任建東,李曉白,王文
(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046000)
隨著地下深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采、地鐵建設(shè)和城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用,交叉巷道工程項(xiàng)目在礦山、交通和城市地下空間等領(lǐng)域日益增多,交叉段巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理和控制技術(shù)也逐漸引起人們的重視。交叉段巷道與普通巷道相比,具有巷道頂板懸露面積大,且處于三角應(yīng)力集中區(qū)域,圍巖變形破碎、失穩(wěn)加劇,支護(hù)體系強(qiáng)度和圍巖強(qiáng)度降低等特點(diǎn)。交叉段巷道施工工序復(fù)雜,多次開(kāi)挖,導(dǎo)致巷道圍巖受重復(fù)開(kāi)挖影響更易破碎變形,使交叉段巷道附近圍巖變形控制成為工程技術(shù)人員面臨的難題。曹日紅等[1]通過(guò)建立不同交叉角度數(shù)值模型,引入壓剪和拉伸破壞單元安全計(jì)算方法,分析巷道圍巖變形規(guī)律,認(rèn)為拐角巖柱安全度由外而內(nèi)呈梯度變化,交叉角度過(guò)小不利于巷道穩(wěn)定;燕曉東等[2]結(jié)合馬家?guī)r煤礦1號(hào)交叉巷道工程,模擬擾動(dòng)影響下交叉段巷道圍巖變形和破壞特征,對(duì)不同影響因素下交叉段巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究,提出交叉段巷道圍巖變形控制技術(shù);張偉等[3]以陽(yáng)煤五礦交叉段巷道為工程背景,利用ANSYS分析不同交叉角度巷道頂?shù)装鍛?yīng)力分布情況,研究認(rèn)為,交叉點(diǎn)處銳角三角區(qū)域內(nèi)圍巖角度和鈍角三角區(qū)域內(nèi)圍巖角度的比值是判定交叉段巷道圍巖穩(wěn)定性的重要因素;郭志飚等[4]以興安礦交叉段巷道為背景,研究認(rèn)為,高地應(yīng)力、多巷道開(kāi)挖互相擾動(dòng)是巷道變形破壞的主要原因,提出錨網(wǎng)索+立體桁架耦合支護(hù)作為交叉段巷道圍巖變形控制技術(shù);劉京強(qiáng)等[5]以運(yùn)輸石門(mén)與調(diào)車(chē)巷道三岔口交叉段為背景,研究認(rèn)為,三岔口交叉處銳角三角區(qū)域內(nèi)圍巖面積與鈍角三角區(qū)域內(nèi)圍巖面積的比值是判定三岔口交叉處圍巖頂板下沉量、底板底鼓量、應(yīng)力集中程度、卸壓區(qū)厚度的重要指標(biāo)。
綜合以上研究發(fā)現(xiàn),目前研究主要集中在交叉段巷道圍巖應(yīng)力變形特征及主要影響因素方面,巷道交叉角度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響并未進(jìn)行深入研究[6-8]。鑒于此,本文以某煤礦221上工作面運(yùn)輸巷和聯(lián)絡(luò)巷交叉段為研究背景,運(yùn)用FLAC3D模擬相同地質(zhì)條件和不同交叉角度下巷道圍巖頂?shù)装宓淖冃纹茐奶卣?、塑性區(qū)演化規(guī)律,探討水平交叉巷道間夾角的合理取值,以期為水平交叉巷道設(shè)計(jì)、圍巖支護(hù)優(yōu)化提供參考。
某煤礦221上綜放工作面平均埋深近680 m,位于2-2上煤層中221上04膠帶運(yùn)輸巷和221上08輔助運(yùn)輸巷之間的221上08聯(lián)絡(luò)巷,是采區(qū)通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)闹饕锏溃敯逑蛏弦来螢樯百|(zhì)泥巖、中粒砂巖、粉砂巖,底板向下依次為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖。巷道煤巖柱狀圖如圖1所示。
圖1 巷道煤巖柱狀圖
221上08聯(lián)絡(luò)巷斷面形狀為矩形,寬5.2 m×高4.9 m,支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù);221上04膠帶運(yùn)輸巷和221上08輔助運(yùn)輸巷斷面也為矩形,寬5.2 m×高4.9 m,支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。221上08聯(lián)絡(luò)巷和221上04膠帶運(yùn)輸巷間平面夾角為39°(圖2),其中交叉段巷道受工程擾動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造以及應(yīng)力集中等影響,出現(xiàn)圍巖碎脹突出、頂板下沉、底板凸起、兩幫收斂等支護(hù)難題,嚴(yán)重影響礦井的運(yùn)輸和生產(chǎn)。因此,通過(guò)FLAC3D模擬該煤礦巷道相同地質(zhì)條件、不同交叉角度下圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)育,探討水平交叉巷道間夾角合理取值,以確保交叉段巷道圍巖的安全穩(wěn)定。
圖2 水平交叉巷道平、剖面圖
以某煤礦221上綜放工作面運(yùn)輸巷和聯(lián)絡(luò)巷為原型,建立數(shù)值模型,模型大小為長(zhǎng)100.0 m×寬85.0 m×高33.1 m,在模型中部建有矩形交叉巷道。以工作面221上04膠帶運(yùn)輸巷為原型,建立模型中的直巷道,巷道斷面大小為寬5.2 m×高4.9 m,長(zhǎng)100 m;以工作面221上08聯(lián)絡(luò)巷為原型,建立模型中的斜巷道,長(zhǎng)48 m。
考慮到數(shù)值模擬研究?jī)?nèi)容,斜巷道以直巷道中心點(diǎn)為原點(diǎn),沿逆時(shí)針依次旋轉(zhuǎn)10°,20°,30°,40°,50°,60°,70°,80°,90°,分別建立9個(gè)數(shù)值模型,以達(dá)到斜巷道和直巷道呈不同交叉角度的目的。以聯(lián)絡(luò)巷和運(yùn)輸巷水平夾角40°為例,建立的數(shù)值模型包含301 256個(gè)節(jié)點(diǎn)和308 912個(gè)實(shí)體單元,實(shí)體單元主要以六面體為主,存在少量的四面體,具體數(shù)值模型和交叉巷道示意圖見(jiàn)圖3。
圖3 數(shù)值模型和交叉巷道示意圖
交叉巷道埋深為680 m,因此,在模型頂部施加80 MPa壓力以模擬垂直應(yīng)力;模型邊界條件設(shè)置為側(cè)面水平位移約束和底面垂直位移約束;不考慮巖層中斷層、褶曲構(gòu)造應(yīng)力作用以及重復(fù)開(kāi)挖擾動(dòng)等影響,開(kāi)挖前模型處于原巖應(yīng)力狀態(tài);計(jì)算收斂準(zhǔn)則滿足不平衡力比率達(dá)到1×10-5的求解要求[9-10],煤巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,具體巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 巖層力學(xué)參數(shù)
對(duì)不同交叉角度下的巷道進(jìn)行開(kāi)挖模擬,得到10°,20°,30°,40°,50°,60°,70°,80°,90°的巷道頂?shù)装逦灰谱兓茍D,使用Tecplot后期處理軟件,分別做交叉段巷道頂?shù)装宓奈灰魄衅瑢?duì)巷道圍巖的變形量進(jìn)行對(duì)比,具體如圖4~5所示。
圖4 不同交叉角度下巷道頂板垂直方向位移云圖(單位:m)
由圖4中巷道頂板的位移變化(下沉量)和下沉范圍可知,頂板的下沉量隨著巷道交叉角度的增大大致呈逐漸減小的趨勢(shì),其中交叉角在10°~40°時(shí),頂板下沉量較大,20°時(shí)頂板下沉范圍顯著;在>40°~80°時(shí),頂板下沉量和下沉范圍逐漸減小,80°時(shí)下沉量達(dá)到最小值,在>80°~90°時(shí),巷道頂板的下沉量和下沉范圍并未發(fā)生顯著變化。
分析巷道頂板的位移演化特征可知,巷道間交叉角度較小時(shí),頂板懸露面積較大,交叉段巷道間煤柱成為應(yīng)力集中區(qū),將圍巖的壓力區(qū)與塑性區(qū)向上部轉(zhuǎn)移,加劇了頂板的變形破碎,造成交叉段巷道間煤柱難以對(duì)頂板進(jìn)行有效支撐,進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生較高、較大范圍的變形破碎區(qū)。隨著交叉角度增大,巷道間煤柱不斷加厚,承載能力逐漸增強(qiáng),頂板的完整性和穩(wěn)定性得到一定的保護(hù)[11-12],從而降低了交叉段巷道頂板的下沉量和變形破碎區(qū)。
通過(guò)在直巷道底板中線位置作豎向位移切片,得到巷道底板垂直方向位移云圖(圖5)。底板底鼓量隨著巷道間交叉角度增大大致呈逐漸減小的趨勢(shì),當(dāng)交叉角度在10°~30°時(shí),交叉段巷道底板破壞范圍和程度隨著角度增大而明顯減小,其中10°時(shí)底板變形破壞范圍和程度表現(xiàn)較為顯著;在40°~80°時(shí),底板破壞范圍和程度隨著角度增大而減小,其中80°時(shí)底板破壞范圍和程度較小,在>80°~90°時(shí),底板破壞范圍和程度未發(fā)生顯著變化。
圖5 不同交叉角度下巷道底板垂直方向位移云圖(單位:m)
由對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),無(wú)論巷道間交叉角度大小如何,巷道最大變形破壞區(qū)域都位于兩條巷道交叉點(diǎn)處,且變形值均遠(yuǎn)大于巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量的允許值[13-14],其中巷道間夾角越小時(shí),應(yīng)力重新分布過(guò)程中越易在底板和煤柱內(nèi)形成應(yīng)力集中區(qū),加劇交叉段巷道圍巖的破碎程度和支護(hù)難度,影響采掘作業(yè)的正常進(jìn)行。因此,為維護(hù)交叉段巷道圍巖安全穩(wěn)定,要加強(qiáng)對(duì)巷道交叉點(diǎn)處、附近區(qū)域頂?shù)装搴蛢蓭偷闹ёo(hù),特別是巷道間交叉角度較小時(shí),需要加大支護(hù)力度和強(qiáng)度。
塑性區(qū)大小是判定巷道圍巖安全穩(wěn)定的重要影響因素,為了分析交叉段巷道塑性區(qū)分布演化特征,通過(guò)編寫(xiě)FLSH程序,提取巷道圍巖的塑性區(qū)體積以及各種破壞類型,對(duì)其進(jìn)行圖形繪制和演化規(guī)律分析,具體如圖6~7所示。
圖6 不同交叉角度下巷道塑性區(qū)云圖和塑性區(qū)體積變化曲線
由圖6(a)可知,巷道交叉處頂部塑性區(qū)范圍隨著交叉角增大而減小,并在交叉角度40°時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。之后,隨著交叉角繼續(xù)增大,巷道頂部塑性區(qū)基本不再發(fā)生顯著變化,說(shuō)明巷道間夾角較小時(shí),由于支承的煤柱受力面積小,弱化了水平應(yīng)力對(duì)煤柱的剪切作用,主要承受以垂直應(yīng)力為主的壓應(yīng)力[15-16],加劇了頂板的破碎變形,導(dǎo)致巷道交叉處在豎直方向形成大面積下沉區(qū)。
由圖6(b)可知,巷道間交叉角在10°~20°時(shí),巷道圍巖塑性區(qū)體積隨著交叉角增大而增大;在>20°~70°時(shí),巷道塑性區(qū)體積隨著交叉角增大無(wú)顯著變化;在>70°~80°時(shí),巷道塑性區(qū)體積隨著交叉角增大而逐漸減?。辉?80°~90°時(shí),巷道塑性區(qū)體積隨著交叉角增大而增大,并在90°時(shí)達(dá)到最大值。通過(guò)分析圖6中塑性區(qū)體積變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),巷道間交叉角在10°~80°時(shí),兩條巷道產(chǎn)生的塑性區(qū)體積大致相等,且體積相差不超過(guò)1%。
由圖7可知,巷道圍巖塑性區(qū)中已發(fā)生剪切破壞的體積隨著巷道間交叉角增加而增大,并在90°時(shí)達(dá)到最大值;隨著交叉角增大,正發(fā)生剪切破壞的體積在10°~30°時(shí)逐漸擴(kuò)大,在>30°~60°時(shí)無(wú)顯著變化,在>60°~80°時(shí)逐漸減小,在>80°~90°時(shí)逐漸增大;隨著巷道間交叉角增大,已發(fā)生拉伸破壞的體積未發(fā)生顯著變化;正發(fā)生拉伸破壞的體積由于比例很小,并未在柱狀圖中顯示。由圖6(b)塑性區(qū)體積變化曲線可知,已發(fā)生剪切破壞的體積在巷道間交叉角70°~90°時(shí)隨著交叉角增加而增大,正發(fā)生剪切破壞的體積隨交叉角增大先減小后增大,由此可以推斷,巷道圍巖塑性區(qū)體積在夾角70°~90°時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)主要受正發(fā)生剪切破壞的影響,使80°時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)體積明顯變小。
圖7 不同交叉角度下巷道塑性區(qū)破壞類型及比例分布
為了分析各種破壞類型所占塑性區(qū)體積比例,將巷道間交叉角在10°~90°時(shí),同一破壞類型塑性區(qū)體積進(jìn)行平均,得到破壞類型占比餅狀圖,如圖7所示,其中已發(fā)生剪切破壞、正發(fā)生剪切破壞、已發(fā)生拉伸破壞、正發(fā)生拉伸破壞的體積分別占塑性區(qū)總體積的72.60%,20.70%,6.65%,0.05%;剪切破壞體積占塑性區(qū)總體積的93.30%,表明交叉段巷道圍巖發(fā)生破壞的類型主要為剪切破壞。
巷道間交叉角的變化引起圍巖的弱面結(jié)構(gòu)和巖性改變,對(duì)交叉段巷道圍巖的穩(wěn)定性有著較大影響。隨著巷道間交叉角減小,巷道交叉處頂板的懸露面積會(huì)逐漸增大,在巷道圍巖應(yīng)力重新分布過(guò)程中,圍巖上方的巖層受拱形力效應(yīng)而處于水平擠壓狀態(tài),導(dǎo)致過(guò)多懸露的頂?shù)装逡驊铱栈蛑尾蛔愣幱诶瓚?yīng)力狀態(tài),而在拉應(yīng)力作用下的圍巖斷層、裂隙帶空間會(huì)被逐漸擴(kuò)大,當(dāng)作用力超過(guò)圍巖自身強(qiáng)度極限后,巷道圍巖頂?shù)装灞銜?huì)產(chǎn)生垮落、張裂、凸起等變形破壞,從而導(dǎo)致圍巖頂?shù)装瀹a(chǎn)生變形,據(jù)此可以認(rèn)為,隨著交叉巷道頂?shù)装鍛衣睹娣e擴(kuò)大,對(duì)應(yīng)頂?shù)装宓淖冃瘟恳矔?huì)增加。
由交叉段巷道頂?shù)装宓奈灰蒲莼?guī)律可知,隨著巷道間交叉角減小,頂?shù)装宓淖冃瘟恐饾u增大。由上述分析可知,交叉段巷道頂?shù)装遄冃瘟侩S著圍巖懸露面積增大而增大,巷道間交叉角變化對(duì)巷道圍巖地質(zhì)環(huán)境的改變有著較大影響,實(shí)際上交叉段巷道圍巖頂?shù)装鍘r層受到構(gòu)造應(yīng)力、巖層非均質(zhì)性、天然斷裂構(gòu)造以及損傷結(jié)構(gòu)面等作用,產(chǎn)生的破壞變形規(guī)律遠(yuǎn)比上述分析復(fù)雜得多。
在某煤礦掘進(jìn)221上綜放工作面膠帶運(yùn)輸巷和聯(lián)絡(luò)巷交叉段時(shí),選取圍巖條件較差、掘進(jìn)斷面面積大的交叉段巷道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)交叉段巷道圍巖支護(hù)方案,從巷道中心線交叉點(diǎn)開(kāi)始,每隔18~20 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,斷面編號(hào)依次為A1,A2,A3,并在交叉段巷道永久支護(hù)后,在監(jiān)測(cè)斷面處采用“十字布點(diǎn)法”布置表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)交叉段膠帶運(yùn)輸巷頂板下沉量進(jìn)行監(jiān)測(cè),巷道監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。
根據(jù)圖8中交叉段巷道斷面位移監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì),每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn):頂板A點(diǎn)、底板B點(diǎn)、煤柱幫C點(diǎn)和回采幫D點(diǎn);4個(gè)點(diǎn)位分別布置木樁,將帶有線繩的鋼釘釘在木樁中心以作為測(cè)點(diǎn),并保證頂?shù)装逯芯€與兩幫中線垂直;為防止底板測(cè)點(diǎn)被毀壞,將其布置在底板表面下方50 mm處;測(cè)點(diǎn)布設(shè)完成后做好標(biāo)記,施工中注意保護(hù),以確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。
圖8 巷道監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖
結(jié)合某煤礦221上綜放工作面交叉巷道施工進(jìn)度和監(jiān)測(cè)方案,隨著交叉段巷道掘進(jìn),于2018年7月20日在膠帶運(yùn)輸巷(直巷道)布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)站,每隔3~4 d對(duì)測(cè)站布點(diǎn)進(jìn)行頂板下沉量和底板底鼓量的觀測(cè)和記錄,7月20日至8月18日期間共監(jiān)測(cè)記錄7次數(shù)據(jù),隨后進(jìn)行整理和分析??紤]到膠帶運(yùn)輸巷與聯(lián)絡(luò)巷間夾角為39°,將模擬得到夾角40°時(shí)的交叉段巷道頂?shù)装逯芯€位移切片云圖、變形曲線與監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)膠帶運(yùn)輸巷頂?shù)装謇塾?jì)位移變化曲線進(jìn)行對(duì)比,得到頂?shù)装逦灰谱兓€與中線位移切片云圖,如圖9所示。
圖9 巷道頂?shù)装逦灰谱兓€與中線位移切片云圖
由圖9(a)可知,巷道向前推進(jìn)過(guò)程中,受交叉段圍巖支承壓力區(qū)和頂板卸壓區(qū)互相疊加作用,應(yīng)力疊加范圍逐漸擴(kuò)大,應(yīng)力集中程度不斷增高,與此同時(shí),交叉段巷道間的煤柱也隨之變厚,煤巖柱承載能力增強(qiáng),煤柱的應(yīng)力疊加范圍及集中程度逐漸削弱,致使巷道自交叉中心推進(jìn)過(guò)程中,頂板下沉量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),與模擬得到的頂板位移變化云圖特征一致;交叉段巷道底板變形規(guī)律與頂板一致,不再贅述。為更加準(zhǔn)確地反映交叉段巷道圍巖在垂直方向上的位移變化特征,在巷道間夾角40°的數(shù)值模型中,沿巷道頂?shù)装逯芯€作Z向位移切片云圖(圖9(b)),巷道實(shí)測(cè)變形規(guī)律與交叉段巷道圍巖頂?shù)装逦灰圃茍D、模擬曲線變化特征一致,較好地反映了交叉段巷道圍巖變形的時(shí)空演化特征。數(shù)值模擬試驗(yàn)中交叉段巷道圍巖表現(xiàn)出的位移變化特征與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的位移演化特征相一致的情況,表明數(shù)值模擬試驗(yàn)采用的地質(zhì)參數(shù)準(zhǔn)確、研究方法合理、試驗(yàn)結(jié)果可靠,可以真實(shí)反映交叉段巷道圍巖變形規(guī)律。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值分析結(jié)果,可確定數(shù)值模擬的合理性和可靠性,但要將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng),還需要根據(jù)工程實(shí)際作進(jìn)一步討論。
由數(shù)值分析可知,隨著巷道間交叉角增大,巷道頂板下沉量和底板底鼓量在10°~90°時(shí)大致呈逐漸減小趨勢(shì);在80°和90°時(shí),巷道頂板下沉量和底板底鼓量及變形范圍相對(duì)較?。唤徊娑蜗锏绹鷰r塑性區(qū)體積在交叉角10°和80°時(shí)較小,90°時(shí)最大。分析影響巷道支護(hù)效果的因素,可知圍巖的變形量、變形范圍以及塑性區(qū)體積越小,前期支護(hù)以及后期維護(hù)相對(duì)越容易[17-18],支護(hù)效果也越好。但巷道間交叉角越小,兩條平衡巷道間的聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)工程量越大,工程費(fèi)用也會(huì)隨之越高。因此,結(jié)合數(shù)值分析和工程實(shí)際,認(rèn)為在該煤礦地質(zhì)條件下水平交叉巷道間夾角為80°~90°時(shí),圍巖的變形量、塑性區(qū)體積以及實(shí)際工程量相對(duì)較小,是水平巷道間交叉角設(shè)計(jì)的合理選擇值。
(1)隨著交叉角增大,交叉段巷道頂板下沉量、下沉范圍和底板底鼓量在10°~80°時(shí)逐漸減小,在>80°~90°時(shí)逐漸增大,在80°時(shí)達(dá)到最小值;在交叉角10°~80°時(shí)兩條巷道布置設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生的塑性區(qū)體積大致相等,體積相差均不超過(guò)1%,在10°和80°時(shí)圍巖塑性區(qū)體積最小,90°時(shí)最大。
(2)巷道間交叉角為10°~90°時(shí)在交叉段巷道圍巖破壞類型中,已發(fā)生剪切破壞、正發(fā)生剪切破壞、已發(fā)生拉伸破壞、正發(fā)生拉伸破壞的體積分別占塑性區(qū)總體積的72.60%,20.70%,6.65%,0.05%,其中剪切破壞體積占到塑性區(qū)總體積的93.30%。
(3)結(jié)合數(shù)值分析和工程實(shí)際,認(rèn)為在該煤礦地質(zhì)條件下,交叉角80°~90°時(shí)的水平交叉巷道圍巖穩(wěn)定性較好,實(shí)際工程量相對(duì)較小,是巷道交叉角設(shè)計(jì)方案的合理選擇值。