近斷層巷道非對(duì)稱大變形機(jī)理及控制技術(shù)研究

郭永紅，婁 杰，閆 帥，付 豪，陳紫奐

(1.國(guó)能蒙西煤化股份有限公司棋盤井煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

斷層及其破碎帶作為煤炭地下開(kāi)采過(guò)程中一種常見(jiàn)的不良地質(zhì)構(gòu)造[1]，其附近煤巖體與常規(guī)煤系地層的物理力學(xué)性質(zhì)存在顯著差異[2]。在斷層擾動(dòng)影響范圍內(nèi)進(jìn)行采掘活動(dòng)更易誘發(fā)斷層活化[3]，斷層顯著影響巷道圍巖應(yīng)力演化、變形破壞機(jī)制，單一常規(guī)支護(hù)形式容易導(dǎo)致巷道圍巖片幫[4]、冒頂[5]、非對(duì)稱大變形、坍塌失穩(wěn)等[6]次生動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者[7-11]利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、相似物理、理論分析等綜合手段針對(duì)斷層性質(zhì)、斷層活化誘因及影響范圍、斷層附近巷道圍巖破壞機(jī)制及穩(wěn)定控制等方面進(jìn)行深入研究并取得了相應(yīng)的成果。SHAN等[12]引入偏應(yīng)力理論，分析了巷道圍巖偏應(yīng)力及塑性區(qū)的分布規(guī)律，揭示了采動(dòng)影響下近斷層巷道非對(duì)稱變形機(jī)理；ZHANG等[13]利用UDEC模擬分析了近斷層巷道圍巖裂隙發(fā)育、應(yīng)力分布及錨桿受力特征，提出了“重點(diǎn)區(qū)域加固+高強(qiáng)度錨桿支護(hù)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐；YAO等[14]根據(jù)斷層地質(zhì)特征，分析了應(yīng)力敏感型巷道概念，綜合分析了巷道圍巖破壞機(jī)理及分區(qū)支護(hù)方案；XIN等[15]通過(guò)建立斷層煤柱力學(xué)計(jì)算模型，理論得出了合理的斷層保護(hù)煤柱尺寸；WANG等[16]建立了考慮采動(dòng)應(yīng)力條件下斷層面應(yīng)力分布和滑動(dòng)特征的力學(xué)模型，解釋了側(cè)壓系數(shù)對(duì)斷層滑動(dòng)的影響機(jī)制；來(lái)興平[17]采用綜合手段分析了斷層影響范圍內(nèi)煤巖體的臨界失穩(wěn)范圍，并根據(jù)其影響規(guī)律對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并成功應(yīng)用；張自政等[18]利用UDEC計(jì)算模型，分析了不同埋深下近斷層巷道掘進(jìn)及回采期間變形破壞機(jī)理，提出了“架棚+滯后注漿加固+二次支護(hù)”分布聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐；王襄禹等[19]提出了“高強(qiáng)讓壓錨桿、錨索及注漿加固”等聯(lián)合支護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)近斷層巷道圍巖大變形的有效控制。

以上研究成果為近斷層巷道圍巖支護(hù)提供了有益的參考和借鑒，然而由于斷層附近應(yīng)力環(huán)境的復(fù)雜性，目前尚未研究和開(kāi)發(fā)出系統(tǒng)的支護(hù)原理和成套的支護(hù)技術(shù)以供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，針對(duì)典型地質(zhì)條件下的近斷層巷道圍巖非對(duì)稱大變形控制還需要進(jìn)一步展開(kāi)針對(duì)性研究。本研究以棋盤井煤礦I030902工作面回風(fēng)巷為研究背景，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合手段，分析了近斷層巷道圍巖塑性區(qū)半徑影響因素以及非對(duì)稱變形破壞機(jī)理，針對(duì)性地提出了一種“全錨索+注漿加固”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，解決了近斷層巷道非對(duì)稱大變形難題。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)條件

棋盤井煤礦I030902工作面位于井田東北部，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+1406～1423 m，井下標(biāo)高+1025～1116 m，平均埋深340 m。工作面傾斜長(zhǎng)度315 m，走向長(zhǎng)度724 m，設(shè)計(jì)服務(wù)年限約6個(gè)月。工作面北側(cè)距井田北部邊界183 m，南側(cè)與I030903回風(fēng)巷間隔20 m，東側(cè)距I030901采空區(qū)125 m，西側(cè)距井田邊界41 m。

9號(hào)煤層傾角5°～13°，平均傾角8°，煤層平均厚度3.5 m，含夾矸3～4層，復(fù)雜結(jié)構(gòu)。直接頂為厚度6.4 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為8.0 m厚細(xì)粒砂巖，直接底為5.6 m厚泥巖，基本底為2.4 m厚細(xì)粒砂巖，煤巖層巖性分布如圖1所示。

圖1 煤巖層巖性分布

I030902回風(fēng)巷為矩形斷面，寬×高=5.2 m×3.5 m，掘進(jìn)斷面采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂板采用?20 mm×L2000 mm螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×900 mm，配套使用120 mm×120 mm×10m m拱形托盤并配合W鋼帶支護(hù)；錨索采用?21.8 mm×L7200 mm錨索，間排距1500 mm×1800 mm，3-1-3布置，配套使用300 mm×300 mm×16 mm鋼托盤；兩幫采用?20 mm×L2200 mm螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×900 mm，配套使用120 mm×120 mm×10 mm拱形托盤配合鋼筋梯子梁使用，兩幫及頂板配合菱形鐵絲網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，搭接寬度不小于100 mm，使用14#以上雙股鐵絲聯(lián)網(wǎng)，巷道原支護(hù)斷面設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 巷道原支護(hù)斷面設(shè)計(jì)(mm)

QF3正斷層位于井田北部西側(cè)，斷層走向EW，傾向SW，傾角65°～75°，斷層落差H=0～8 m，延展長(zhǎng)度約630 m；I030902回風(fēng)巷位于QF3斷層下盤，掘進(jìn)方向與斷層走向近似平行，煤柱幫距離斷層最小為4.8 m，目前掘進(jìn)進(jìn)尺490 m，斷層影響長(zhǎng)度為402 m。

1.2 巷道圍巖變形特征

I030902回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，從開(kāi)口處每隔30 m設(shè)置一個(gè)測(cè)站并持續(xù)監(jiān)測(cè)45 d內(nèi)的巷道圍巖變形情況，圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示，巷道圍巖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際變形破壞特征如圖4所示。

圖3 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 圍巖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際變形破壞特征

由圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果及巷道現(xiàn)場(chǎng)變形破壞特征可知：

1)受斷層影響，掘進(jìn)擾動(dòng)影響區(qū)域圍巖損傷程度較高，巷道圍巖自穩(wěn)能力差，巷道掘進(jìn)期間斷面收縮嚴(yán)重，頂板破碎，部分區(qū)段頂板兜網(wǎng)現(xiàn)象明顯，頂?shù)装逡平孔畲?165 mm。

2)斷層附近煤體強(qiáng)度變化明顯，裂隙發(fā)育，煤壁片幫破壞嚴(yán)重，兩幫最大收斂量1274 mm。

3)巷道頂板及煤柱幫圍巖受斷層影響較破碎產(chǎn)生非對(duì)稱性大變形，斷層側(cè)頂板下沉量和底鼓量明顯高于回采幫，巷道圍巖變形呈現(xiàn)：斷層側(cè)>底板>頂板>回采幫的特征。

2 巷道圍巖非對(duì)稱變形破壞機(jī)制

2.1 巷道臨界失穩(wěn)范圍分析

受QF3正斷層影響，回風(fēng)巷兩幫及頂板破碎程度較大，為方便計(jì)算，利用當(dāng)量半徑將矩形巷道等效為圓形巷道，矩形巷道等效圓當(dāng)量半徑將按照式(1)計(jì)算：

式中，η為斷面修正系數(shù)，矩形巷道斷面[20]取1.2；a為巷道寬度，取5.2 m，b為巷道高度，取3.5 m。

根據(jù)芬納公式[21]可得巷道圍巖塑性區(qū)半徑為：

式中，P為巷道所在位置的原巖應(yīng)力，P=γH，MPa；C為煤巖體內(nèi)聚力，MPa；φ為煤巖體內(nèi)摩擦角，(°)。

根據(jù)回風(fēng)巷地質(zhì)條件：Rd=2.4 m，P=8.5 MPa，C=2.5 MPa，φ=28°，將其代入式(2)可得：巷道塑性區(qū)半徑Rd=3.89 m。利用單一變量法，對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)半徑影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

由式(2)及圖6可知：

圖6 UDEC數(shù)值計(jì)算模型

1)巷道圍巖塑性區(qū)半徑大小主要和巷道當(dāng)量半徑、原巖應(yīng)力(埋深)、圍巖內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角有關(guān)。

2)巷道圍巖塑性區(qū)半徑與巷道埋深、巷道當(dāng)量半徑呈正相關(guān)，與巷道圍巖內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角呈負(fù)相關(guān)。

3)其他參數(shù)一定時(shí)，隨著圍巖內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角增大，塑性區(qū)半徑逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

4)巷道埋深這一地質(zhì)因素?zé)o法改變時(shí)，適當(dāng)減小巷道斷面，提高巷道圍巖內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角可在一定程度上減小塑性區(qū)的擴(kuò)展范圍，提高巷道的自穩(wěn)能力。

2.2 巷道圍巖非對(duì)稱變形數(shù)值模擬

煤炭地下開(kāi)采活動(dòng)中，巷道掘進(jìn)和工作面的回采引起的擾動(dòng)將會(huì)打破原始地應(yīng)力平衡狀態(tài)，在復(fù)雜的應(yīng)力條件下，巷道開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力重分布后最終形成的應(yīng)力集中是導(dǎo)致破壞的主要原因。因此，研究圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)發(fā)育特征、位移變化規(guī)律是分析巷道發(fā)生非對(duì)稱變形機(jī)理的關(guān)鍵。

利用UDEC離散元軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)一步研究I030902回風(fēng)巷非對(duì)稱大變形機(jī)理，模型尺寸為寬×高=170 m×70 m×80 m，設(shè)計(jì)I030902回風(fēng)巷開(kāi)挖尺寸為寬×高=5.2 m×3.5 m，斷層帶寬度5 m，傾角70°，UDEC數(shù)值計(jì)算模型如圖6所示。為精確捕捉回風(fēng)巷圍巖破壞特征并提高計(jì)算效率，I030902回風(fēng)巷附近塊體及斷層采用UDEC內(nèi)置的Trigon logic三角塊體進(jìn)行劃分，其他非重點(diǎn)研究區(qū)域采用長(zhǎng)寬比不等的矩形塊體劃分，錨桿、錨索及梯子梁等支護(hù)構(gòu)件采用內(nèi)置的rockbolt、cable、structure等單元進(jìn)行模擬，模型左右邊界及底部邊界均采用位移邊界固定，頂部施加6.6 MPa等效上覆巖層載荷。模型中塊體及節(jié)理采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系，基于實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定及數(shù)值模擬參數(shù)校正，模型中塊體及節(jié)理最終采用的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)斷層保護(hù)煤柱寬度，選取I030902回風(fēng)巷斷層側(cè)距斷層面4.8，10，16，20 m狀態(tài)下圍巖應(yīng)力分布、變形特征、塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行模擬，進(jìn)一步分析近斷層巷道圍巖非對(duì)稱變形機(jī)理，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的借鑒依據(jù)。

2.3 圍巖應(yīng)力分布特征

為進(jìn)一步量化分析回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，提取不同斷層煤柱寬度下回風(fēng)巷垂直應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 回風(fēng)巷垂直應(yīng)力分布

由圖7可知，巷道附近存在斷層時(shí)，巷道圍巖對(duì)稱應(yīng)力分布狀態(tài)受到擾動(dòng)，斷層的存在切斷了圍巖應(yīng)力的傳遞方向，斷層處圍巖出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力降低現(xiàn)象，且受斷層弱化影響，圍巖承載能力極低；斷層煤柱寬度為4.8 m，巷道圍巖近斷層區(qū)域產(chǎn)生大范圍應(yīng)力降低區(qū)，僅在靠近斷層上盤部分區(qū)域出現(xiàn)較小的應(yīng)力集中，高應(yīng)力向距斷層較遠(yuǎn)的回采幫深處轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值達(dá)到14.52 MPa，圍巖變形劇烈，斷層明顯活化；斷層煤柱寬度為10 m，巷道受到斷層擾動(dòng)影響開(kāi)始減弱，且隨著斷層煤柱寬度的增加，此種現(xiàn)象更為明顯；巷道靠近斷層側(cè)頂、底角深部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，回采幫應(yīng)力峰值逐漸降低；斷層煤柱寬度為20 m，巷道兩幫應(yīng)力基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特征，且應(yīng)力峰值相對(duì)斷層煤柱寬度4.8 m狀態(tài)下，降低37%左右。

2.4 圍巖淺部位移特征

不同斷層煤柱寬度下回風(fēng)巷圍巖表面位移特征如圖8所示。

由圖8可知，受斷層影響疊加擾動(dòng)作用下，巷道近斷層側(cè)兩幫圍巖變形量明顯大于回采幫圍巖變形量，且底鼓量相對(duì)嚴(yán)重；并且隨著回風(fēng)巷距斷層距離的增加，巷道非對(duì)稱變形特征減弱；兩幫移近量及頂?shù)装逡平棵黠@較小。

2.5 圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征

不同斷層煤柱寬度下回風(fēng)巷塑性區(qū)擴(kuò)展特征分布如圖9所示。

圖9 回風(fēng)巷塑性區(qū)擴(kuò)展特征

由圖9可知，當(dāng)斷層煤柱寬度為4.8 m時(shí)，回風(fēng)巷靠近斷層側(cè)塑性區(qū)破壞范圍大于采煤幫側(cè)，巷道底板發(fā)生明顯的非對(duì)稱變形，且底板受拉剪混合破壞相對(duì)嚴(yán)重，底鼓量較大；當(dāng)斷層煤柱寬度為10 m時(shí)，回風(fēng)巷巷道兩幫及底板塑性破壞范圍明顯縮小，底鼓及兩幫非對(duì)稱變形特征也進(jìn)一步減弱；當(dāng)斷層煤柱寬度為16 m時(shí)，回風(fēng)巷圍巖以張拉破壞為主，底板僅在底角出現(xiàn)V字形分布塑性區(qū)，底板中部未發(fā)生塑性破壞；巷道不受斷層擾動(dòng)影響(20 m煤柱，圍巖兩幫塑性區(qū)擴(kuò)展范圍基本呈均稱狀態(tài)分布，頂?shù)装鍍H在兩幫頂角及底角局部存在塑性區(qū)，底板中部無(wú)明顯張拉破壞產(chǎn)生。

2.6 巷道圍巖非對(duì)稱變形機(jī)理

通過(guò)對(duì)近斷層巷道圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律的分析可知，近斷層回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理：

1)斷層破碎帶附近圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，處于應(yīng)力異常區(qū)段，其附近巷道受斷層擾動(dòng)作用及采動(dòng)應(yīng)力疊加影響，圍巖承載能力低；

2)錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)雖能夠有效改善圍巖受力狀態(tài)、控制圍巖的變形，但巷道圍巖受斷層擾動(dòng)影響后損傷程度較大，難以提供有效的錨固力，圍巖受掘進(jìn)擾動(dòng)影響并應(yīng)力調(diào)整后，其破壞程度進(jìn)一步加劇；

3)常規(guī)的錨網(wǎng)索對(duì)稱支護(hù)無(wú)法形成均勻承載結(jié)構(gòu)，難以適應(yīng)巷道近斷層側(cè)的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境，進(jìn)一步加劇了圍巖非對(duì)稱變形的產(chǎn)生。

3 近斷層巷道非對(duì)稱變形控制技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變形特征及數(shù)值模擬反演分析結(jié)果，將近斷層巷道分為三個(gè)區(qū)段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)：第一區(qū)段：煤柱寬度小于10 m區(qū)段(全錨索+注漿加固)；第二區(qū)段：煤柱寬度10～16 m區(qū)段(全錨索支護(hù))；第三區(qū)段：煤柱寬度大于16 m區(qū)段(原支護(hù)+注漿加固)。加強(qiáng)支護(hù)方案如圖10所示。

圖10 加強(qiáng)支護(hù)方案(mm)

1)注漿加固。注漿可改巷道圍巖內(nèi)部弱面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，提高裂隙的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，提高圍巖的承載強(qiáng)度，進(jìn)一步提高主動(dòng)支護(hù)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。為提高漿液在煤層微裂隙中的滲透擴(kuò)散效果，保證漿液的膠結(jié)強(qiáng)度，要求漿液擴(kuò)散半徑能達(dá)到2.5 m以上，以保證相鄰注漿孔漿液擴(kuò)散交叉，注漿孔深度達(dá)到斷層附近，注漿材料為高水材料，漿液水灰比為0.5∶1，注漿壓力確定為2～3 MPa，注漿孔直徑為42 mm，排距為1600 mm，采用自脹式封孔器(直徑38 mm)封孔，封孔段距離孔口1500 mm。

2)全錨索支護(hù)。全錨索支護(hù)可以構(gòu)建高強(qiáng)度主動(dòng)支護(hù)體系，同時(shí)抑制巖體的滑移剪切特性。為提高巷道圍巖的整體支護(hù)強(qiáng)度，全斷面采用長(zhǎng)短錨索并配合鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。頂板長(zhǎng)錨索采用?21.8 mm×L7200 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距1600 mm×900 mm，3-3-3布置，配套使用300 mm×300 mm×16 mm拱形托盤并配合鋼筋梯子梁鋼帶支護(hù)；頂板短錨索采用?21.8 mm×L4200 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距900 mm×900 mm，配套使用300 mm×300 mm×16 mm鋼托盤；兩幫采用?18.9 mm×L4200 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距900 mm×900 mm，配套使用120 mm×120 mm×10 mm拱形托盤配合鋼筋梯子梁使用，兩幫及頂板配合鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，搭接寬度不小于100 mm。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

原巷道斷面按照：刷幫→挖底→支護(hù)→注漿加固的修復(fù)順序支護(hù)完成后，在三個(gè)區(qū)段內(nèi)分別建立相應(yīng)的表面位移測(cè)站(第一區(qū)段：測(cè)站1#、第二區(qū)段：測(cè)站2#、第三區(qū)段：測(cè)站3#)，對(duì)巷道圍巖表面位移進(jìn)行持續(xù)60 d的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示。工作面回采期間，三個(gè)區(qū)段內(nèi)圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示。

圖11 巷道修復(fù)后變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖12 工作面回采期間巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖11、圖12可知，聯(lián)合支護(hù)下，巷道掘進(jìn)期間支護(hù)狀況良好，巷道變形趨于穩(wěn)定，巷道兩幫收斂量最大為182 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?76 mm，相對(duì)原支護(hù)下兩幫收斂量最大降低90%左右，頂?shù)装逡平拷档妥畲?4%左右。巷道全長(zhǎng)范圍內(nèi)無(wú)冒頂和煤幫剝落現(xiàn)象的產(chǎn)生。工作面回采期間，三個(gè)區(qū)段在工作面超前40 m范圍巷道圍巖產(chǎn)生緩慢變形；在超前工作面15 m位置兩幫變形速度加快；超前工作面0 m位置，測(cè)站1#變形最大，兩幫最大變形為463 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?85 mm，確保工作面安全高效回采。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)建立UDEC數(shù)值計(jì)算模型，反演了近斷層巷道圍巖非對(duì)稱變形機(jī)理：斷層破碎帶應(yīng)力異常、圍巖裂隙發(fā)育、強(qiáng)度低，支護(hù)系統(tǒng)不均勻承載導(dǎo)致巷道圍巖呈現(xiàn)非對(duì)稱性大變形。

2)提出了一種分區(qū)注漿加固+高強(qiáng)錨索聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化方案。高強(qiáng)度錨索提高圍巖的抗剪切滑移性能，注漿可以加固斷層附近的裂隙巖體、改善裂隙巖體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能、提高圍巖的完整性和承載力。

3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，修復(fù)后巷道兩幫收斂量最大為182 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?76 mm；回采期間，超前工作面0 m位置，測(cè)站1#巷道兩幫最大變形為463 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?85 mm，確保工作面安全高效回采。