長平煤礦交錯(cuò)巷道圍巖破壞特性分析

程書暢

(山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司, 山西 晉城 048000)

巷道圍巖控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤礦安全開采的重要保障，依據(jù)巷道所處位置的地質(zhì)條件進(jìn)行支護(hù)決策設(shè)計(jì)。受自然因素和工程條件限制，巷道多埋藏于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的巖層條件下，控制圍巖相對(duì)困難，尤其錯(cuò)綜復(fù)雜的巷道群、多巷道間圍巖控制較為復(fù)雜，單純依靠平時(shí)的工程類比無法保持巷道圍巖穩(wěn)定，致使巷道頻繁翻修，影響生產(chǎn)[1-2].結(jié)合長平煤礦五盤區(qū)上部運(yùn)輸巷以及下部回風(fēng)巷道之間的圍巖體條件，對(duì)交錯(cuò)巷道圍巖穩(wěn)定性提出支護(hù)設(shè)計(jì)，并確定支護(hù)參數(shù)。

1 交錯(cuò)巷道工程概況

該礦4303工作面位于東二小采區(qū)，主采3#煤層，其厚度約5.48 m，煤層平均傾角為16°，屬于緩斜煤層。在4303運(yùn)輸巷道掘進(jìn)并與進(jìn)風(fēng)巷道貫通的過程中，其下部已經(jīng)存在一條專用回風(fēng)巷道。運(yùn)輸巷道與回風(fēng)巷道的空間位置關(guān)系示意圖見圖1，兩巷道之間的巖柱最薄弱處約為3 m，且在水平方向上的投影交角為57°.

圖1 空間位置關(guān)系示意圖

2 巷道穩(wěn)定性影響因素判斷

交錯(cuò)巷道因受鄰近巷道的應(yīng)力重分布影響，巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)與鄰近巷道空間位置關(guān)聯(lián)緊密，常常表現(xiàn)出大變形、巷道底鼓，變形難控制等特點(diǎn)。受下段巷道開挖擾動(dòng)影響，上部運(yùn)輸巷道會(huì)在巷道交錯(cuò)位置附近發(fā)生不均勻沉降變形，加之交錯(cuò)巷道巷間的圍巖體在開挖擾動(dòng)影響范圍內(nèi)，應(yīng)力重分布后的最大主應(yīng)力較初始地應(yīng)力增加明顯，應(yīng)力集中相對(duì)劇烈。因此，開挖卸荷導(dǎo)致了交錯(cuò)巷道之間巷間圍巖的不均勻變形，重分布作用導(dǎo)致圍巖松動(dòng)，使得巖體產(chǎn)生拉伸破壞以及錯(cuò)動(dòng)剪切變形，從而降低圍巖穩(wěn)定性，引發(fā)災(zāi)害[6].

3 交錯(cuò)巷道的數(shù)值模擬分析

3.1 FLAC3D模型建立

3.1.1模型構(gòu)建

采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，為了接近工程實(shí)際及便于分析，對(duì)4303運(yùn)輸巷道與回風(fēng)巷道的空間交錯(cuò)位置的模型進(jìn)行簡化。上下兩巷道在水平面上的投影交角為57°，且兩巷之間的最薄弱處圍巖體厚度約為3 m，上方4303運(yùn)輸巷道為矩形巷道，下方專用回風(fēng)巷道為半圓直墻拱巷道，模型長(X)60 m，寬(Y)72 m，高(Z)60 m，一共劃分為108 360單元，4個(gè)側(cè)向設(shè)為水平應(yīng)力邊界，垂直應(yīng)力邊界為頂邊界，垂直位移邊界則為底邊界。

3.1.2邊界條件

對(duì)所建立模型的垂直方向附加重力場(chǎng)，兩側(cè)則附加水平應(yīng)力梯度場(chǎng)，邊界上頂部設(shè)應(yīng)力邊界，側(cè)向施加水平約束，底部進(jìn)行垂直方向固定，巷道埋深約為-520 m，所對(duì)應(yīng)上覆巖層的圍巖壓力載荷約為13 MPa，由此設(shè)置模型邊界條件。

3.1.3力學(xué)模型

根據(jù)巖石取樣和力學(xué)測(cè)試，模擬采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則判斷巖體的破壞：

(1)

式中：

σ1、σ3—最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力,MPa；

c—內(nèi)聚力,MPa;

φ—內(nèi)摩擦角,(°).

當(dāng)fs>0時(shí)，材料剪切破壞。而在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強(qiáng)度較低，一般用抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(ft>0)判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

3.1.4模擬圍巖的力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，得出煤與巖石的力學(xué)參數(shù)，見表1.

表1 煤與巖石的力學(xué)參數(shù)表

3.2 巷道交錯(cuò)條件下的膠帶機(jī)巷圍巖穩(wěn)定性分析

在專用回風(fēng)巷道開挖引起圍巖應(yīng)力重分布的條件下，開挖運(yùn)輸巷形成了兩巷道圍巖應(yīng)力的二次重分布。巷道交錯(cuò)位置附近垂直應(yīng)力分布特征見圖2.圍巖垂直應(yīng)力受巷道開挖影響而向兩幫轉(zhuǎn)移，但相比于運(yùn)輸巷未開挖，專用回風(fēng)巷道的上部垂直應(yīng)力載荷受運(yùn)輸巷開挖影響而發(fā)生“局部”變化，巷道交錯(cuò)位置圍巖垂直應(yīng)力集中峰值明顯降低，由21.4 MPa降為18.9 MPa，而巷道交錯(cuò)位置附近圍巖體應(yīng)力集中峰值略有增加，由21.4 MPa增加為21.8 MPa.說明運(yùn)輸巷開挖使得垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)移至兩幫，做為垂直應(yīng)力重要承載結(jié)構(gòu)的巷道兩幫又將應(yīng)力傳遞給了巷道交錯(cuò)位置附近圍巖體，致使巷道交錯(cuò)位置附近圍巖體應(yīng)力集中峰值略有增加。

圖2 圍巖垂直應(yīng)力分布特征圖

圍巖水平應(yīng)力分布特征見圖3.回風(fēng)巷道水平應(yīng)力(X方向)普遍是16～17.8 MPa，但在巷道交錯(cuò)位置的圍巖水平應(yīng)力(X方向)集中峰值有所增加，達(dá)19.2 MPa，說明在巷道交錯(cuò)位置的圍巖受到了來自兩側(cè)的沿運(yùn)輸巷斷面?zhèn)认蛩綉?yīng)力的擠壓作用，這種擠壓狀態(tài)類似對(duì)巷道交錯(cuò)位置的圍巖做“單軸擠壓”作用，而這種單軸壓力作用不利于巷道圍巖體自身承載能力的發(fā)揮。因此,給予巷道交錯(cuò)位置的圍巖以合理的側(cè)向應(yīng)力提高圍巖“單軸抗壓”的承載能力，使圍巖不至于破碎失穩(wěn)，是保證交錯(cuò)巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵影響因素之一。

圖3 圍巖水平應(yīng)力分布特征圖

圍巖軸向應(yīng)力分布特征見圖4.回風(fēng)巷道頂板圍巖存在近18 MPa的圍巖軸向應(yīng)力(Y方向)集中，但在巷道交錯(cuò)條件下的運(yùn)輸巷開挖影響下，在巷道交錯(cuò)位置(Y方向)兩端圍巖軸向應(yīng)力集中略有增加，達(dá)18.4 MPa.從圍巖應(yīng)力分布總體來看，圍巖軸向應(yīng)力(Y方向)集中峰值變化不明顯，但圍巖水平應(yīng)力(X方向)集中峰值有所增加，增加量達(dá)2～3 MPa.與此同時(shí)，在巷道交錯(cuò)位置的圍巖垂直應(yīng)力受上下兩巷道的開挖而得以釋放，這造成了巷道交錯(cuò)位置圍巖三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚴芰顟B(tài)，不利于巷道圍巖體的自身承載能力的發(fā)揮和交錯(cuò)巷道的圍巖穩(wěn)定。維護(hù)并提高三向應(yīng)力作用狀態(tài)來抵抗水平力作用，是保證交錯(cuò)巷道穩(wěn)定的力學(xué)關(guān)鍵因素。

圖4 圍巖軸向應(yīng)力分布特征圖

分析在兩巷道中部位置的頂?shù)装遄冃伟l(fā)現(xiàn)，在巷道交錯(cuò)位置圍巖中部，頂板相對(duì)該位置以外的圍巖下沉量略有增加，底板底鼓相對(duì)該位置以外圍巖鼓起量有所降低，說明巷道交錯(cuò)位置的圍巖存在整體下沉的特征，相對(duì)下沉量達(dá)2～3 cm，對(duì)于下方巷道頂板來說則存在著拉應(yīng)力破壞，但下部巷道頂板呈半圓拱形狀，有利于下部巷道頂板圍巖的穩(wěn)定性防護(hù)。圍巖垂直位移分布特征見圖5.

圖5 圍巖垂直位移分布特征圖

巷道交錯(cuò)條件下開挖運(yùn)輸巷，引起了下方回風(fēng)巷道的兩幫位移量增加，從圍巖水平運(yùn)移分布特征(圖6)可以看出，巷道交錯(cuò)條件下的巷間圍巖左右的幫角部位存在顯著的X方向水平位移且呈擠壓態(tài)勢(shì)，擠壓X方向水平變形量達(dá)2.6 cm，這也說明了巷道交錯(cuò)條件下的巷間圍巖受到X方向水平應(yīng)力擠壓作用明顯。

圖6 圍巖水平位移分布特征圖

從圍巖軸向位移特征(圖7)可以看出，Y方向的軸向應(yīng)力作用對(duì)上方運(yùn)輸巷圍巖的影響不大，但Y方向的軸向應(yīng)力卻近似是下方回風(fēng)巷道的斷面?zhèn)认蛩綉?yīng)力，進(jìn)而引起下方回風(fēng)巷道的圍巖沿?cái)嗝鎮(zhèn)认蛩綉?yīng)力方向變形，同樣巷道在交錯(cuò)條件下的巷間圍巖在其前后兩側(cè)的端部存在顯著的Y方向軸向位移且呈擠壓態(tài)勢(shì)，擠壓Y方向水平變形量達(dá)2.4 cm.整體來看巷間圍巖受力變形分析，巷道在交錯(cuò)條件下的巷間圍巖出現(xiàn)側(cè)向受水平應(yīng)力擠壓變形，垂直方向受力最小但下沉變形的“板梁凹陷”變形特征，即巷道交錯(cuò)條件下的巷間圍巖呈現(xiàn)中部受力比周圍的作用力小而造成周圍高中間低的局部變化特征。

圖7 圍巖軸向位移分布特征圖

分析巷道在交錯(cuò)條件下圍巖最大主應(yīng)力分布特征(圖8)，交錯(cuò)巷道的巷道間圍巖體是上方巷道的底板，同時(shí)也是上方巷道幫部圍巖的應(yīng)力傳遞的承載結(jié)構(gòu)；從運(yùn)輸巷圍巖最大主應(yīng)力分布特征來看，應(yīng)力傳遞分布于下方巷道幫底角部位顯著，說明既要維護(hù)交錯(cuò)巷道的巷道間圍巖體的承載能力，還需要加強(qiáng)下方巷道幫部圍巖的承載能力，這也是更有利于實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)巷道的巷道間圍巖體整體穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。

圖8 圍巖塑性破壞分布特征圖

4 交錯(cuò)巷道圍巖控制建議

在專用回風(fēng)巷道開挖引起圍巖應(yīng)力重分布的條件下，開挖4303運(yùn)輸巷形成了兩巷道圍巖應(yīng)力的再次重分布，對(duì)下方巷道頂板來說則存在拉應(yīng)力破壞。通常底板為巷道支護(hù)中薄弱部分,當(dāng)頂板和幫部壓力變化，壓力傳遞作用引起底板局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致剪切滑移。伴隨著底板塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，圍巖松動(dòng)破碎加劇，導(dǎo)致底鼓發(fā)生，頂板及其幫部圍巖不穩(wěn)定，最后巷道整體失穩(wěn)。

建議在4303運(yùn)輸巷底板位置采用錨桿支護(hù)+注漿的方法加固圍巖。通常采用普通水泥雙液注漿，漿液加強(qiáng)圍巖薄弱位置的黏結(jié)，提高圍巖整體穩(wěn)定性。

對(duì)4303運(yùn)輸巷幫及頂板采用錨桿+錨索+鋼筋梯子梁支護(hù)方式。用螺紋鋼錨桿與鋼筋梯子梁耦合形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以發(fā)揮頂板圍巖的自承能力，而且使得附加的支護(hù)應(yīng)力傳遞給圍巖，可改善圍巖體的受力狀態(tài)，有利于巷道的穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬分析交錯(cuò)巷道圍巖體應(yīng)力重分布特征、巷間圍巖體變形破壞規(guī)律，揭示交錯(cuò)巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的關(guān)鍵部位與影響因素。分析認(rèn)為，開掘上方4303運(yùn)輸巷引起水平應(yīng)力集中與下方回風(fēng)巷斷面?zhèn)认蛩綉?yīng)力疊加，加劇巷道礦壓顯現(xiàn)，導(dǎo)致兩條巷道圍巖塑性破壞向深部擴(kuò)展，在交錯(cuò)位置上下之間的圍巖內(nèi)發(fā)生破壞裂隙相互貫通。