù)關(guān)系;余偉健等[7～8]通過FLAC3D軟件對礦山現(xiàn)場調(diào)查的裂隙進行重構(gòu),分析了我國南方地區(qū)部分礦區(qū)常規(guī)支護方式下典型裂隙巷道圍巖變形破裂特征,結(jié)合巷道圍巖變形特點提出綜合控制原則及關(guān)鍵技術(shù);丁乙等[9]在摩爾-庫倫準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,建立多弱面條件下的強度破壞準(zhǔn)則,建立頁巖地層坍塌壓力預(yù)測模型;經(jīng)來旺等[10]以甘肅平?jīng)瞿车V為背景,利用3DEC軟件構(gòu)建數(shù)值模型,分析中間巖層厚度和節(jié)理弱面厚度對上行開采的影響;姚錫偉等[11]運用FLAC3D軟件,研究了隧道圍巖在雙弱面不同空間位置組合下的破壞模式;王亞瓊等[12]以云南昭樂某隧道為工程背景,研究高地應(yīng)力環(huán)境下水平層狀隧道圍巖的變形破壞特征,構(gòu)建水平層狀圍巖力學(xué)模型,探討了隧道圍巖變形破壞機理;劉邦等[13]將貫穿隧道的節(jié)理及斷層近似為穿越隧道的裂紋,通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究雙軸作用下模型的損傷破壞規(guī)律;郭富利等[14]以堡鎮(zhèn)隧道為研究背景,建立含軟弱夾層圍巖的力學(xué)模型,并分析了含軟弱夾層圍巖變形破壞的演化過程.

以上成果對復(fù)雜地質(zhì)條件下含弱面圍巖的變形破壞特征研究均有積極的作用,但對于構(gòu)造應(yīng)力影響下傾斜弱面斜穿巷道圍巖變形的研究卻較少涉及.為了揭示弱面斜穿巷道圍巖的力學(xué)特性與變形特性,本文以木孔煤礦為工程背景,取+600 m處巷道為研究對象,采用3DEC(3 Dimension Distinct Element Code)數(shù)值模擬軟件,模擬分析不同側(cè)壓系數(shù)條件下受弱面影響的巷道圍巖的變化特征.

1 工程地質(zhì)概況

木孔煤礦礦區(qū)主要為碳酸鹽巖巖溶地貌,次為碎屑巖侵蝕地貌.+600 m處運輸大巷處于該礦井的3#和5#煤層之間,埋深為300 m左右.該巷道圍巖的主要礦物成分為硅質(zhì)灰?guī)r、粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖,均為弱隔水層.區(qū)域內(nèi)主要水源為裂隙水,預(yù)計最大流量為5～10 m3/h,對生產(chǎn)無太大影響.具體綜合巖性如圖1所示.

圖1 木孔煤礦綜合柱狀圖[15]

2 數(shù)值模擬

2.1 巖體力學(xué)參數(shù)

+600 m運輸大巷頂板布置在硅質(zhì)灰?guī)r層,底板為粉砂巖,在掘進過程中,局部出現(xiàn)小型地質(zhì)構(gòu)造.通過巖石力學(xué)試驗獲得基礎(chǔ)巖石力學(xué)參數(shù),具體數(shù)值見表1.

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值計算

根據(jù)工程地質(zhì)資料,建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型.模型長×寬×高(X×Y×Z)=50 m×20 m×50 m,巷道凈斷面為4.60 m×4.15 m,巷道斷面為半圓拱形,埋深300 m,弱面傾角分別為0°,15°,30°,45°,60°,75°.巷道圍巖的本構(gòu)模型選擇摩爾庫倫模型,弱面由犀牛軟件建模生成,并弱化其黏結(jié)參數(shù),剛度為周邊單元體等效剛度的10倍,根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)對巖層賦值.計算模型的前后左右和底部取位移邊界,上部取應(yīng)力邊界,模型上部應(yīng)力為上覆巖層的自重應(yīng)力,大小為5.8 MPa.數(shù)值模型如圖2所示(圖2為弱面傾角為30°時的數(shù)值模型).

圖2 弱面傾角α=30°時的計算模型

在模擬過程中對巷道變形進行監(jiān)測,在巷道頂、底板以及兩幫對稱布置監(jiān)測點,監(jiān)測點位置見圖3.

圖3 監(jiān)測點位置

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同側(cè)壓系數(shù)下弱面傾角對巷道圍巖變形的影響

當(dāng)側(cè)壓系數(shù)k=1.0,1.5,2.0,2.5時,研究不同弱面傾角(0°,15°,30°,45°,60°,75°)對巷道圍巖的變形情況.限于篇幅,選取弱面傾角α=15°,30°和45°時的位移云圖,如圖4所示.根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及位移云圖可知:巷道開挖后,在水平方向的位移均表現(xiàn)為向巷道中心收斂;豎向位移受弱面傾角影響較大,主要發(fā)生在底板與巷道左幫.

圖4 不同側(cè)壓系數(shù)與弱面傾角組合下巷道圍巖位移云圖

3.1.1 巷道拱頂與底板變形特征分析

不同側(cè)壓系數(shù)條件下拱頂及底板的豎向位移與弱面傾角的變化關(guān)系如圖5所示(圖中位移量均取其絕對值).由圖5a可知,巷道拱頂?shù)呢Q向位移量隨弱面傾角的增大整體呈現(xiàn)減小的變化趨勢.當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.0～1.5時,巷道拱頂圍巖豎向變形在弱面傾角為0°～30°時呈現(xiàn)非線性變化,但位移量變化相對平穩(wěn);而在弱面傾角為30°～75°時,拱頂?shù)呢Q向位移量隨弱面傾角增大呈現(xiàn)減小的線性變化趨勢.在側(cè)壓系數(shù)為2.5時,拱頂位移量隨弱面傾角增大呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化特點.

圖5 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道頂、底板豎向位移與弱面傾角的變化關(guān)系

分析圖5b發(fā)現(xiàn),巷道底板的豎向位移量隨著弱面傾角的增大呈現(xiàn)非線性的變化.當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.0～1.5時,底板隨弱面傾角增大呈現(xiàn)非線性變化,但位移量變化不大;當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為2.5,弱面傾角為45°～60°時,巷道底板圍巖發(fā)生大變形.

3.1.2 巷道兩幫變形特征分析

不同側(cè)壓系數(shù)條件下巷道兩幫位移與弱面傾角的變化關(guān)系如圖6所示.由圖6a可知,隨著弱面傾角的增大,巷道左幫圍巖的水平位移量總體呈現(xiàn)先增大后減小的變化特點,同時巷道大變形出現(xiàn)在弱面傾角為0°～30°內(nèi).而巷道右?guī)蛧鷰r的水平位移量隨弱面傾角的增大均呈減小的變化趨勢(見圖6b).巷道兩幫監(jiān)測點處的橫向位移量最大數(shù)值發(fā)生在α=15°時,最小數(shù)值發(fā)生在α=0°時.

圖6 巷道兩幫與弱面傾角水平位移變化關(guān)系

3.2 不同弱面傾角下側(cè)壓系數(shù)對巷道圍巖位移的影響

側(cè)壓系數(shù)對巷道圍巖變形的影響各不相同,并沒有產(chǎn)生同質(zhì)化的影響規(guī)律.圖7為不同弱面條件下巷道圍巖位移與側(cè)壓系數(shù)的變化關(guān)系曲線.觀察圖7a可知:在弱面傾角為0°～30°時,巷道拱頂?shù)呢Q向位移量隨側(cè)壓系數(shù)的增大而減小;在弱面傾角為45°～75°時,隨著側(cè)壓系數(shù)增大,拱頂?shù)呢Q向位移呈現(xiàn)先減小后增大的變化特點.由圖7b可知,在弱面傾角為0°～45°時,巷道拱頂?shù)呢Q向位移量隨側(cè)壓系數(shù)的增大而減小;在弱面傾角為60°～75°時,隨著側(cè)壓系數(shù)增大,底板豎向位移呈現(xiàn)先減小后增大的變化特點.由圖7c和圖7d可以得出,巷道兩幫的水平位移量均隨側(cè)壓系數(shù)的增大而增大.

圖7 不同弱面傾角下巷道圍巖位移與側(cè)壓系數(shù)的變化關(guān)系

4 弱面斜穿巷道圍巖變形破壞機理探討

4.1 不均勻變形特征分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與分析發(fā)現(xiàn),+600 m運輸大巷的變形與破壞主要表現(xiàn)為:

1)巖體破碎變形狀況嚴(yán)重,在巷道拱頂及兩幫出現(xiàn)圍巖松散狀況.

2)水平側(cè)壓力大,兩幫內(nèi)擠嚴(yán)重,側(cè)墻張裂.兩幫出現(xiàn)大變形,支護的鋼筋網(wǎng)發(fā)生扭曲變形,噴錨掛網(wǎng)扭曲甚至直接被拉斷,如圖8a所示.

圖8 +600 m運輸大巷變形實況

3)巷道頂部變形破壞.在高應(yīng)力作用下,巷道頂部受上覆巖層所產(chǎn)生的巨大壓力而發(fā)生較大下沉,錨桿、混凝土噴層、混凝土襯砌等完全破壞失效;在水平擠壓力的作用下,拱頂向上產(chǎn)生位移,使巷道支護因不適應(yīng)這種大位移而發(fā)生破壞;兩幫移近量較大導(dǎo)致拱頂尖桃形破壞明顯,在破壞部位,除了混凝土開裂現(xiàn)象外,還可見襯砌中的鋼筋強烈扭曲、噴錨掛網(wǎng)扭曲或被拉斷等現(xiàn)象[7],如圖8b所示.

4)底鼓引起的底板和底角破壞.底鼓導(dǎo)致巷道底板兩側(cè)發(fā)生傾斜,變形嚴(yán)重的部分其混凝土底板會從中部或者兩端被掀起[15],如圖8c所示.

4.2 圍巖變形機理探討

構(gòu)建弱面斜穿巷道圍巖變形破壞力學(xué)模型,如圖9所示.巷道開挖之后,巷道周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)改變,應(yīng)力重新分布.弱面作為巷道圍巖系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),在應(yīng)力作用下先于其相鄰圍巖發(fā)生破壞.弱面破壞后,相鄰圍巖應(yīng)力狀態(tài)繼續(xù)變化(圍壓降低),相鄰圍巖強度降低.當(dāng)圍巖系統(tǒng)受到的應(yīng)力大于弱面相鄰圍巖的強度時,弱面與相鄰圍巖一起發(fā)生破壞,產(chǎn)生“等效弱面”.在“等效弱面”繼續(xù)擴展到一定厚度之后,相鄰圍巖由于失去約束作用而成為傾斜懸臂梁.最終導(dǎo)致松動圈向圍巖深部擴展,直至在一定深度取得應(yīng)力平衡為止[14-15].

圖9 巷道圍巖變形破壞力學(xué)模型

5 結(jié)論

1)基于3DEC數(shù)值模擬可知,弱面斜穿巷道圍巖變形呈現(xiàn)不對稱特征,巷道兩幫位移變化也不相同.

2)巷道頂板圍巖的豎向位移量隨側(cè)壓系數(shù)的增大逐漸減小,底板圍巖的豎向位移量及兩幫圍巖的水平位移量均隨著側(cè)壓系數(shù)的增大而增大.

3)弱面是巷道圍巖承載系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié),弱面承載能力差,在應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化后,會先于其他圍巖發(fā)生破壞.