最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究

闞忠輝

(安徽銅冠(廬江)礦業(yè)有限公司, 安徽 銅陵市 244000)

現(xiàn)有研究表明,地應(yīng)力中水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力[1G2],且在最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力的情況下,最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響最為重要且具有明顯的方向性[3G9],以前巷道設(shè)計(jì)與施工中很少考慮到最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,從而易造成巷道圍巖變形及失穩(wěn)較嚴(yán)重.本文以實(shí)際地質(zhì)條件為背景,模擬分析了巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力及巷道圍巖變形進(jìn)行實(shí)測(cè)與分析,為巷道、采場(chǎng)布置和支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo).

1 模型構(gòu)建

采用FLAC3D軟件構(gòu)建計(jì)算模型如下:模型尺寸為40 m×60 m×40 m(長(zhǎng)度×寬度×高度),共劃分出20800個(gè)單元,巷道埋藏深度為650 m,巷道斷面設(shè)計(jì)尺寸為圖1所示;模型四圍各邊界設(shè)為水平位移約束,底部設(shè)為固定位移約束,頂面及側(cè)面施加應(yīng)力控制邊界.

圖1 巷道斷面

根據(jù)某礦水平地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)附近鉆孔資料及巷道揭露情況,測(cè)點(diǎn)最小水平主應(yīng)力為7.9 MPa,最大水平主應(yīng)力為21.3 MPa,中間主應(yīng)力為12.4 MPa;材料選用摩爾－庫(kù)倫模型,煤巖層力學(xué)參數(shù)由巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出,如表1所示;根據(jù)研究需要,分別在巷道頂板及巷幫的中部巖層中布設(shè)應(yīng)力、位移監(jiān)測(cè)線;為研究巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向之間的夾角α對(duì)巷道圍巖應(yīng)力及變形特征的影響,本次模擬方案共考慮3種計(jì)算工況,即:夾角α為0°、45°、90°.

表1 模型煤巖體力學(xué)參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 圍巖垂直應(yīng)力特征

夾角α不同時(shí),巷道頂板中部巖層應(yīng)力變化規(guī)律如圖2所示,巷幫支承壓力變化規(guī)律如圖3所示.

由圖2可知,巷道頂板中部圍巖的垂直應(yīng)力隨距離頂板距離的增大而增大,但當(dāng)增大到一定程度,其增大的幅度明顯變小,當(dāng)α＜45°時(shí),隨α角的增大,巷道頂板垂直應(yīng)力增幅較小,當(dāng)α＞45°時(shí),隨α角的增大,巷道頂板垂直應(yīng)力增幅較大.

由圖3可知,巷道開(kāi)挖以后,巷道周圍存在塑性區(qū),垂直應(yīng)力較小,在距離巷幫2~8 m范圍內(nèi)存在垂直應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力集中系數(shù)在1~1.48之間.當(dāng)夾角α在0°~90°之間變化時(shí),隨著夾角α的增大,巷幫垂直應(yīng)力逐漸增大,應(yīng)力峰值也逐漸增加,當(dāng)α＝0°,應(yīng)力增高系數(shù)最大為1.22,當(dāng)α＝90°時(shí)應(yīng)力增高系數(shù)達(dá)到最大值為1.48;應(yīng)力達(dá)到峰值后,隨著距巷幫距離的增加,垂直應(yīng)力又逐漸減小趨于定值,最終接近原巖應(yīng)力.

圖2 巷道頂板垂直應(yīng)力變化曲線

圖3 巷幫垂直應(yīng)力變化曲線

2.2 圍巖變形特征

巷道頂板及巷幫的中部巖層位移變化曲線,如圖4、圖5所示.

圖4 巷道頂板位移變化曲線

圖5 巷幫位移變化曲線

由圖4可知,在圍巖性質(zhì)和其他條件都相同的條件下,巷道頂板位移隨α角的增大呈增大趨勢(shì).α＝0°、45°時(shí)的頂板下沉曲線幾乎重合,說(shuō)明當(dāng)α＜45°時(shí),夾角α對(duì)巷道的穩(wěn)定性影響較小;當(dāng)α＞45°時(shí),隨α角的增大,頂板位移顯著增大,但都在6~7 m深處開(kāi)始收斂.

由圖5可知,巷道幫內(nèi)位移量隨α角增大而增大,當(dāng)α＜45°時(shí),最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響無(wú)明顯變化,當(dāng)α＞45°時(shí),隨α角的增大,幫部位移明顯增加,但隨距巷幫間距的增大,位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定.

2.3 圍巖塑性區(qū)范圍

當(dāng)夾角α在0°~90°之間變化時(shí),圍巖塑性區(qū)分布范圍如圖6所示,圖中藍(lán)色部分表示彈性區(qū),粉紅色部分為破碎區(qū),橙色代表塑性區(qū).由圖6可知,巷道圍巖的破碎區(qū)主要分布在兩幫和部分底板,隨著α角的增加表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì),且在α＝90°時(shí)達(dá)到最大;巷道圍巖塑性區(qū)則主要出現(xiàn)在頂?shù)装宀课?并且隨α角的增加,分布范圍逐漸擴(kuò)大,最大達(dá)5.3 m.

圖6 不同α的巷道圍巖塑性區(qū)分布

3 地應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響的實(shí)測(cè)分析

為研究巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角α對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,本文對(duì)某礦－650南翼回風(fēng)大巷及北三采區(qū)回風(fēng)下山的實(shí)際破壞與維護(hù)情況做了詳細(xì)調(diào)查和實(shí)測(cè)分析.

根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果可知,該礦地應(yīng)力場(chǎng)宏觀上屬于水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),且－650南翼回風(fēng)大巷上最大水平主應(yīng)力為21.3 MPa,方位角為119.5°,傾角為5.2°;垂直主應(yīng)力為12.4 MPa,方位角為9.7°,傾角為75.1°;最小主應(yīng)力為7.9 MPa,方位角為210.8°,傾角為13.9°.因南翼回風(fēng)大巷走向?yàn)楸逼珫|30°,其軸向與最大水平主應(yīng)力基本垂直(見(jiàn)圖7).

圖7 南翼回風(fēng)大巷最大水平主應(yīng)力與巷道軸向夾角

因南翼回風(fēng)大巷軸向與最大水平主應(yīng)力基本垂直,且受相鄰工作面開(kāi)采影響,南翼回風(fēng)大巷圍巖變形量較大,通過(guò)井下現(xiàn)場(chǎng)觀察和實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出,與采用相同支護(hù)的大巷相比,南翼回風(fēng)大巷圍巖變形嚴(yán)重,頂板下沉量為350~400 mm,兩幫移近量達(dá)到2000 mm以上,底板起鼓明顯,累計(jì)起鼓量達(dá)1.50 m,混凝土噴層多處開(kāi)裂,巷道現(xiàn)場(chǎng)變形見(jiàn)圖8.

圖8 －650南翼回風(fēng)大巷照片

北三采區(qū)回風(fēng)下山的最大水平主應(yīng)力為35.0 MPa,方位角為161.4°,傾角為－6.6°;垂直主應(yīng)力為23.4 MPa,方位角為28.8°,傾角為－80.3°;最小主應(yīng)力為19.7 MPa,方位角為252.3°,傾角為－7.1°.因北三采區(qū)回風(fēng)下山巷方位角為106°,其軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角為55.4°(見(jiàn)圖9).

圖9 北三采區(qū)回風(fēng)下山最大水平主應(yīng)力與巷道軸向夾角

通過(guò)井下現(xiàn)場(chǎng)觀察和實(shí)測(cè)明顯看出,回風(fēng)下山兩幫變形嚴(yán)重,兩幫移近量大于1000 mm,底鼓和冒頂現(xiàn)象也較為明顯,頂?shù)装逡平看笥?80 mm,頂板支護(hù)暴露,底鼓累計(jì)大于800 mm,混凝土噴層多處開(kāi)裂,但巷道變形量較南翼回風(fēng)大巷小,巷道現(xiàn)場(chǎng)變形見(jiàn)圖10.

圖10 北三采區(qū)回風(fēng)下山照片

4 結(jié) 論

(1)模擬結(jié)果表明:夾角α對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性影響較大,夾角α越小越有利于圍巖穩(wěn)定,當(dāng)α＜45°時(shí),最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響無(wú)明顯變化,當(dāng)α＞45°時(shí),巷道圍巖應(yīng)力及位移明顯增大;當(dāng)夾角α不同時(shí),巷道圍巖應(yīng)力位移變化趨勢(shì)基本一致,隨著距離巷幫深度的增大,巷道頂板及側(cè)幫的應(yīng)力位移逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定并接近原巖應(yīng)力.

(2)與北三采區(qū)回風(fēng)下山相比,南翼回風(fēng)大巷所受最大水平主應(yīng)力較小,但夾角α較大,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明南翼回風(fēng)大巷變形量較大,實(shí)踐結(jié)果進(jìn)一步證明,在水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響下,夾角α對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性具有較大的影響,因此,為保護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性,采區(qū)布置前,應(yīng)對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè),盡可能使巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向平行.

[1] 倪興華.地應(yīng)力研究與應(yīng)用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

[2] 康紅普.煤礦井下應(yīng)力場(chǎng)類型及相互作用分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33(12):1329G1335.

[3] 宋志敏,程增慶,張生華.構(gòu)造應(yīng)力區(qū)軟巖巷道圍巖變形與控制[J].礦山壓力與頂板管理,2005,22(4):48G50.

[4] 王永才,康紅普.金川礦山深井高應(yīng)力開(kāi)采潛在的問(wèn)題[J].中國(guó)礦業(yè),2010,9(12):52G55.

[5] 魯 巖,鄒喜正,劉長(zhǎng)友,等.構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中的巷道布置[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2008,25(2):144G149.

[6] 鄭書(shū)兵.寺河煤礦三維地應(yīng)力場(chǎng)分布和巷道布置優(yōu)化[J].煤炭學(xué)報(bào),2010(5):717G722.

[7] 張延新,蔡美峰,歐陽(yáng)振華.地應(yīng)力與巷道布置關(guān)系的理論研究[J].巖土工程技術(shù),2005,19(2):93G97.

[8] 高富強(qiáng).最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2008,28(1):62G64.

[9] 高 峰.地應(yīng)力分布規(guī)律及其對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2009.