軟弱夾層對煤礦主斜井圍巖穩(wěn)定性的影響分析

宋朝陽，紀(jì)洪廣

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

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采選技術(shù)

軟弱夾層對煤礦主斜井圍巖穩(wěn)定性的影響分析

宋朝陽，紀(jì)洪廣

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

深部煤層的開采導(dǎo)致上部覆巖運動與破壞，覆巖中的軟弱夾層是影響井筒、硐室及地下巷道等地下工程圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。針對弱膠結(jié)砂巖中軟弱夾層對主斜井圍巖穩(wěn)定性問題，基于分層位移場的軟弱夾層靜力計算模型，計算得到軟弱夾層各點的精確位移。采用理論分析與數(shù)值模擬的方法分析了軟硬互層彈性模量之比、軟弱夾層的泊松比以及軟硬互層厚度之比對穿越軟弱夾層的斜井圍巖變形規(guī)律。結(jié)果表明：軟硬互層彈性模量之比對主斜井圍巖穩(wěn)定性有顯著影響；當(dāng)k值小于0.1時，即軟弱夾層彈性模量與硬層彈性模量相差一個數(shù)量級以上時，軟弱夾層圍巖變形顯著增加，二者呈冪函數(shù)關(guān)系；隨著軟硬互層彈模比值的減小，軟弱夾層與上下硬層之間應(yīng)力梯度變化值增高，斜井頂?shù)装逶谲浻矊咏佑|面變形最大；軟弱夾層泊松比由0.1增大至0.4過程中，斜井圍巖變形量逐漸減小，頂板位移量減小0.42m；軟硬互層的厚度比越大，圍巖穩(wěn)定性越差，豎直方向的移近量約為兩幫移近量的3倍。

軟弱夾層；斜井；圍巖；彈性模量；泊松比

軟弱夾層是井巷圍巖中的最薄弱面，軟弱夾層的壓縮、離層、層間錯動和變形擠出等破壞現(xiàn)象對井巷圍巖的穩(wěn)定起著重要作用甚至是控制作用[1]。鄂爾多斯地區(qū)的煤系地層主要有粗砂巖、中砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖等成熟度及結(jié)構(gòu)成熟度較低的白堊系、侏羅系地層。強度極低的弱膠結(jié)的泥巖與相對強度較高的硬巖形成軟硬互層或軟弱夾層結(jié)構(gòu)，其物理屬性具有典型的不均一性、各向異性和不連續(xù)性[2]。

目前，研究者對邊坡工程、地下工程和采礦工程等含軟弱夾層的工程研究中主要分為兩種方面：①軟弱夾層的分布狀況對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響；②軟弱夾層自身的力學(xué)特性分析。軟弱夾層的分布狀況主要為軟弱夾層的位置[2-7]、層數(shù)[3]對巷道底鼓[1-8]、冒頂[5]、片幫[6]以及巷道非勻稱失穩(wěn)[9-12]的影響。軟弱夾層自身特性方面的研究中，殷勇等[13]基于修正Prandtl擠壓理論解答計算軟弱夾層的極限荷載，為軟弱夾層的承載穩(wěn)定性分析提供參考。徐素國等[14]研究了軟弱泥巖夾層對層狀鹽巖體力學(xué)特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)軟弱夾層對層狀鹽巖體的強度起決定性作用，且軟弱夾層附近的巖體拉壓應(yīng)力相互轉(zhuǎn)化造成整體破壞；宋彥琦等[15]采用基本巖石力學(xué)實驗針對不同傾角天然軟弱夾層的大理巖的破壞規(guī)律，巖樣盡管整體以劈裂破壞，但在傾斜夾層處會出現(xiàn)不同程度的剪切滑移，產(chǎn)生拉剪復(fù)合型破壞。基礎(chǔ)巖石力學(xué)實驗證明軟弱夾層軟硬互層結(jié)構(gòu)的層間剪切效應(yīng)顯著，易發(fā)生剪切破壞。王東方等[18]研究分析發(fā)現(xiàn)對于層合板中間有材料模量存在量級差別的材料來說，剪切效應(yīng)明顯，力學(xué)分析時經(jīng)典層合板理論誤差較大；楊建平等[16]提出了軟弱夾層的破壞準(zhǔn)則及其損傷演化模型；張頂立等[17]提出軟硬互層的彈性模量對軟硬夾層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有重要影響，應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)調(diào)破壞方法提出巖層損傷參量D系統(tǒng)穩(wěn)定性評價指標(biāo)。已有損傷模型的顯著特點是將軟弱夾層及其圍巖視為一個完整的力學(xué)系統(tǒng)，即軟硬巖層結(jié)構(gòu)的總變形量等于軟、硬層變形量之和，變形前垂直于中面的法線在軟硬互層變形后仍垂直于中面[18]。根據(jù)上述分析，采動影響下斜井圍巖運動在軟硬巖層間會出現(xiàn)水平剪切、離層拉伸以及巖層內(nèi)沿井筒軸向和水平方向的拉伸和壓縮變形。其中，斜井圍巖豎直、水平應(yīng)變都會導(dǎo)致斜井支護失效，圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。隨著開采深度的增加，軟弱夾層自身的力學(xué)參數(shù)、軟弱夾層的厚度、軟弱夾層與斜井之間的角度及水平地應(yīng)力的水平都會對斜井圍巖穩(wěn)定性帶來影響。

基于上述分析，本文基于分層位移場的軟弱夾層靜力計算模型，計算得到軟弱夾層各點的精確位移變化，并分析了軟弱夾層的彈性模量、泊松比以及軟弱夾層的厚度對夾層間剪切效應(yīng)的影響以及斜井圍巖的變形失穩(wěn)現(xiàn)象。

1　軟弱夾層各點位移計算模型

沉積巖體地層近水平層賦存，層間一般以軟弱夾層充填且厚度一般較小，抗拉強度極低，巖層面方向易發(fā)生剪切破壞。應(yīng)用層板淺柱面殼靜力計算來建立軟弱夾層各點位移，假定軟弱夾層處于平面應(yīng)力或者平面應(yīng)變狀態(tài)[18]，如圖1所示，軟弱夾層極坐標(biāo)系為(R，θ)，與之對應(yīng)的正交坐標(biāo)系為(X，Y)，X方向與Y方向上的位移分別為(u，w)。

圖1　軟硬互層結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)沿弱膠結(jié)層厚度方向為線性，且考慮曲率的影響，結(jié)構(gòu)應(yīng)變方程可寫為式(1)。軟硬互層為各項異性材料，其本構(gòu)方程見式(2)。引用三層層合板的結(jié)構(gòu)勢能表達式見式(3)。

(1)

(2)

(3)

基于最小勢能原理，并固定結(jié)構(gòu)兩端變形，δu=0聯(lián)立方程(1)～(3)，從而得到軟硬互層結(jié)構(gòu)的靜力平衡控制方程，見式(4)。

(4)

(5)

(6)

(7)

求解線性方程組可得A8n×1，即a1n，a2n，a3n，a4n，a5n，a6n，a7n，a8n，帶入方程(6)可求得軟弱夾層各點的位移值。

2　軟弱夾層損傷破壞模型

軟弱夾層面由于井筒的開挖造成應(yīng)力重分布，應(yīng)力擾動造成圍巖體的失穩(wěn)破壞。軟弱夾層的損傷演化直至離層破壞的過程運用應(yīng)變等效的概念來定義，P.P.Camanho和C.G.Davila[19]建立了離層初始損傷到最后失效破壞的線性損傷方程，見式(8)。

(8)

由于軟弱夾層從初始損傷到最后失效破環(huán)過程，應(yīng)力與變形關(guān)系為指數(shù)遞減的非線性關(guān)系，本文采用的分段線性計算得到的軟弱夾層各點剪切位移采用伍國軍等[11]提出的指數(shù)形式損傷演化模型，更符合軟弱夾層非線性破壞過程。損傷演化方程見式(9)。

(9)

3　主斜井圍巖穩(wěn)定性分析

3.1主斜井圍巖變形機制分析

主斜井承擔(dān)礦井的主提升、進風(fēng)及安全出口任務(wù)，主斜井圍巖穩(wěn)定性受井筒掘進、井筒服役以及采煤形成的覆巖運動等擾動因素敏感，尤其是層間軟弱夾層界面極易發(fā)生剪切、拉伸和離層現(xiàn)象，支護難度增加，嚴(yán)重影響礦井的高效安全生產(chǎn)。

主斜井井筒穿軟硬互層示意圖如圖2所示，軟弱夾層影響下的主斜井典型變形如圖3所示。井筒圍巖受層狀地層的影響，垂直方向上巖體力學(xué)參數(shù)差異，從而造成圍巖應(yīng)力非線性分布；軟弱夾層受自重應(yīng)力及水平構(gòu)造應(yīng)力的共同作用，其變形不協(xié)調(diào)造成層間剪切滑移變形；此外，由于層狀巖層的水理特性不同，膨脹性礦物含量和遇水泥化程度的不同，軟弱夾層發(fā)生擠出和擴容變形導(dǎo)致井筒圍巖軟弱夾層界面產(chǎn)生離層現(xiàn)象。

3.2主斜井模型建立

本文以榆林某煤礦主斜井為基本地質(zhì)條件，本模型取埋深500～550m段進行分析，模型尺寸取為高度×寬度×長度=40m×60m×200m，斜井傾角14°，斷面為6m×5m(寬×高)直墻半圓拱，邊界受法向位移約束，地表自由，采用摩爾庫倫模型進行求解，采用應(yīng)力逐步釋放法來模擬洞室開挖的施工過程，圖4為三維數(shù)值模型。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察報告、初設(shè)資料及室內(nèi)物理力學(xué)試驗確定數(shù)值計算的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

圖2　主斜井井筒穿軟硬互層示意圖

圖3　軟硬互層主斜井井筒變形示意圖

表1　數(shù)值計算參數(shù)表

巖性K/GPaG/GPaρ/(kg·m-3)C/MPaφ/°σt/MPa粗砂巖0.721.3023903.67337.89細砂巖0.380.6924102.13293.17泥質(zhì)砂巖0.420.8023701.43304.22中砂巖0.480.8424201.09323.35

軟弱夾層上下硬層按粗砂巖力學(xué)參數(shù)取值，中間軟弱夾層為泥巖，遇水泥化嚴(yán)重。工況1時，軟弱夾層與硬層的彈性模量比值k在0.001～1之間變化；工況2時，軟弱夾層的泊松比在0.1～0.5之間變化，其余各層泊松比不變。工況3時，軟弱夾層的厚度在1～10m范圍內(nèi)變化，上下硬層厚度均為10m。

4　計算結(jié)果分析

4.1軟弱夾層彈性模量對斜井圍巖穩(wěn)定性的影響

4.1.1軟弱夾層位移分析

分析軟弱夾層彈性模量對斜井圍巖穩(wěn)定性的影響，繪制如圖5所示的軟弱夾層與硬層的彈性模量比值與斜井軟弱夾層處圍巖的變形量關(guān)系曲線。斜井穿過軟弱夾層井筒開挖后，斜井圍巖變形位移向自由面移動，不同位置的變形量不同，斜井頂板最大位移發(fā)生在軟弱夾層與下硬層分界面，斜井底板最大位移發(fā)生軟弱夾層與上硬層的分界面，兩幫最大位移發(fā)生在軟弱夾層中部。上覆壓力的作用以及軟弱夾層承載低且受擾動敏感，導(dǎo)致斜井圍巖在豎直方向移近量最為顯著，遠大于水平方向的移近量，頂?shù)装遄钊菀装l(fā)生破壞。

圖4　數(shù)值模擬計算模型網(wǎng)格劃分

圖5　不同彈性模量比值時圍巖關(guān)鍵點位移值變化

由圖5、圖6分析知：隨著軟硬互層彈模比值的減小，軟弱夾層中斜井圍巖關(guān)鍵點的變形量逐漸增加，大致呈冪函數(shù)關(guān)系迅速增加。當(dāng)軟弱夾層與硬層的彈性模量比值小于0.1時，軟弱夾層穩(wěn)定性更差，當(dāng)彈性模量比值k從0.2減小到0.1時，豎直方向移近量增加0.19m，水平方向移近量增幅達0.12m；當(dāng)軟硬層彈性模量比值k從0.1減小到0.05時，豎直方向移近量增加0.4m，水平方向移近量增加0.25m；說明軟弱夾層彈性模量與硬層彈性模量相差一個數(shù)量級及以上時，軟弱夾層圍巖變形顯著，穿越軟弱夾層的斜井施工難度顯著增加。

4.1.2軟弱夾層應(yīng)力場及破壞分析

由圖7、圖8可以看出，斜井穿過軟弱夾層井筒開挖后，斜井圍巖應(yīng)力重分布，軟弱夾層中靠近井筒的圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域較大，容易發(fā)生破壞，距離井筒8m以上的地層應(yīng)力分布比較均勻，趨近于原巖應(yīng)力，地層也相對比較穩(wěn)定。由圖8、圖9可以看出，隨著軟層與硬層彈性模量比值的減小，井筒圍巖內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)離井筒漸遠，在相同的擾動范圍內(nèi)，應(yīng)力梯度趨緩，斜井圍巖受擾動的范圍逐漸擴大。軟弱夾層與上下硬層之間應(yīng)力梯度變化值較高，隨著軟硬互層彈模比值的減小，軟弱夾層與上下硬層間的最大主應(yīng)力梯度越來越高，軟弱夾層穩(wěn)定性或者發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害的危險性就越大。

圖6　彈性模量比值k=0.05時斜井圍巖總位移云圖

圖7　彈性模量比值k=0.05時斜井圍巖最大主應(yīng)力云圖

圖8　不同k值時垂直井筒軸向的最大主應(yīng)力云圖

由圖10、圖11可以看出斜井圍巖軟弱夾層區(qū)域應(yīng)力釋放明顯，圍巖以剪切破壞為主，斜井圍巖塑性區(qū)由圓形逐漸轉(zhuǎn)化為矩形分布。

由圖12分析知：隨著軟硬互層彈性模量比值k的減小，在k大于0.1時軟弱夾層頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)深度也越來越深，在k小于0.1時塑性區(qū)深度沒有明顯的變化；隨k值的逐漸減小，塑性區(qū)深度與彈性模量比值近似呈冪函數(shù)關(guān)系；井筒圍巖兩幫的塑性區(qū)深度增加幅度大于頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)增加幅度。

圖9　不同k值時距井筒表面不同深度的應(yīng)力值

圖10　彈性模量比值k=0.05時斜井圍巖塑性區(qū)云圖

圖11　不同k值時垂直井筒圍巖塑性區(qū)分布

圖12　不同彈性模量比值時頂?shù)装逅苄詤^(qū)深度變化

4.2軟弱夾層泊松比對井筒結(jié)構(gòu)的影響

軟弱夾層的泊松比增加，其剪切模量減小體積模量增加，軟弱夾層越不容易被壓縮，軟弱夾層關(guān)鍵點的位移量逐漸減小。

分析軟弱夾層泊松比對斜井圍巖穩(wěn)定性的影響，繪制如圖13所示的軟弱夾層泊松比變化對斜井圍巖關(guān)鍵點的變形量關(guān)系曲線。由圖可以看出：隨著軟弱夾層泊松比的增大，圍巖關(guān)鍵點的變形量逐漸減小，近似成線性關(guān)系變化，斜井頂板在豎直方向的位移值最大，軟弱夾層泊松比由0.1增大至0.4過程中，頂板位移量減小0.424m，變化率增幅80%，同時，軟弱夾層泊松比的變化對斜井頂?shù)装逶趚方向上的位移變化影響并不大。

圖13　軟弱夾層不同泊松比條件下圍巖關(guān)鍵點位移值

4.3軟弱夾層厚度對井筒結(jié)構(gòu)的影響

隨著軟弱夾層的厚度增加，最大剪應(yīng)力的大小、軟弱夾層擾動范圍及地層的變形隨之增加，軟弱夾層的厚度越大，相同擾動范圍內(nèi)，高剪應(yīng)力影響越明顯，軟硬互層交界面處的滑動位移及頂?shù)装宓淖冃瘟孔顬轱@著，且由于上覆壓力及自重應(yīng)力的影響，頂板軟弱夾層與硬層接觸區(qū)域產(chǎn)生局部拉破壞，造成圍巖破壞，因此斜井頂板軟弱夾層底層位置出現(xiàn)最大位移值。

分析不同軟硬互層厚度比對斜井圍巖穩(wěn)定性的影響，繪制如圖14所示的軟硬互層厚度比變化對斜井圍巖關(guān)鍵點的變形量關(guān)系曲線。由圖14可以看出：隨著軟硬互層厚度比的增大，圍巖關(guān)鍵點的變形量逐漸增加，近似成線性關(guān)系變化，斜井頂?shù)装逶谪Q直方向的位移值最大，遠大于其水平方向的位移值和兩幫的位移值，最大位移值出現(xiàn)在斜井頂板軟弱夾層與下硬層交界處，不同厚度比條件下，豎直方向的移近量約為兩幫移近量的3倍。

圖14　不同軟硬互層厚度比條件下圍巖關(guān)鍵點位移值

軟弱夾層較厚時，斜井頂板的冒落將增加施工難度，必須在軟弱夾層發(fā)生大變形之前采取錨網(wǎng)支護，錨桿進行全長錨固并將其錨固在完整的巖石中，必要時采用錨桿注漿的方式將松散破碎的軟弱夾層膠結(jié)成整體，提高軟弱夾層承載能力，控制斜井圍巖的變形。

5　結(jié)　論

通過不同軟弱夾層力學(xué)參數(shù)對斜井圍巖穩(wěn)定性進行的理論計算與數(shù)值計算分析得出如下結(jié)論。

1)應(yīng)用層合板淺柱面殼靜力計算來建立軟弱夾層各點位移，能夠減小計算誤差，中間軟弱夾層的力學(xué)參數(shù)對軟硬互層的穩(wěn)定性有重要影響。

2)軟硬互層彈性模量之比對主斜井圍巖穩(wěn)定性有顯著影響，當(dāng)k值小于0.1時，即軟弱夾層彈性模量與硬層彈性模量相差一個數(shù)量級以上時，軟弱夾層圍巖變形顯著增加，二者呈冪函數(shù)關(guān)系。

3)隨著軟硬互層彈模比值的減小，軟弱夾層與上下硬層之間應(yīng)力梯度值較高，斜井頂板在軟弱夾層與下硬層接觸面附近變形最大，斜井底板在軟弱夾層與上硬層接觸面變形最大。

4)軟弱夾層泊松比由0.1增大至0.4過程中，頂板位移量減小0.424m；軟硬互層厚度比越大，圍巖穩(wěn)定性越差，豎直方向的移近量約為兩幫移近量的3倍。

斜井穿過軟弱夾層時圍巖穩(wěn)定性最差，使得巷道開挖后的支護成為棘手問題。軟弱夾層對井筒圍巖的影響，除了上述軟弱夾層的彈性模量、泊松比及厚度因素影響外還受埋深、地應(yīng)力、軟弱夾層與井筒夾角、井筒斷面尺寸及水滲透等諸多因素的影響。同時，軟弱夾層的時間效應(yīng)也是其必須考慮的重要因素之一。

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Analysis of stability of surrounding rock of coal inclined shaft with weak intercalated layer

SONGZhao-yang，JIHong-guang

(StateKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMinesMinistryofEducation，SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

Movementandfailureofoverlyingrockcausedbyminingofdeepcoalseams.Theweakintercalatedlayerisoneofthekeyfactorsinfluencingthestabilityofthesurroundingrockstabilityoftheshaft，thechamberandtheundergroundtunnel.Inordertostudythestabilityofsurroundingrockofinclinedshaftwithweakintercalatedlayerinweakcementationsandstone，themodelofstaticsaccountatweakintercalatedlayerbasedonstratifieddisplacementfield.Itcalculatestheexactdisplacementofeachpointofthesoftandhardrocklayers.Theoreticalanalysisandnumericalsimulationmethodareusedtoanalysessurroundingrockdeformationlaw，whichisaffectedbythesoftandhardrocklayerselasticmodulusratio，weakinterlayerpoison’sratioandthethickness.TheresultsshowedthattherearesignificanteffectsonsurroundingrockstabilityoftheInclinedShaftwithsoftandhardrocklayerselasticmodulusratio.Whenthekvalueislessthan0.1，thatis，whentheelasticmodulusofthesoftlayerandthehardlayerdiffersbyoneorderofmagnitudeandabove，thedeformationofthesurroundingrockincreasessignificantly，andthetwobecomesapowerfunctionrelationship.Thestressgradientbetweentheweakandtheupperandlowerhardlayersincreaseswiththedecreaseofk.Themaximumdeformationoccursintheinclinedroofandflooratthejunctionofsoftandhardlayer.ThedeformationofsurroundingrockslopedecreaseswiththePoisson'sratioofweakintercalationlayerisincreasedfrom0.1to0.4，roofdisplacementdecreases0.42m.Thegreaterthethicknessratio，theworsethestabilityofthesurroundingrock.Therooftofloordisplacementisabout3timesofthatofthetwosidesininclinedshaft.

weakinterlayer；coalinclinedshaft；surroundingrock；elasticmodulus；poissonratio

2016-01-12

國家自然科學(xué)基金重點項目資助(編號：51534002)

宋朝陽(1986-)，男，山東鄒平人，博士研究生，主要從事巖石力學(xué)與數(shù)值分析研究工作。E-mail：szhaoyang123@126.com。

TD353

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1004-4051(2016)08-094-06