大屯礦區深部軟巖巷道非對稱變形機理及控制對策研究

傅清國，鄒朝陽

(大屯煤電(集團)有限責任公司，江蘇徐州 221167)

1 前言

隨著能源需求量的增加和開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內外礦山都相繼進入了深部資源開采階段。隨著開采深度的不斷增加，工程災害日益增多，如礦井沖擊地壓、瓦斯爆炸、礦壓顯現加劇以及巷道圍巖產生大變形、流變、地溫升高等，對深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅;深部“三高一擾動”(即高地應力、高地溫、高滲透壓和強烈的開采擾動)的復雜地質力學環境，使得深部巖體表現出明顯的非線性大變形力學特征[1]，從而嚴重影響了深部煤炭資源的安全、高效開采[2]。因此，深部資源開采過程中所產生的巖石力學問題已成為研究的焦點[3～7]。深部開采由于受到周圍巷道或回采工作面的影響，往往處于復雜應力狀態并呈現出非對稱變形特征，但由于不清楚巷道圍巖塑性區的分布范圍及圍巖變形的危險部位等，支護過程中往往盲目性較大，多數巷道仍采用傳統的均稱支護，不能適應巷道的非均衡變形[8]。大屯礦區孔莊礦-785 m水平軌道大巷位于7339綜采工作面正下方，受強烈采動和煤柱集中壓力影響，自巷道開掘以來，施工巷道陸續發生破壞，其中非對稱變形特征尤為明顯。文章在工程地質調查和理論分析的基礎上，結合室內巖石力學實驗，綜合考慮巷道非對稱變形的影響因素，分析了孔莊礦-785 m水平軌道大巷非對稱變形的影響因素，有針對性地提出控制對策，為礦井安全生產創造條件。

2 孔莊礦非對稱變形特征

2.1 工程概況

孔莊礦位于江蘇省沛縣和山東省境內，在大屯礦區的最南端，是第四系全掩蓋區。井田南與沛縣沛城礦、北與徐莊礦毗鄰，東與山東棗莊礦務局接壤。-785 m水平軌道大巷位于石炭二疊山西組煤系地層中，為海陸交互相沉積。整個巷道在L1與L4灰巖之間的海相泥巖、砂質泥巖灰巖段中掘進，圍巖層理發育，破碎不穩定。所掘進區域地質構造較為簡單，斷層不發育，僅局部發育有小斷層或擠壓破碎帶，延伸較短。煤系地層走向N 60°E，傾角18°～32°，平均23°，水平大巷掘進方向大致與巖層走向一致。從巷道初期掘進揭露巖性和預想工程地質剖面圖來看，巷道共穿越4個工程巖組，即泥巖和砂質泥巖組、煤體組、灰巖組和細砂巖組，其中大部分地段為軟弱破碎的泥巖和砂質泥巖。巖組強度:灰巖＞砂巖＞泥巖＞煤，膨脹性:泥巖＞砂巖＞灰巖＞煤。圍巖宏觀結構大多節理、裂隙較發育，局部受小斷層影響，巖體更加破碎，對支護非常不利。圍巖特別是泥巖微觀結構上裂隙連通性好，巷道開挖后原有應力狀態改變，巖體裂隙容易擴展進而變得更加破碎，強度降低。圍巖中均含有膨脹性較強的I/S混層，水后巖體膨脹，產生較大的膨脹應力，將導致巷道產生較大的變形。巷道圍巖強度普遍較低，其中泥巖的抗壓強度為43.27 MPa，抗拉強度僅有2.726 MPa，吸水性較強，吸水后一方面強度大幅降低(軟化吸水率為1.82%)，另一方面巖體膨脹產生較大應力，對巷道支護極為不利。

2.2 非對稱變形特征

2001年施工以來，由于上部7#層7339綜采工作面跨大巷開采，經受了強烈的采動影響，施工巷道陸續發生了變形破壞。主要破壞形式為非對稱破壞，其表現形式為下肩頂板開裂、幫部臌出、上幫底板臌出變形。圖1為-785 m水平軌道大巷不對稱變形形式[9]。

圖1 －785 m水平軌道大巷不對稱變形形式(單位:mm)Fig.1 Asymmetric deformations of－785 m roadways(unit:mm)

3 孔莊礦非對稱變形的影響因素

通過現場工程地質調查和分析，總結出如下幾種影響非對稱變形的因素。

3.1 底板巖性及支護方式

從現場監測結果分析，巷道的不對稱變形隨底板巖性的軟弱程度而加劇。底板巖性對巷道的不對稱變形起關鍵作用。泥巖底板的不對稱性表現最為劇烈，其次為砂泥巖互層性底板，具有砂巖或灰巖底板的巷道不對稱變形破壞現象較弱。

在深部高應力環境下，由于底板無支護，導致巷道底板成為能量釋放的通道，一般最初由于泥底板巖層向上幫的塑性滑移，表現為不對稱底臌，在上幫一側臌出較為明顯。之后，由于下幫處的底板巖層向臨空區的擠出，導致巷道在下幫發生幫部整體下沉，下幫的向下位移導致肩角部出現差異性變形，出現巷道的塊狀掉落或塑性鉸。破壞模式為“底臌→下幫收縮→肩部內擠變形→不對稱變形擴大”[10]。

3.2 構造應力

巷道穩定性直接由圍巖應力特征決定，但根本上還是決定于原巖初始應力狀態。地應力作為工程巖體的賦存環境，其量級、方向以及空間分布規律將在很大程度上影響著圍巖的力學屬性、應力的分布和演化規律、變形特征和破壞機制，進而影響著深部地下工程穩定性。深部巖石大巷的圍巖應力具有較高甚至很高的量值;在以自重應力為主的應力場中，巷道變形破壞的典型形式是因拉應力和剪應力集中而導致拱頂形成塌落區;如果處于構造應力為主的應力場區域，由于較高的初始應力，重分布應力相應較高，此時，相對結構完整的巷道圍巖的典型破壞模式是沿巷道輪廓發生層層剝落(片剝)，然后才是沿結構面產生斷裂滑移，在巷幫則由于擠壓應力集中引起塑性擠壓破壞;對于軟弱層狀巖體，其破壞形式是沿層狀巖體結構面發生剪切滑移，并發生不同程度的底臌變形。圍巖的應力差對巷道圍巖的擴容也有一定的影響，一般情況下，在構造應力顯著情況下，巷道兩幫和底板的破壞較為顯著。隨著水平應力系數的增大，巷道兩幫變形和底臌量均呈上升趨勢。

3.3 巖層產狀

對于深部高應力軟巖巷道，其擴容變形破壞除與巷道所受的應力狀態相關外，同時與巖體結構面的展布和性質有關。煤礦巷道一般為復合層狀巖層，巖層結構面的展布具有一定的方向性，巖層結構的不對稱往往導致巷道變形的不對稱。

3.4 回采動壓影響

深部煤礦巷道與淺部隧道不同，深部開采受周圍巷道與工作面影響，往往造成巷道受到復雜應力。對于孔莊礦-785 m水平軌道大巷，其正上方有7339工作面正在回采，斜上方受7339與7431工作面之間煤柱的集中壓力影響，處于復雜應力狀態。

4 孔莊礦非對稱變形機理研究

根據現場工程地質調查與分析，結合室內巖石力學實驗，主要對上部采空區回采動壓影響進行數值分析，采用國際通用的有限差分法分析程序FLAC3D進行數值分析。FLAC3D采用的是快速拉格朗日方法，它基于顯式差分法來求解運動方程和動力方程，利用顯式有限差分方法為巖土工程提供精確有效的分析[11]。圍巖采用Mohr-Coulomb模型，該模型能夠反映巖土材料抗壓強度不同的S-D效應以及對正應力的敏感性。

4.1 上部采空區與巷道的位置關系

孔莊礦-785 m水平軌道大巷位于7339工作面正下方，垂直距離為76 m;7339工作面與7431工作面形成的煤柱產生集中壓力作用于-785 m水平軌道大巷，煤柱位于巖石大巷斜上方，垂直距離為76 m，水平距離為72 m。在掘出后，受到上覆7339工作面(見圖2)的開采擾動影響，發生了較為劇烈的變形。2003年以來，巷道陸續發生了較大的變形和破壞，其非對稱變形特征尤為明顯。-785 m水平軌道布置及受采動應力影響狀況見圖2。

圖2 －785 m水平軌道布置及受采動應力影響狀況Fig.2 Layout of －785 m level rail and the influence of mine-induced stress

4.2 地質模型的建立

在建模過程中，一般要針對分析的問題將實體模型進行合理地簡化，目的是使得網格劃分相對簡單，交界網格過渡平滑，可大大縮短計算時步。遵循以上原則，并根據工程經驗選取合理的影響深度及寬度，確定模型尺寸為300 m×200 m×100 m(長×寬×高)。根據地質模型進行網格劃分，生成FLAC3D數值模型，然后設定邊界初始約束條件，并施加初始地應力場。在巖層之間設置軟弱夾層模擬層面之間的相互影響，網格四周為水平鏈桿，底部為鉸支座，頂部取為荷載已知的自由邊界，初始地應力場巷道以實測地應力為主，最大水平應力為26 MPa，垂直應力為22 MPa。地質力學模型見圖3。

4.3 模擬結果分析

圖4為采高(h=6 m)平面上工作面圍巖應力分布圖(回采72 m)。在集中支承煤柱下掘巷，應力集中程度約為采空區下的1.5倍，在采空區邊緣后大約50 m以后，由于開采的卸壓作用，巷道承受的垂直應力減弱。圖5為-785 m水平軌道大巷受工作面開采影響的垂向應力分布，從圖中可以看出，由于開采支承壓力的影響，巷道出現了一定程度的底臌變形。在采動影響下，由于高應力作用，產生的應力和變形分布具有不對稱性。

圖3 地質力學模型Fig.3 Engineering geological model

圖6為煤柱下方位移等值線和位移矢量場圖。從位移矢量場分布的方向來看，煤柱下方巖體發生了類似條形基礎下方土體變形的應力和位移擴散，并且距離煤柱越遠，受其集中壓力的影響越小，但位移矢量場的方向大致呈45°向斜下方擴散，當這種集中壓力的影響擴散到-785 m水平軌道巖石大巷時，使巷道承受非對稱的附加壓力并導致巷道產生非對稱變形(見圖7)。

圖4 采高(h=6 m)平面上工作面圍巖應力分布圖Fig.4 Surrounding rock stress distribution of face on mining height plane(h=6 m)

圖5 －785 m水平軌道大巷受工作面開采影響的垂向應力分布Fig.5 Vertical stress distribution of －785 m level railway laneway influenced by working face

圖6 煤柱下方位移等值線和位移矢量場圖Fig.6 Displacement isoline and displacement vector field under the coal pillar

5 非對稱變形控制對策與應用效果

5.1 非對稱變形控制對策

非對稱變形控制就是對巷道圍巖中的關鍵部位進行加強支護或局部弱化，改善巷道圍巖結構的力學性能與局部圍巖應力狀態，減小關鍵部位劇烈變形，使其能夠隨巷道圍巖一起協調變形[8]，使巷道圍巖、支護結構形成共同承載的力學體系，充分發揮支護結構和圍巖自身的承載能力，顯著改善支護結構的工作特性或圍巖應力狀態，大幅提高支護結構的承載能力或降低巷道周邊圍巖的應力，有效控制關鍵部位位移和圍巖松動圈的擴大或使塑性區內移，從而避免巷道圍巖局部過早破壞和失穩，以及由此而引起巷道圍巖的非對稱破壞與失穩。

圖7 －785 m水平軌道巷道承受非對稱附加壓力示意圖Fig.7 Asymmetric additional pressure on－785 m level railway laneway

針對巷道圍巖穩定狀態的結構特征以及巷道圍巖的變形破壞特征，巷道圍巖非對稱變形控制[8]從以下3個方面考慮:

1)合理布置巷道層位，優選結構巷道圍巖結構。

2)加強圍巖中關鍵部位的控制，包括加強圍巖關鍵部位的支護、改善其力學參數與提高強度等措施，以實現巷道圍巖控制效果的改善。

3)針對巷道變形特點進行支護控制，改善支護體系的受載狀況，提高圍巖結構的承載能力。

5.2 非對稱支護設計方案

根據現場調查及理論分析結果，對巷道支護設計參數進行優化。在錨網索耦合支護的基礎上，針對非對稱變形，采取非對稱支護形式:在巷道右肩窩關鍵部位增設一排錨索，同時底臌劇烈部位布置雙排底角錨桿[12]，有效控制巷道變形。

5.3 支護效果

優化后的支護方案在-785 m水平軌道大巷進行實施，根據近100 d的礦壓監測數據分析，兩幫最大收縮量為120 mm，頂板最大下沉量為39 mm，而最大底臌量僅為10 mm，巷道肩部的變形僅以混凝土噴層局部剝蝕為主，巷道變形得到了有效控制，巷道表面位移監測曲線見圖8。

圖8 巷道表面位移監測曲線Fig.8 D －t curve of roadway surrounding rock

6 結語

通過現場工程調查和分析，總結了深部巷道非對稱變形的主要特征，分析了孔莊礦-785 m水平軌道大巷非對稱變形的主要影響因素和變形機理，并提出了相應的控制對策，主要結論如下:

1)孔莊礦巷道產生非對稱變形的主要因素為:巖性及產狀產生的非對稱結構、構造應力、動壓影響和對稱的支護形式。

2)提出了孔莊礦-785 m大巷非對稱支護對策和設計方案，現場應用效果良好。

[1]何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(16):2803-2813.

[2]Russo B，Murphy S K.Longwalling at great depth in a geologically disturbed environment:the way forward[J].The Journal of South African Institute of Mining and Metallurgy，2000，100(2):91-100.

[3]何滿潮.深部開采工程巖石力學的現狀及其展望[C]//中國巖石力學與工程學會.第八次全國巖石力學與工程學術大會論文集.北京:科學出版社，2004:88-94.

[4]何滿潮.中國煤礦軟巖巷道支護理論與實踐[M].徐州:中國礦業大學出版社，1996.

[5]謝和平.深部高應力下的資源開采——現狀、基礎科學問題與展望[M]//科學前沿與未來(第六集).北京:中國環境科學出版社，2002:179-191.

[6]謝和平，彭蘇萍，何滿潮.深部開采基礎理論與工程實踐[M].北京:科學出版社，2006.

[7]何滿潮，陳 新，梁國平，等.深部軟巖工程大變形力學分析設計系統[J].巖石力學與工程學報，2007，26(5):934-943.

[8]樊克恭，蔣金泉.弱結構巷道圍巖變形破壞與非均稱控制機制[J].中國礦業大學學報，2007，36(1):54-59.

[9]劉文濤，何滿潮，楊生彬，等.深部巖巷不對稱變形機制及支護對策研究[C]//第九屆巖石力學與工程學術大會論文集.北京:科學出版社，2006:661-669.

[10]劉文濤.大屯礦區深部巖巷不對稱變形機制及支護對策研究[D].北京:中國地質大學，2007.

[11]劉 波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社，2005:3-15.

[12]楊生彬，何滿潮，王曉義，等.孔莊礦深部軟巖大巷底臌機制及控制對策研究[J].中國礦業，2007，16(4):77-80.