田莉梅 張 英 張景華(.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 0008；2.廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院，河北 廊坊 065000；.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體在巖體內(nèi)通過不同的組合和排列而形成不同的巖體結(jié)構(gòu)，不同的巖體結(jié)構(gòu)其物理力學(xué)性質(zhì)、力學(xué)效應(yīng)以及對工程穩(wěn)定性的影響有所差異。巖體內(nèi)部賦存的原生節(jié)理在長期復(fù)雜地質(zhì)作用下形成節(jié)理、斷層、劈裂等不良結(jié)構(gòu)面。井下巷道的開拓過程中會(huì)遇到各種不良地質(zhì)現(xiàn)象，其中斷層最為常見，掘進(jìn)穿越斷層破碎帶時(shí)，圍巖易出現(xiàn)大變形、塌方、突水等一系列地質(zhì)災(zāi)害，支護(hù)難度大，加固措施不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致巷道失穩(wěn)坍塌，危害到人員和設(shè)備安全，同時(shí)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。

分析斷層區(qū)域工程地質(zhì)條件，研究斷層附近圍巖的強(qiáng)度和不同斷層賦存狀態(tài)下巷道的穩(wěn)定性，采取針對性的巷道掘進(jìn)過斷層帶支護(hù)方案，對巷道安全施工和穩(wěn)定性保障具有重要的意義。大量工程實(shí)踐和研究表明，斷層傾角、斷層與巷道頂板的距離、斷層厚度對巷道圍巖穩(wěn)定性均有直接影響[3-4]，本研究以三山島金礦深部開采巷道為工程背景，采用數(shù)值模擬的方法，模擬不同賦存狀態(tài)斷層下巷道掘進(jìn)施工過程，分析斷層傾角、距離、厚度對巷道穩(wěn)定性的影響，確保作業(yè)安全并制定合理的支護(hù)加固方案。

1 工程概況及模擬方案

1.1 工程概況

三山島礦區(qū)附近賦存3個(gè)主要斷層為F1、F2和F3。F1位于斷裂帶中偏上部，寬6～40 cm，由斷層泥、糜棱巖及構(gòu)造角礫巖組成；斷層的走向40°，傾角35～40°，主斷面延展穩(wěn)定，兩側(cè)發(fā)育有1～10 m厚的碎裂巖帶。F2位于在三山島—倉上斷裂的西側(cè)(下盤)約300 m處，發(fā)育1條長900 m的分枝斷裂，總體走向?yàn)?0°，呈舒緩波狀。構(gòu)造巖帶寬度為5～20 m，有絹云母化、硅化、絹英巖化熱液蝕變及石英脈充填，構(gòu)成構(gòu)造蝕變帶。F3位于三山島—三元斷裂的西北端，在礦區(qū)內(nèi)長1 500 m，向北西伸向萊州灣，向南東延長到礦區(qū)之外；斷層于32線與36線間通過，橫貫礦區(qū)。延深大于600 m。斷層走向290°～300°，傾向主要為北東，局部反傾，傾角80°以上；斷層構(gòu)造破碎帶寬10～25 m，由充填其中的數(shù)條煌斑巖等基性脈巖及碎裂巖、角礫巖組成。

1.2 模擬方案及數(shù)值模型

為分析三山島金礦深部開采巷道過斷層掘進(jìn)過程的圍巖穩(wěn)定性并制定加固方案，同時(shí)研究斷層傾角、距離、厚度變化對巷道穩(wěn)定性的影響，本研究通過數(shù)值模擬[5-7]斷層傾角0°、50°、90°，水平斷層距巷道頂板5、10、15 m，斷層厚度10、15、20 m等工況下的巷道掘進(jìn)過程，分析巷道兩幫、頂板的收斂、沉降及應(yīng)力分布。在巷道頂板中點(diǎn)、底板中點(diǎn)及左右兩幫布置變形和應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，采用分步開挖的方式模擬掘進(jìn)過程，總共10步開挖，每次進(jìn)尺5 m。

模型以水平垂直于巷道走向方向?yàn)閄軸，平行于巷道走向方向?yàn)閅軸，鉛垂方向?yàn)閆軸，巷道截面為三心拱，巷道凈寬4.5 m，凈高3.2 m。巷道埋深為780 m，模型在各軸上的尺寸分別為50 m、50 m和60 m，如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

依照現(xiàn)場地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，對模型施加應(yīng)力邊界條件，模型其余邊界為單向邊界。最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力隨深部的變化規(guī)律依照下式計(jì)算：

σh,max=1.433+0.043H，

(1)

σh,min=1.304+0.024H，

(2)

σv=0.07+0.028H，

(3)

式中，σh,max、σh,min、σv分別為最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力，MPa；H為深度，m。

三山島金礦存在豐富的地下水和古海水，圍巖長期處于這種高礦化度，顯弱酸性的地下水中，考慮損傷效應(yīng)并參考地質(zhì)資料，數(shù)值計(jì)算模型選取的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanics parameters

2 斷層傾角對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

斷層傾角是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的重要因素[8-9]，傾角變化對巷道的圍巖變形和強(qiáng)度特征有直接的影響。研究斷層傾角變化對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，可通過數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)多種傾角的工況對比。模擬方案：斷層厚度15 m，距離頂板的豎直距離為10 m，選取3個(gè)傾角不同的模型進(jìn)行數(shù)值模擬并對比分析無斷層情況下圍巖的穩(wěn)定性，如圖2所示，模型中監(jiān)測點(diǎn)位移和應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如表2、表3所示。

相對于無斷層的情況下，隨著斷層傾角的增加，巷道頂板沉降逐漸變大，兩幫圍巖也有明顯的收斂。傾角增大過程中，各監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力值也隨之加大。傾角90°時(shí)巷道的各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移值激增，此時(shí)巷道直穿斷層，頂板嚴(yán)重破壞，說明斷層破碎狀況及力學(xué)性質(zhì)對巷道圍巖的穩(wěn)定性具有控制作用。實(shí)際掘進(jìn)施工過程中，尤其是巷道直穿或者斜穿斷層時(shí)，必須對圍巖和頂板進(jìn)行安全監(jiān)測，必要時(shí)采取合理的支護(hù)加固措施，確保施工作業(yè)安全。

圖2 模擬方案1Fig.2 Simulation model

表2 不同傾角工況監(jiān)測點(diǎn)位移變化Table 2 Displacement of key points in different case of dip angle mm

表3 不同傾角工況監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力變化Table 3 Stress of key points in different dip angle MPa

3 斷層厚度對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

厚度是斷層的主要特征之一，在不同的地質(zhì)條件下斷層的厚度有所不同，而斷層厚度對巷道掘進(jìn)過程中的圍巖穩(wěn)定性有重大影響[10]。通過模擬傾角0°，距巷道頂板10 m，厚度分別為10、15、20 m的斷層下方巷道的掘進(jìn)過程，研究斷層厚度對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，如圖3所示，監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果如表4、表5所示。

隨斷層厚度的增加，監(jiān)測點(diǎn)的位移增加并且增長速率加快。由于斷層具有高壓縮性，厚度增加后，巷道開挖引起斷層附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致壓縮變形急劇加大，因此巷道頂部沉降和巷道底部鼓起變形均增大；斷層附近應(yīng)力集中導(dǎo)致兩側(cè)圍巖體受壓，在水平方向上向巷道臨空面的變形增加，巷道斷面收斂變形嚴(yán)重。模擬結(jié)果說明，隨著厚度的增加，斷層對巷道穩(wěn)定性的影響在增大。在實(shí)際工程中，當(dāng)遇到厚度較大的斷層時(shí)，需要重點(diǎn)注意巷道頂板穩(wěn)定性控制[11-12]。

圖3 模擬方案2Fig.3 Simulation model 2

表4 不同厚度工況監(jiān)測點(diǎn)位移變化Table 4 Displacement of key points in different thickness mm

表5 不同厚度工況監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力變化Table 5 Stress of key points in different thickness MPa

4 斷層與頂板距離對圍巖穩(wěn)定性的影響

巷道掘進(jìn)遇斷層，應(yīng)當(dāng)避開斷層影響區(qū)域，若設(shè)計(jì)和施工條件不允許，則有必要研究上覆斷層與巷道頂板不同距離時(shí)，其對巷道穩(wěn)定性的影響。以傾角0°，厚度15 m斷層為研究對象，模擬斷層距離巷道頂板分別為5、10、15 m 這3種工況下巷道掘進(jìn)圍巖變形和應(yīng)力的影響區(qū)域和范圍，模擬方案如圖4所示，監(jiān)測點(diǎn)位移和應(yīng)力見表6和表7。

圖4 模擬方案3Fig.4 Simulation model 3

表6 不同距離工況監(jiān)測點(diǎn)位移變化Table 6 Displacement of key points in different distance mm

表7 不同距離工況監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力變化Table 7 Stress of key points in different distance MPa

結(jié)合本工程實(shí)際，斷層距巷道的距離為5 m時(shí)，巷道監(jiān)測點(diǎn)位移和應(yīng)力值影響最大，隨著距離的增加，影響程度逐漸減弱。當(dāng)達(dá)到15 m時(shí)，斷層對巷道圍巖變形和穩(wěn)定性基本沒有影響。斷層與巷道距離的變化對巷道不同點(diǎn)的影響程度不同，其對巷道兩幫的水平位移影響較大，對巷道邊幫應(yīng)力的影響相對較弱，同時(shí)其對巷道頂?shù)装逯械拇怪蔽灰坪蛻?yīng)力值均產(chǎn)生明顯的影響。

5 結(jié) 論

(1)當(dāng)傾角小于90°時(shí)，隨著傾角的增大，巷道頂?shù)装逦灰屏?、邊幫收斂量也隨之增大；巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷膽?yīng)力值也會(huì)隨著傾角的增大而增加，其中巷道頂板應(yīng)力變化最為明顯。當(dāng)傾角為90°時(shí)巷道發(fā)生破壞，此時(shí)掘進(jìn)過程為巷道穿斷層施工，必須進(jìn)行安全監(jiān)測并采取合理的支護(hù)加固措施，確保施工安全和巷道的穩(wěn)定性。

(2)本工程條件下，斷層在巷道頂板5 m范圍內(nèi)時(shí)，圍巖穩(wěn)定性極為不好，必須進(jìn)行支護(hù)加固。5～10 m范圍內(nèi)時(shí)，有效控制頂板沉降即可，超出15 m時(shí)，斷層對巷道掘進(jìn)不產(chǎn)生影響。同時(shí)，斷層厚度越大，其對巷道圍巖的穩(wěn)定性越不利，因此在開拓設(shè)計(jì)過程中需重點(diǎn)考慮斷層賦存狀態(tài)對巷道布置的影響。

[1] 宋衛(wèi)東，趙增山,王 浩.斷層破碎帶與采準(zhǔn)巷道圍巖作用機(jī)理模擬研究[J].金屬礦山,2004(2):11-13.

Song Weidong,Zhao Zengshan,Wang Hao.Simulation study on interaction mechanism between fault fracture zone and rock surrounding straight work[J].Metal Mine,2004(2):11-13.

[2] 盧邦穩(wěn),劉長武,謝 輝,等.不等長工作面覆巖活動(dòng)及回采巷道采動(dòng)影響變形規(guī)律[J].金屬礦山,2016(1):34-38.

Lu Bangwen,Liu Changwu,Xie Hui,et al.Law of overburden strata movement and mining roadway deformation under mining influence in the unequal length of working face[J].Metal Mine,2016(1):34-38.

[3] 于 泳.過大型斷層巷道設(shè)計(jì)方案優(yōu)化與工程實(shí)踐[J].煤炭工程,2015,47(8):44-46.

Yu Yong.Design and engineering practice on method of roadway crossing the faults[J].Coal Engineering,2015,47(8):44-46.

[4] 王文杰.高應(yīng)力區(qū)巷道卸壓支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用[J].金屬礦山,2010(3):23-25.

Wang Wenjie.Depressurized support method and application in the development working of high stress area[J].Metal Mine,2010(3):23-25.

[5] 徐前衛(wèi),程盼盼,朱合華,等.跨斷層隧道圍巖漸進(jìn)性破壞模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,35(3):433-445.

Xu Qianwei,Cheng Panpan Zhu Hehua et al.Experimental study and numerical simulation on progressive failure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(3):433-445.

[6] 姜耀東,王 濤,趙毅鑫,等.采動(dòng)影響下斷層活化規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(1):1-5.

Jiang Yaodong,Wang Tao,Zhao Yixin,et al.Numerical simulation of fault activation pattern induced by coal extraction[J].Journal of China University of Mining & Technology,2013，42(1):1-5.

[7] 勾攀峰,胡有光.斷層附近回采巷道頂板巖層運(yùn)動(dòng)特征研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006,23(3):285-288.

Gou Panfeng,Hu Youguang.Effect of faults on movement of roof rock strata in gateway[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2006,23(3):285-288.

[8] 魏久傳,高 敏,張 禮.斷層傾角對工作面超前支承壓力影響的數(shù)值模擬研究[J].煤炭技術(shù),2014(6):135-137.

Wei Jiuchuan,Gao Min,Zhang Li.Influence of fault dip angle of coal face abutment pressure numerical simulation research[J].Coal Technology,2014(6):135-137.

[9] 李守國,呂進(jìn)國,姜耀東,等.逆斷層不同傾角對采場沖擊地壓的誘導(dǎo)分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2014,31(6):369-375.

Li Shouguo,lu Jinguo,Jiang Yaodong,et al.Coal bump inducing rule by dip angles of thrust fault[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2014，31(6):869-875.

[10] 閆 帥,柏建彪,張自政,等.含水層上巷道過斷層圍巖破壞機(jī)制及控制[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2016,33(6):979-984.

Yan Shuai,Bai Jianbiao,Zhang Zizheng，et al.Failure mechanism and ground control of a main entry above aquifers crossing fault zone[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33(6):979-984.

[11] 戎建偉.大巷過斷層帶加固圍巖與增強(qiáng)支護(hù)研究[J].煤炭工程,2013(9):38-40．

Rong Jianwei.Support and reinforcement research on roadway crossing faults[J].Coal Engineering,2013(9):38-40．

[12] 萬 飛,譚忠盛,馬 棟.關(guān)角隧道 F2-1 斷層破碎帶支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(3):531-538.

Wan Fei,Tan Zhongsheng,Ma Dong.Optimizing design of support structure for Guanjiao Tunnel in fault-rupture zone F2-1[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(3):531-538.