姜 光,朱守頌,谷 滿,王松濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.中平能化集團(tuán)六礦,河南平頂山 467000)

深部礦井巷道圍巖分區(qū)破裂實測研究

姜 光1,朱守頌1,谷 滿2,王松濤2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.中平能化集團(tuán)六礦,河南平頂山 467000)

采用鉆孔電視監(jiān)測法對某礦 3213工作面運輸平巷進(jìn)行現(xiàn)場定點定面多次監(jiān)測,選取掘后 10d與掘后 50d觀測結(jié)果進(jìn)行對比分析,研究巷道圍巖隨時間影響在其內(nèi)部的變形趨勢,同時展開深部巷道圍巖階段性裂隙成型與圍巖應(yīng)力變化關(guān)系的分析研究,成果揭示了深部礦井開掘巷道圍巖內(nèi)在變形破壞機(jī)理,為此類巷道維護(hù)提供依據(jù)。

深部巷道;分區(qū)破裂;鉆孔探視

在礦井深部巖土工程中導(dǎo)致圍巖呈分區(qū)、分階段的形式破裂,其形成機(jī)制國內(nèi)外學(xué)者做過大量研究。1986年俄羅斯學(xué)者 E.I.Shemyakin等[1-2]率先提出“間隔性的環(huán)帶狀碎裂現(xiàn)象”,國內(nèi)專家學(xué)者稱之為“分層斷裂”、“分區(qū)破裂”或“區(qū)域性斷裂”、“間隔破裂”等;顧金才,顧雷雨等[3]認(rèn)為分層斷裂應(yīng)有較大的平行于深部開挖硐室軸線的水平地應(yīng)力,同時硐壁要有較大的平整面或較大的曲率半徑;賀永年,蔣斌松,韓立軍等[4]采用能量分析的方法對深部巷道圍巖間隔斷裂的形成機(jī)理進(jìn)行了研究,并從圍巖應(yīng)力與物理力學(xué)性質(zhì)方面闡述了間隔斷裂的成因;李術(shù)才,王漢鵬,錢七虎等[5]通過鉆孔電視研究淮南近千米深不同巷道后,給出了巷道分區(qū)破裂分布圖,并總結(jié)出破裂區(qū)半徑與巷道半徑 r的關(guān)系式為 (2)i-1r(i=1,2,3, 4);潘一山,李英杰,唐鑫等[6]在對金川與阜新五龍等礦區(qū)現(xiàn)場監(jiān)測基礎(chǔ)上,通過天然巖石的實驗室測驗、相似模擬等手段,對分區(qū)碎裂現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,結(jié)合理論推導(dǎo)重新界定了巷道圍巖分區(qū)碎裂發(fā)生的條件公式;錢七虎,李樹忱[7]討論了國內(nèi)外深部巖體分區(qū)破裂現(xiàn)象實驗和理論的研究進(jìn)展,歸納分區(qū)破裂產(chǎn)生條件、變化規(guī)律的同時指出了接下來研究的 5個方向,其中就有分區(qū)破裂現(xiàn)象下巷道圍巖的支護(hù)穩(wěn)定性研究。

分區(qū)破裂方向隨著研究的不斷深入,其形成機(jī)制與控制機(jī)理正逐步形成體系,但在深部礦井開挖巷道中對分區(qū)破裂發(fā)展發(fā)育的時間空間關(guān)系卻研究較少。本文以某礦 3213工作面運輸平巷現(xiàn)場監(jiān)測為基礎(chǔ),通過鉆孔探測與理論分析,解析出深部開挖巷道圍巖分區(qū)破裂的時間規(guī)律及其形成機(jī)理[8],為深部巖土工程的進(jìn)一步深入研究提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

某礦 3213工作面運輸平巷埋深 700m。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

1.2 巷道斷面及支護(hù)設(shè)計

3213工作面運輸平巷設(shè)計為矩形斷面,斷面尺寸為 5000mm×3000mm,采用錨桿 (索)網(wǎng)梁支護(hù),頂板錨桿規(guī)格為 <22mm×M24×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼,間排距 800mm×800mm;錨索鋼絞線規(guī)格為 <17.8mm×6.8m,鉆孔深度為6.5m,間排距為 2200mm×1600mm。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 監(jiān)測分析

2.1 監(jiān)測方法

采用 TYGD10型巖層鉆孔探測儀對巷道圍巖進(jìn)行裂隙發(fā)展發(fā)育情況監(jiān)測。該探測儀攝像頭分辨率高,監(jiān)測同時可在液晶屏實時顯示孔壁構(gòu)造并進(jìn)行錄像。監(jiān)測測站選取 3213工作面運輸平巷 J22點前 8.4m錨桿 (索)孔淋水較大處,該測站包括 2個測面,相距 3.2m。測面采用錨索機(jī)鉆孔,鉆孔分別位于頂板 (90°)和 2個肩角 (30°),孔徑33mm,深 7m。3213工作面巷道及監(jiān)測鉆孔平面布置見圖 1。測站的監(jiān)測時間分別為掘后 1d,5d, 10d,20d與 50d,每次監(jiān)測前先進(jìn)行刷孔;由于頂板砂巖水補給性較強(qiáng),前兩次觀測圖像失真,分別選取 2009年 12月 14日 (掘后 10d),距掘進(jìn)工作面約 180m與 2010年 1月 23日 (掘后 50d),距掘進(jìn)工作面約 750m為研究對象。對測站進(jìn)行監(jiān)測時由于鉆孔淋水,為監(jiān)測圍巖深部破壞情況,巖層鉆孔探測儀采用倒退式進(jìn)行監(jiān)測,即鉆孔探視儀攝像頭首先深入鉆孔底部,一邊拉出攝像頭一邊記錄圍巖破壞情況,直至鉆孔外部。監(jiān)測到孔內(nèi)圍巖裂隙、滲流時,記錄下破壞或滲流顯現(xiàn)的深度,發(fā)展發(fā)育程度,錄像時間等參數(shù),并與記錄的視頻文件相對應(yīng)。

2.2 監(jiān)測結(jié)果

鉆孔探視儀錄像并截取有代表性圖片見圖 2和圖3。

圖 1 3213工作面巷道及監(jiān)測鉆孔布置平面

圖 2 2009年 12月 14日探測孔圍巖間隔破壞情況

在對 3213工作面運輸平巷各個鉆孔探視后,綜合分析圍巖裂隙與破壞分布,如圖 2所示,截圖未反映區(qū)段圍巖完整程度較好。從圖 2(c)中可以看出內(nèi)部圍巖在 2.8～3.2m范圍內(nèi)存在裂隙,且開合度較大,下部淋水較嚴(yán)重;4.2～4.5m縱向裂隙發(fā)育較為完全,從圖 2(b)中可以看出此段裂隙水逐漸缺失,但破壞范圍較高;6.4～6.8m范圍內(nèi)圍巖破壞較為嚴(yán)重,但其破壞高度卻相對減小;2.0m以下因淋水較大,難以觀測,留待后續(xù)監(jiān)測后進(jìn)行定量研究圍巖塑性區(qū)破壞特征。

圖 3為 2010年 1月 23日在該區(qū)段進(jìn)行的二次觀測,圖像顯示圍巖裂隙分布狀態(tài)與掘后 10d基本相符,由于時間關(guān)系,裂隙水在 2.8m以下呈線狀,并逐漸減小;圍巖破裂區(qū)裂隙開合度變化不大,破壞程度與裂隙數(shù)量增加并不明顯。由此可知,掘后圍巖破壞發(fā)育在 10d內(nèi)基本飽和。

2.3 結(jié)果分析

圖 3 2010年 1月 23日探測孔圍巖間隔破壞情況

二次觀測結(jié)果對比顯示,圍巖分區(qū)破裂區(qū)已生裂隙開合度變化不大,表明隨巷道掘進(jìn),裂隙在一定時間內(nèi)發(fā)育飽和。頂板砂巖水滲流隨時間趨于減弱。由經(jīng)驗可知,在 0.4～0.8m范圍內(nèi)為巷道塑性圈,由圖 2、圖 3可以看出,2.8～3.2m范圍內(nèi)為巖層交界面,裂隙發(fā)育,為主要的砂巖水導(dǎo)通裂隙。以上部位橫向裂隙較為發(fā)育。結(jié)合觀測與分析結(jié)果得出巷道監(jiān)測斷面圍巖分區(qū)破裂分布如圖 4。

圖4 監(jiān)測斷面圍巖分區(qū)破裂分布

從圖 4中可以看出,深部巷道圍巖變形態(tài)勢與埋深較淺的巷道不同,巷壁淺部圍巖應(yīng)力卸載后緊跟其內(nèi)部形成彈性變形區(qū),在此區(qū)域內(nèi)受塑性變形區(qū)圍巖徑向支承力而保持完整,應(yīng)力集中強(qiáng)度卻由于巷壁圍巖應(yīng)力的卸載而趨于升高,當(dāng)達(dá)到圍巖破斷極限值或遇弱面時將再次產(chǎn)生塑性變形,形成圍巖破裂 -完整 -破裂的交替分布趨勢。圍巖徑向深度達(dá)到一定程度后,應(yīng)力聚集隨變形的增加逐漸降低,直至降到圍巖破斷強(qiáng)度以下,因此,礦井深部巷道圍巖分區(qū)破裂化現(xiàn)象呈周期漸弱趨勢發(fā)展。

3 結(jié)論

基于特定開采技術(shù)條件下巷道圍巖的分區(qū)破裂現(xiàn)象,結(jié)合鉆孔探視的方法監(jiān)測巷道圍巖內(nèi)部破裂情況,研究了分區(qū)破裂產(chǎn)生的條件及其變化規(guī)律。得出以下主要結(jié)論:

(1)掘后 10d內(nèi)分區(qū)破裂裂隙基本發(fā)育飽和,其后隨時間的推移裂隙開合度與數(shù)量變化不大。頂板砂巖水隨時間推移呈漸弱趨勢。

(2)分區(qū)破裂現(xiàn)象的產(chǎn)生條件較為復(fù)雜,與巷道埋深、圍巖弱面、巖層變化、圍巖內(nèi)摩擦角等都有關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)場實測圍巖分區(qū)破裂區(qū)域在巖層交界面產(chǎn)生并發(fā)育為導(dǎo)水通道。

(3)深部巷道圍巖變形破壞特征與埋深較淺巷道不同,其破裂現(xiàn)象隨徑向深度的加大交替出現(xiàn),變形趨勢呈周期漸弱變化。

[1]SHEMYAK IN E I,FISENKO G L,KURLENYA M V,et al. Zonal disintegration of rocks around underground workings,part I: data of in-situ observations[J].Journal of Mining Science, 1986,22(3):157– 168.

[2]SHEMYAK IN E I,FISENKO G L,KURLENYA M V,et al. Zonal disintegration of rocks around undergroundworkings,part II: rock fracture simulated in equivalent materials[J].Journal of Mining Science,1986,22(4):223– 232.

[3]顧金才,顧雷雨,陳安敏,等 .深部開挖洞室圍巖分層斷裂破壞機(jī)制模型試驗研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008, 28(3).

[4]賀永年,蔣斌松,韓立軍,等 .深部巷道圍巖間隔性區(qū)域斷裂研究 [J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,37(3).

[5]李術(shù)才,王漢鵬,錢七虎,等 .深部巷道圍巖分區(qū)破裂化現(xiàn)象現(xiàn)場監(jiān)測研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(8).

[6]潘一山,李英杰,唐 鑫,等 .巖石分區(qū)碎裂化現(xiàn)象研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(1).

[7]錢七虎,李樹忱 .深部巖體工程圍巖分區(qū)破裂化現(xiàn)象研究綜述 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(6).

[8]孫廣義,林井祥 .深部巷道支護(hù)技術(shù)研究與實踐 [J].煤礦開采,2010,15(1):54-57.

[責(zé)任編輯:李宏艷]

ZonalD isintegration Observation of Roadway’s Surrounding Rock in DeepM ine

J IANG Guang1,ZHU Shou-song1,GU Man2,WANG Song-tao2

(1.Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China; 2.SixthMine,Zhongping Energy Chemical Group,Pingdingshan 467000,China)

Borehole TV applied to monitoring roadway status in 3213 mining face and observation result of 10d and 50d after driving compared and analyzed,the paper analyzed deformation tendency of surrounding rock influenced by time.Relationship of stress variation and crack of deep roadwaywas researched.The result showed inner failuremechanis m of roadway surrounding rock driven in deep, which provided reference for roadwaymaintenance.

deep roadway;zonal disintegration;borehole TV

TD313.1

A

1006-6225(2010)06-0083-03

2010-07-27

國家自然科學(xué)基金項目 (50974118);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃 (NCET-09-0727);江蘇省“青藍(lán)工程”資助。

姜 光 (1982-),男,河南平頂山人,碩士研究生,從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。