復雜地質條件下巷道圍巖失穩變形原因分析

陳 超

(山西天地王坡煤業有限公司)

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復雜地質條件下巷道圍巖失穩變形原因分析

陳 超

(山西天地王坡煤業有限公司)

以山西天地王坡煤業有限公司3209放頂煤工作面軟巖臨空巷道圍巖失穩變形為背景，從圍巖強度、地應力、巖體結構特征、地下水、巖層傾角、相鄰工程、巷道形狀、巷道跨度、施工工藝、施工質量等10個因素考慮，采用層次分析法對各影響因素進行綜合分析，給出各影響因素權重值的總排序，為巷道圍巖穩定性控制提供一定的理論依據。

層次分析法 臨空巷道 圍巖失穩 地質條件

隨著我國煤礦不斷向深部開采，地質條件越來越復雜，礦井經過長期開采后臨空巷道越來越多，以及局部厚煤層礦區大采高采煤工藝的應用，礦區壓力顯現愈發明顯，巷道支護難度逐漸增大，尤其在煤巷施工和維護中，由于煤巖體內部含有各種各樣的不連續面，如節理、層理、裂隙等，顯著改變了煤巖體的強度特征和變形特征，致使煤巖體與巖塊強度相差甚遠，極易造成巷道頂板離層、下沉甚至冒落、兩幫內鼓、底鼓等現象，成為制約煤礦安全高效生產的主要問題[1-3]。因此，需對影響圍巖穩定性因素建立定性分析模型，進而進行權值劃分，多角度分析巷道圍巖失穩變形的原因，對巷道圍巖穩定性控制具有重要的工程意義。

1 工程概況

山西天地王坡煤業有限公司目前開采二疊系下統山西組3#煤，煤厚平均5.9 m，煤層傾角近水平，煤層裂隙發育。煤層頂底板主要以泥巖(砂質泥巖)為主，主要充水水源為頂板砂巖裂隙水，富水性弱，以間歇性淋水為主。礦井地應力以自重應力為主，局部構造發育區原巖應力集中。掘進工作面采用綜合機械化掘進，錨網噴支護，回采工作面采用綜采放頂煤開采工藝。該礦采用斜井單水平延伸開采，布設1個回采工作面和2個掘進工作面，其中3209掘進工作面采用U+I型布置，回風順槽(4.5 m×3.4 m)與進風順槽(5 m×3.1 m)為沿煤層底板掘進巷道，兩者間距180 m，內錯瓦斯尾巷平行于回風順槽間距10 m，沿煤層頂板全巖巷掘進。工作面進風順槽側為實煤區，回風順槽和內錯瓦斯尾巷側為已回采結束的3207工作面。巷道地質構造復雜多變，在掘進過程中揭露斷層1處、陷落柱5處，巷道在掘進過程中頂板巖層破碎，再加上工程力和采動等因素影響，導致支護無法較好地控制圍巖的穩定性，屬于典型的復雜地質條件大斷面巷道。進風順槽掘進期間及巷道形成后未見壓力顯現，巷道圍巖穩定性控制較好，3209內錯瓦斯尾巷及3209回風順槽在掘進期間及巷道形成后壓力顯現明顯，巷道圍巖發生了嚴重的變形破壞，先頂板離層、下沉、脫落，甚至冒落，繼而引發兩幫內鼓(片幫)、底鼓等礦壓顯現。巷道內鼓一般0.3～0.8 m，最嚴重處達2 m，且底鼓處理多次。據觀測統計，自巷道開挖以來，3209回風順槽拉斷錨索61根，拉斷錨桿82根。3209內錯瓦斯尾巷拉斷錨桿58根，拉斷錨索11根。錨索從距鎖具0.4～1.1 m處錯差拉斷，鋼絲拉斷處絲徑明顯拉細(圖1)。

圖1 斷裂錨索展示

2 應用層次分析法確定巷道圍巖穩定性影響因素及權重

層次分析法是20世紀70年代由美國運籌學家SANTY提出的，是一種比較成熟的解決多因素復雜問題分析的有效方法，用其確定復雜地質條件下巷道圍巖穩定性影響因素的權重，為分析圍巖失穩原因提供理論支持[4]。

影響巷道圍巖穩定性的因素概括起來一般有巖體力學因素、工程地質因素和工程技術因素三大類[5]，為了更有利于分析巷道圍巖失穩原因，結合該礦生產實際，進一步優化為自然因素和人為因素。其中自然因素主要有：圍巖強度、地應力、巖體結構特征、地下水、巖層傾角；人為因素有：相鄰工程、巷道形狀、巷道跨度、施工工藝、施工質量[6-8]。

2.1 建立遞階層次結構模型

根據建立的評價指標的結構關系，建立遞階層次結構模型，如表1所示。

2.2 構建判斷矩陣

依據表1的層次模型，采用1～9及其倒數的標度法[9-10]，對隸屬于同一指標層各因素間的相對重要性進行兩兩比較，構建判斷矩陣(見表2～表4)，最后列出各因素對目標層的總排序(表5)。

2.3 一致性檢驗

首先對單排序一致性進行檢驗，對于一階、二階矩陣總是一致的，所以只需對B-C判斷矩陣檢驗。

表1 巷道圍巖穩定性影響因素的層次模型

表2 判斷矩陣A-B及其特征向量

表3 判斷矩陣B1-Cj及其特征向量

表4 判斷矩陣B2-Cj及其特征向量

表5 影響因素層次總排序

判斷矩陣B1-Cj一致性檢驗：

(1)

式中，CI為一致性特征數(CI=0時，矩陣一致，CI接近于零時有滿意的一致性，CI越大，不一致性越嚴重)；n為因子數，取n=10；RI為隨機一致性指標，根據因子數取值1.12；CR為一致性比率，當CR<0.1時認為不一致程度在容許范圍內。

同理判斷矩陣B2-Cj一致性檢驗：CR=0.018<0.1。

不一致程度均在允許的范圍內，符合一致性檢驗要求。

總排序一致性檢驗：CR=0.02<0.1。故總排序也通過一致性檢驗，從而確定影響巷道圍巖穩定性因素的權重值(表6)。

表6 巷道圍巖穩定性影響因素權重值

3 復雜地質條件下巷道圍巖失穩變形原因分析

從表6可以看出，影響巷道圍巖穩定性因素的權重值由大到小依次為：相鄰工程>圍巖強度>巷道形狀>巷道跨度>地應力>巖體結構特征>施工工藝>施工質量>巖層傾角>地下水。3209回風順槽和內錯瓦斯尾巷為臨空(3207采空區)巷道，采場動壓對臨近巷道圍巖穩定性影響強烈，所以3207采空區是3209掘進巷道圍巖失穩的關鍵性原因，權重值達到了近1/3；兩條巷道均為矩形巷道，矩形巷道圍巖頂板將出現較大的拉應力，可導致上部巖體產生張裂破壞趨勢，而拱形巷道圍巖應力狀態以壓應力為主，對維持圍巖穩定性較好，通常情況下巷道斷面越大，巷道的頂底板和兩幫的移近量都會增加，所以該礦巷道形狀及跨度設計也是巷道圍巖失穩變形的主要原因；3209內錯瓦斯尾巷施工工藝為爆破掘進，對圍巖的破壞程度遠遠大于機掘，工人對機械的操作水平，對現場支護的及時性和準確性都將對巷道圍巖穩定性產生影響；圍巖強度對圍巖穩定性影響次之，該礦《3#煤層地質力學測試報告》證實煤層頂板10 m范圍內巖性主要以炭質泥巖、砂質泥巖等軟巖為主，且存在大量離層、裂隙和夾層，裂隙多向發育，直接影響了巖體的整體強度；頂板大量軟巖夾層的存在同時也阻隔了地下水滲入溶蝕，所以地下水對該礦巷道圍巖穩定性影響不大，權重值僅為0.02；巖體結構特征權重值為0.053 7，這與該礦3#煤層頂底板巖體呈薄層狀結構，巖體內節理、層理發育，偶有層間錯動面和軟弱夾層有關；該礦地應力主要以自重應力為主，局部構造發育區域造成原巖應力集中，且水平應力和垂直應力之間的差值較大，這是巷道圍巖較難控制的一個原始本因；上覆巖層和下伏巖層與煤層賦存情況基本一致，屬于近水平巖層，壓力主要來自于頂板，變形也主要來自于頂板，巷道中局部傾斜巖層中壓力主要來自于頂底板，變形主要來自于兩幫和底板，造成了局部巷道內移和底鼓[11]。

4 結 論

(1)3209回順與內錯瓦斯尾巷為臨空軟巖巷道，煤層及頂底板裂隙較發育，采掘期間形成的擾動應力場與原始應力場疊加且局部構造發育，巷道圍巖處于較復雜的地質環境。

(2)綜合考慮各種影響因素，運用層次分析法，從最終的結果可以看出巷道臨空掘進對巷道圍巖的穩定性控制起到非常重要的作用，圍巖強度、地應力、巷道的形狀和斷面大小也是不容忽視的因素，評價結果與現場情況基本一致，可以用于指導生產實踐。

(3)該礦3#煤層頂底板巖體呈薄層狀結構，巖體內節理、層理發育，偶有層間錯動面和軟弱夾層，對這種非連續巖體應先利用錨桿(索)控制錨固區圍巖的離層、滑動、張裂隙等，及時進行注漿，阻止巖體內部的微運動，增強圍巖強度；巷道形狀應盡量采用拱形設計，同時還應加強工人職業技能的培訓。

[1] 余偉健,袁 越,王衛軍.困難條件下大變形巷道圍巖變形機理與控制技術[J].煤炭科學技術,2015(1):15-20.

[2] 彭志德.安山煤礦巷道頂板結構破壞機理及其控制[D].西安：西安科技大學,2012.

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[4] 楊國勇,陳 超,高樹林,等.基于層次分析-模糊聚類分析法的導水裂隙帶發育高度研究[J].采礦與安全工程學報,2015(2):206-212.[5] 薛彥平,許 廣,唐又馳.基于AHP的深部巷道圍巖穩定性影響因素評價分析[J].數學的實踐與認識,2013(6):157-164.

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[9] 郭金玉,張忠彬,孫慶云.層次分析法的研究與應用[J].中國安全科學學報,2008(5):148-153.

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Instability Deformation Reason of the Surrounding Rock of Roadway Under the Complex Geological Conditions

Chen Chao

(Shanxi Tiandi Wangpo Coal Mining Co.,Ltd.)

Taking the instability deformation of the surrounding rock of soft rock overhead roadway of 3209 caving working face of Shanxi tiandi wangpo coal mining Co.,Ltd as the study background,the factors of intensity of surrounding rock,in-situ stress,rock mass structural characteristics,groundwater,dip angle of rock strum,adjacent engineering,roadway shape,roadway span,construction techniques,construction quality are analyzed synthetically by adopting the analytic hierarchy process,the general ranking results of weights of the above ten factors are given to provide the theoretical basis for the controlling of the stability of surrounding rock of roadway.

Analytic hierarchy process,Overhead roadway,Instability of surrounding rock of roadway,Geological conditions

2016-06-30)

陳 超(1988—)，男，助理工程師，碩士，048021 山西省晉城市澤州縣下村鎮。