高應(yīng)山,王俊虎

（1.西山煤電股份有限公司 杜兒坪礦，山西 太原 030022）

地質(zhì)力學(xué)測(cè)試在巷道群礦壓分析中的應(yīng)用

高應(yīng)山1,王俊虎1

（1.西山煤電股份有限公司 杜兒坪礦，山西 太原 030022）

在杜兒坪礦2號(hào)煤皮帶巷進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果應(yīng)用于巷道礦壓分析中，結(jié)果表明：最大水平主應(yīng)力為13.67MPa，最小水平主應(yīng)力為6.94MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|9°，皮帶巷直接頂板為粉-細(xì)砂巖，強(qiáng)度介于60MPa～80MPa之間；皮帶巷在掘進(jìn)過程中，會(huì)受到軌道巷和回風(fēng)巷開挖形成的支承壓力的雙重影響，皮帶巷的兩幫在垂直方向高應(yīng)力集中和水平應(yīng)力橫向卸壓雙重作用下，造成兩幫圍巖的穩(wěn)定性降低。

地質(zhì)力學(xué)測(cè)試；煤柱；支承壓力

巷道圍巖含有大量的節(jié)理、裂隙、層理等不連續(xù)面以及斷層、褶曲、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，不連續(xù)面及地質(zhì)構(gòu)造的存在顯著影響和控制著巖體的幾何性質(zhì)和力學(xué)特性，同時(shí)圍巖中的原巖應(yīng)力場(chǎng)、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)等組合作用導(dǎo)致圍巖的變形和破壞特征出現(xiàn)較大的差別[1，2]。隨著煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展，巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試也逐步得到重視，測(cè)試結(jié)果應(yīng)用于支護(hù)設(shè)計(jì)，顯著提高了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性[3，4]。

杜兒坪礦2號(hào)煤皮帶巷延伸段在掘進(jìn)過程中會(huì)受到剛掘進(jìn)完成的軌道殘余支承壓力的影響，同時(shí)又會(huì)受到回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中超前支承壓力的影響，屬于典型的巷道群掘進(jìn)，因此有必要對(duì)杜兒坪礦巷道圍巖進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測(cè)試以及礦壓顯現(xiàn)狀況進(jìn)行分析，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與分析

1.1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試位置

2號(hào)煤皮帶巷的延伸段位于杜兒坪南九盤區(qū)至南十盤區(qū)，平均埋深約550 m。南九2號(hào)煤皮帶巷北靠軌道巷，兩條巷道中對(duì)中煤柱尺寸為24 m，南靠回風(fēng)巷，對(duì)中煤柱尺寸為31 m，如圖1所示。在皮帶巷進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)測(cè)試工作。

1.2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果

1.2.1 圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)與分析

圖1 南九2號(hào)煤皮帶巷巷道布置平面圖

圖2 圍巖結(jié)構(gòu)窺視結(jié)果

圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔觀測(cè)結(jié)果，見圖2，測(cè)站頂板以上0～4.65 m之間為細(xì)砂巖，呈黑色和灰黑色，砂質(zhì)膠結(jié)，在距離巷道表面的淺部含有環(huán)形裂隙；在4.65 m～5.77 m之間含有一層1.2 m厚的2號(hào)煤上，黑色發(fā)亮，煤層較完整。5.77 m～7.20 m為粉砂巖，不是非常完整。7.20 m～10.66 m之間是厚度為3.46 m的煤，厚度較大。10.66m～19.9m之間砂質(zhì)頁巖，厚度較大，巖層堅(jiān)硬，有少量裂隙，中間一小段煤線。19.9m～22.1m之間為粉砂巖，淺灰色，砂質(zhì)膠結(jié)，比較破碎。

1.2.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)量與分析

圖3 測(cè)站圍巖和煤體強(qiáng)度

圖4 模型

對(duì)測(cè)站頂板和兩幫煤體進(jìn)行圍巖強(qiáng)度原位測(cè)試，如圖3所示，皮帶巷直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，平均強(qiáng)度為32.46MPa，老頂為粉－細(xì)砂巖，強(qiáng)度大部分集中在60MPa～80MPa之間，平均強(qiáng)度為67.89MPa。

1.2.3 地應(yīng)力測(cè)試與分析

最大水平主應(yīng)力為13.67MPa，最小水平主應(yīng)力為6.94MPa，垂直應(yīng)力為13.75MPa：最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|9°。

2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測(cè)試的目的在于指導(dǎo)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，初始設(shè)計(jì)采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算，將地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果應(yīng)用到數(shù)值計(jì)算過程中，對(duì)巷道的掘進(jìn)過程中的支承壓力狀況進(jìn)行分析，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。為滿足工作面回采對(duì)于通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)刃枰?，?duì)南九軌道巷、皮帶巷及回風(fēng)巷進(jìn)行延伸，軌道巷、皮帶巷和回風(fēng)巷依次進(jìn)行掘進(jìn)。

2.1 模型建立

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件建立對(duì)應(yīng)的FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為120m×50m×50m，如圖4所示。坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系；地應(yīng)力取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，巷道軸向平行于最大水平主應(yīng)力方向；邊界條件為：上部為自由邊界，四周和底部采用鉸支。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1 巷道分步掘進(jìn)過程中煤柱中支承壓力分布狀況

圖5 軌道巷掘進(jìn)過程中支承壓力分布圖

圖6 皮帶巷掘進(jìn)過程中支承壓力分布圖

圖5為南九軌道巷掘進(jìn)過程中煤柱上的支承壓力分布圖和支承壓力分布曲線。

巷道之間的煤柱直接影響到巷道圍巖應(yīng)力的分布和大小，從而影響圍巖的穩(wěn)定性，主要是由于相鄰巷道間的開掘會(huì)在煤柱上形成支承壓力集中，并且應(yīng)力集中程度隨著煤柱的寬高比不同而不同[5,6]。由圖5知軌道巷開挖過程中在煤柱中形成應(yīng)力集中，靠近煤柱一側(cè)支承壓力峰值為21.5MPa，峰值距煤幫的距離為3.2m，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過圍巖自身的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)造成巷道周圍的巖體發(fā)生局部破壞、應(yīng)力松弛和塑性變形。遠(yuǎn)離煤柱一側(cè)巷道圍巖中的應(yīng)力峰值為20.8 MPa，應(yīng)力集中程度低于煤柱一側(cè)，支承壓力峰值距煤幫的距離為2.0m，由此可見，靠近煤柱一側(cè)支承壓力峰值深移，會(huì)加劇煤柱內(nèi)部的破壞。

圖6為南九皮帶巷掘進(jìn)過程中煤柱上的支承壓力分布圖。

由圖6可知，皮帶巷的開挖同樣造成了圍巖應(yīng)力的重新分配，在靠近煤柱一側(cè)，支承壓力峰值為21.0 MPa，峰值距煤幫的距離為3.07 m，在遠(yuǎn)離煤柱一側(cè)支承壓力呈負(fù)指數(shù)形式衰減，峰值為20.9 MPa，距煤幫的距離為2.14m。皮帶巷與與軌道間的煤柱中央形成的支承應(yīng)力相互疊加，煤柱中央支承壓力最低值為16.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.18，雖然煤柱中央的支承壓力較高，然而由于煤柱中央處于三向受力狀態(tài)，極限承載力顯著提高，而靠近巷道兩幫處的圍巖處于雙向應(yīng)力狀態(tài)，承載力很低，不利于巷道兩幫的穩(wěn)定。

圖7為南九回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中煤柱上的支承壓力分布圖。

圖7 回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中圍巖支承壓力分布圖

由圖7知，南九回風(fēng)巷與皮帶巷之間的煤柱寬度為27 m，回風(fēng)巷在掘進(jìn)過程使得皮帶巷圍巖的應(yīng)力重新分配，在靠近與軌道巷間煤柱一側(cè)，支承壓力峰值為20.3 MPa，距煤幫的距離為2.17 m，在遠(yuǎn)離煤柱一側(cè)支承壓力峰值為20.2 MPa，距煤幫的距離為2.04m?；仫L(fēng)巷與與皮帶間的煤柱中央形成的支承應(yīng)力相互疊加，煤柱中央支承壓力最低值為15.6 Pa，由于回風(fēng)巷和皮帶巷之間的煤柱寬度要高于皮帶巷和軌道巷之間的煤柱寬度，前者在煤柱中形成的支承壓力集中程度也略低于后者，會(huì)對(duì)煤柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響[7]，因此在支護(hù)過程中要特別注意煤柱的維護(hù)。

皮帶巷在掘進(jìn)過程中會(huì)與軌道巷間的煤柱內(nèi)形成高應(yīng)力場(chǎng)，使得巷道靠近煤柱一側(cè)的煤幫穩(wěn)定性降低。并且皮帶巷在掘進(jìn)完畢后，還要受到回風(fēng)巷掘進(jìn)的影響，皮帶巷又和回風(fēng)巷在煤柱中的垂直應(yīng)力場(chǎng)相互貫通，在高應(yīng)力場(chǎng)的影響下煤柱的穩(wěn)定性降低。皮帶巷的兩幫垂直應(yīng)力高度集中，而水平應(yīng)力處于卸壓狀態(tài)，同時(shí)再與軌道巷和回風(fēng)巷在煤柱中形成的垂直應(yīng)力場(chǎng)相互貫通并疊加，煤柱應(yīng)力集中程度增強(qiáng)，在垂直方向高應(yīng)力集中和水平應(yīng)力橫向卸壓雙重作用下，使得皮帶巷圍巖始終處于高應(yīng)力狀態(tài)，易造成圍巖的穩(wěn)定性差，巷道的變形量加劇。

3 小結(jié)

（1）杜兒坪礦2號(hào)煤皮帶巷的最大水平主應(yīng)力為13.67 MPa，方向?yàn)楸逼珫|9°，最小水平主應(yīng)力為6.94 MPa，直接頂板為粉-細(xì)砂巖，強(qiáng)度介于60 MPa～80MPa之間。

（2）軌道巷、皮帶巷和回風(fēng)巷在煤柱中形成的支承壓力峰值呈遞減趨勢(shì)，分別為21.5 MPa、21.0 MPa和20.3 MPa，且峰值距煤幫的距離也逐漸降低，分別為3.2 m、3.07 m和2.17 m。皮帶巷在掘進(jìn)過程中，會(huì)受到軌道巷和回風(fēng)巷開挖形成的支承壓力的雙重影響，兩幫的穩(wěn)定性差。

（3）皮帶巷兩幫在垂直方向高應(yīng)力集中和水平應(yīng)力橫向卸壓雙重作用下，使得巷道圍巖始終處于高應(yīng)力狀態(tài)，會(huì)造成圍巖的穩(wěn)定性降低。

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Application of Geological Mechanics Testing in Strata Pressure Study for Roadways

GAO Ying-shan,WANG Jun-hu
(Duerping Mine,Xishan Coal Electricity Group,Taiyuan Shanxi 030022)

Geological mechanics testing results on the No.2 belt lane in Duerping mine were used in strata pressure study.Then the conclusion shows:while the maximum horizontal principal stress is13.67MPa, the minimum value is6.94Mpa;the direction of maximum horizontal principal stress is9 degrees north by east;and direct roof of the lane consists of fine sandstone and siltstone,with strength changing between60 to80Mpa.In the course of drifting,the belt lane is influenced by double support pressure by track lane and return airway.The surrounding rock stability of two sides of the lane decreases under the action of vertical high-stress concentration and lateral pressure release.

geological mechanics testing;coal pillar;support pressure

TD353

A

1672-5050（2012）09-0054-04

2012-02-21

高應(yīng)山（1963—），男，山西大同人，大學(xué)本科，工程師，從事采煤技術(shù)工作。

樊 敏