賈世釗，權(quán)文斌

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西 延安 727307)

0 引言

斷層是礦井生產(chǎn)過程中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，斷層的產(chǎn)生對(duì)礦井各個(gè)方面影響很大，比如巷道掘進(jìn)、工作面回采，甚至井田的劃分[1-3]。斷層中存在著破碎帶，其組成成分由松散破碎巖石、泥巖等充填物組成，在物理力學(xué)特性上，該破碎帶與其兩側(cè)巖體具有顯著差異[4-7]，這也導(dǎo)致斷層附近煤巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)異于常規(guī)地應(yīng)力場(chǎng)，易產(chǎn)生局部附加應(yīng)力。因此，當(dāng)巷道掘進(jìn)在斷層附近時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力演化與巷道圍巖變形破壞規(guī)律也會(huì)發(fā)生顯著改變，這會(huì)引起一些問題比如巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)失效、巷道失穩(wěn)等。通過對(duì)圍繞斷層影響下巷道圍巖變形與破壞問題，從斷層的定性調(diào)查、預(yù)報(bào)以及斷層附近破碎圍巖穩(wěn)定性分析等進(jìn)行了大量研究，得出了很多有價(jià)值的結(jié)論，為能更好地研究斷層附近巷道支護(hù)打下了基礎(chǔ)[8-10]。但關(guān)于斷層附近半煤巖巷道圍巖控制技術(shù)還需要做大量的研究，為此，以黃陵一號(hào)煤礦斷層附近1007進(jìn)風(fēng)順槽非對(duì)稱變形特征為研究對(duì)象，分析斷層附近巷道應(yīng)力及變形特征，以期針對(duì)性地提出該類巷道的支護(hù)方案，從而有效解決現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)技術(shù)難題，并為類似條件的巷道支護(hù)提供借鑒。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件

陜西黃陵一號(hào)煤礦位于陜西省黃陵縣境內(nèi)，地面標(biāo)高+1 020～+1 296 m，地表出露地層以第4季(Q4)黃土層及松散體沉積物為主。該礦井主采2號(hào)煤，埋深316 m，平均厚度2.1 m，傾角1°～5°，屬于近水平煤層。1007進(jìn)風(fēng)順槽位于十盤區(qū)中部，沿2號(hào)煤層底板掘進(jìn)，屬于半煤巖巷道，掘進(jìn)長度2 811 m，掘進(jìn)寬度4.8 m，掘進(jìn)高度2.8 m。通過三維地震勘探表明，距離巷道50 m存在一條與其近似于平行的斷層，該斷層為正斷層，走向EW—NE—EW，傾向N，傾角70°～80°，落差3～10 m，區(qū)內(nèi)的延展長度約5 212 m。巷道布置平面圖如圖1所示，巷道地質(zhì)柱狀圖見表1。

圖1 1007進(jìn)風(fēng)順槽采掘工程平面

1.2 巷道圍巖變形特征

巷道掘進(jìn)期間以及后期圍巖表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱變形特征。巷道圍巖穩(wěn)定性較差，尤其是靠近斷層側(cè)上幫角較破碎，頂板出現(xiàn)不均勻沉降，斷層側(cè)下沉600～700 mm左右，明顯大于實(shí)體煤側(cè)上幫角；兩幫局部區(qū)域出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，兩幫移近量200～350 mm，斷層側(cè)幫部變形大于實(shí)體煤側(cè)；底板相對(duì)穩(wěn)定，變形量較小。巷道變形素描如圖2所示。

圖2 巷道變形素描

2 圍巖變形破壞分析

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和數(shù)值模擬軟件的日漸臻熟，數(shù)值模擬分析方法已成為解決采礦工程問題的主要研究手段之一，其中FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件適用于分析特殊地質(zhì)環(huán)境下工程煤巖體應(yīng)力及變形特征。

2.1 計(jì)算模型

依據(jù)1007回采巷道地質(zhì)條件，建立如圖3所示的數(shù)值模擬計(jì)算模型。模型大小為100 m×30 m×80 m，共生成66 443個(gè)節(jié)點(diǎn)，97 213個(gè)單元。模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底面限制垂直位移，上表面為應(yīng)力邊界，施加荷載6.65 MPa模擬上覆巖體自重，材料符合摩爾庫倫模型，模型中各巖層力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

巷道應(yīng)力場(chǎng)分析：應(yīng)力集中是巷道發(fā)生變形的力源，巷道圍巖塑性區(qū)分布特征和位移特征變化的本質(zhì)都是該區(qū)域應(yīng)力集中。圖4為巷道開挖后圍巖應(yīng)力分布情況。由于受到F5斷層影響，斷層側(cè)巷道上幫角及兩幫附近形成應(yīng)力集中區(qū)，采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)應(yīng)力峰值達(dá)到20 MPa，為原巖應(yīng)力的2倍以上；采動(dòng)巷道受集中應(yīng)力影響，斷層側(cè)巷道上幫角出現(xiàn)大變形，擠壓應(yīng)力全部作用到該支護(hù)結(jié)構(gòu)上，易造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的偏載現(xiàn)象，進(jìn)而引起巷道圍巖局部破壞和失穩(wěn)。

圖4 巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)云圖

巷道位移及塑性區(qū)分布特征：巷道開挖后，受集中應(yīng)力影響，斷層側(cè)上肩角首先發(fā)生拉剪混合破壞，導(dǎo)致該部位圍巖向巷道臨空方向出現(xiàn)撓曲變形，且斷層滑移面的側(cè)向約束較低，致使斷層附近剪切破壞程度加劇(圖5)，斷層側(cè)肩角處巖體承載能力以及穩(wěn)定性大幅降低，塑性區(qū)破壞向斷層幫部及肩角部位急劇擴(kuò)展，斷層側(cè)破壞深度遠(yuǎn)大于實(shí)體煤側(cè)，破壞區(qū)呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱特性；巷道極易出現(xiàn)由斷層側(cè)肩角關(guān)鍵部位的失穩(wěn)，逐步發(fā)展為巷道的整體失穩(wěn)。與此同時(shí)，直接頂巖層中含有大量的泥質(zhì)成分，高應(yīng)力場(chǎng)作用下，內(nèi)部裂隙擴(kuò)展匯集，引起破碎巖體沿破裂面張開、轉(zhuǎn)動(dòng)、滑移等從而形成非連續(xù)的碎脹大變形，進(jìn)而加劇巷道破壞與失穩(wěn)。

圖5 巷道圍巖位移及塑性區(qū)分布特征

3 巷道支護(hù)方案及效果分析

針對(duì)1007進(jìn)風(fēng)順槽圍巖變形特征，基于數(shù)值模擬巷道圍巖應(yīng)力與變形分析，在地質(zhì)力學(xué)評(píng)估基礎(chǔ)上，采用工程類比及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，綜合確定采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

頂錨桿采用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套使用200 mm×200 mm×12 mm鋼托板，頂錨桿間距800 mm，排距800 mm和1 200 mm交替支護(hù)，“六-六”矩形布置。幫錨桿間排距1 050 mm×1 000 mm，“三-三”矩形布置，副幫采用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套鋼托板尺寸為200 mm×200 mm×12 mm。主幫側(cè)采用φ20 mm×2 500 mm玻璃鋼錨桿，除使用配套托盤外每根錨桿另增加規(guī)格為350 mm×200 mm×50 mm木托板一塊，每根錨桿消耗3節(jié)MSK2335型樹脂；錨索梁采用T140型鋼帶加工，梁長4 400 mm，一梁四索，排距2 000 mm。錨索采用φ17.8mm×8 300 mm鋼絞線，錨深8 000 mm，每根錨索消耗3節(jié)MSK2370型樹脂。頂、幫網(wǎng)均采用塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔55 mm×50 mm；頂錨網(wǎng)支護(hù)距工作面正頭不大于800 mm，幫錨網(wǎng)支護(hù)距工作面正頭不大于1 000 mm，錨索支護(hù)距臨時(shí)支護(hù)尾部不大于15 m。巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)圖

3.2 應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)采用十字交叉法對(duì)巷道的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。巷道頂?shù)装逡平繛?45 mm左右，斷層側(cè)煤幫變形量為200 mm左右，實(shí)體側(cè)煤幫變形量為155 mm左右。雖然斷層側(cè)巷道幫部和頂板位移量仍大于實(shí)體煤幫位移，但整體變形值都在可控范圍內(nèi)，且巷道掘出后25～30 d圍巖變形趨于穩(wěn)定，因此該支護(hù)方案有效控制了巷道的非對(duì)稱變形，大幅度提升了巷道的穩(wěn)定性。

圖7 巷道圍巖變形曲線

4 結(jié)論

(1)針對(duì)黃陵一礦半煤巖回采巷道，分析了斷層附近半煤巖回采巷道圍巖變形破壞特征，指出斷層附近的非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)、關(guān)鍵部位的剪切滑移破壞以及煤巖體碎脹變形是造成該類巷道非對(duì)稱變形和支護(hù)失效的主要原因。

(2)基于斷層附近半煤巖巷道數(shù)值模擬分析，根據(jù)地質(zhì)條件、工程類比法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等方法，綜合確定采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，巷道兩幫收斂量最大值為355 mm，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?45 mm，監(jiān)測(cè)后期變形趨于穩(wěn)定，巷道變形量與非對(duì)稱變形得到有效控制，圍巖穩(wěn)定性大幅提高。