唐滿元,苗曉偉*,李青鋒,彭躍金

(1.潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 忻州 036700;2.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)決定了巷道圍巖的破壞形式及破壞程度.馬念杰等[1]通過對巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)及變化規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)在不同圍壓狀態(tài)下均質(zhì)圍巖圓形巷道塑性區(qū)一般表現(xiàn)出圓形、橢圓形、蝶形3種形態(tài).張繼華等[2]通過分析松散軟巖巷道失穩(wěn)機(jī)理得出巷道圍巖塑性區(qū)半徑隨著初始支護(hù)強(qiáng)度與原始地應(yīng)力比值的增加逐漸減小,但塑性區(qū)范圍仍然很大.曹吉勝等[3]通過對影響參數(shù)敏感性因素分析并進(jìn)行線性回歸,得出塑性區(qū)寬度與各影響因素的關(guān)系式,為深部條帶開采設(shè)計提供參考.KASTNER[4]依照彈性理論求解得到塑性區(qū)邊界的近似隱式方程,此法在“蝶形塑性區(qū)”理論[5-10]得到了很好的繼承、發(fā)展與應(yīng)用,為巷道穩(wěn)定性評估及支護(hù)方案的設(shè)計等提供了有力的理論支撐.松動圈是巷道穩(wěn)定性判別和支護(hù)設(shè)計的重要依據(jù),對于保障巷道施工安全具有重要意義[11].徐世達(dá)等[12-14]通過測試深部巷道圍巖松動圈厚度,揭示了其分布特征及演化規(guī)律.楊凡等[15]對巷道圍巖松動圈演化規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測,為圍巖松動圈范圍及錨桿支護(hù)參數(shù)的確定提供可靠依據(jù),具有較高的工程實用價值.但對于不同的地質(zhì)條件以及開采方式,巷道塑性區(qū)及松動破壞特征不盡相同,因此本文以潞寧煤業(yè)22117回風(fēng)巷為研究對象,對巷道圍巖塑性區(qū)及其松動破壞特征進(jìn)行分析,為22117回風(fēng)巷圍巖控制提供指導(dǎo)作用.

1 巷道圍巖塑性區(qū)數(shù)值模擬研究

1.1 建立模型

圖1 數(shù)值模型

根據(jù)礦山資料顯示,潞寧煤業(yè)公司22117工作面位于侏羅系大同組上部的2#煤,處于井田二二采區(qū)中下部,上部為二二采區(qū)22115采空區(qū),煤柱15 m,下部為二二采區(qū)22119回采工作面,未形成回采工作面.22117工作面區(qū)域地層整體為南東向傾斜的單斜構(gòu)造,煤層走向N48°W,傾向S138°E,且工作面區(qū)域內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡單,中部夾不連續(xù)的薄層炭質(zhì)泥巖夾矸,煤層平均厚度3.6 m.煤層上覆頂板大同組由下往上依次主要為細(xì)粒砂巖(以長石為主)、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖(以石英為主),總厚42 m.

為研究巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)育情況,采用FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬,為進(jìn)行盡可能理想的數(shù)值模擬,對煤層采用應(yīng)變硬化/軟化模型,對其他巖層則均采用常規(guī)摩爾-庫倫模型.模型整體尺寸為100 m×15 m×66.5 m ,共劃分為798 000個網(wǎng)格.其中,巷道尺寸為4.5 m×3.6 m ,煤柱寬度為15 m,采空區(qū)設(shè)計開挖30 m 左右,巖層上部按不同埋深施加應(yīng)力,容重取25 kN/m3,模型圖如圖1所示,煤巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 同一煤柱寬度不同埋深條件下塑性區(qū)發(fā)育情況

根據(jù)潞寧煤業(yè)礦山地質(zhì)資料及地表地形圖選取6種不同埋深條件對圍巖塑性區(qū)進(jìn)行分析,如圖2所示為不同埋深條件下圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況.

根據(jù)模擬結(jié)果顯示,圖2a所示煤的埋深為437.5 m,此時煤柱靠近巷道一側(cè)出現(xiàn)0.8～1.2 m的塑性區(qū),靠近采空區(qū)一側(cè)出現(xiàn)3.5～4.0 m的塑性區(qū);圖2b所示煤的埋深為475 m,此時煤柱靠近巷道一側(cè)出現(xiàn)1.3～1.8 m的塑性區(qū),靠近采空區(qū)一側(cè)出現(xiàn)4.5～5.0 m的塑性區(qū);圖2c所示煤的埋深為512 m,此時煤柱靠近巷道一側(cè)出現(xiàn)2.0～2.5 m的塑性區(qū),靠近采空區(qū)一側(cè)出現(xiàn)5.5～6.0 m的塑性區(qū);圖2d所示煤的埋深為520 m,此時煤柱靠近巷道一側(cè)出現(xiàn)2.7～3.2 m的塑性區(qū),靠近采空區(qū)一側(cè)出現(xiàn)6.5～7.5 m的塑性區(qū);圖2e所示煤的埋深為544 m,此時煤柱靠近巷道一側(cè)出現(xiàn)3.0～4.0 m的塑性區(qū),靠近采空區(qū)一側(cè)出現(xiàn)7.5～8.0 m的塑性區(qū);圖2f所示煤的埋深為566 m,此時煤柱靠近巷道一側(cè)出現(xiàn)4.5～5.0 m的塑性區(qū),靠近采空區(qū)一側(cè)出現(xiàn)8.5～9.0 m的塑性區(qū).圖2a～圖2f可以看出頂板基本沒有發(fā)生破壞,煤體側(cè)塑性區(qū)大小基本處于0.8～1.2 m內(nèi).由此可見,隨著煤層埋深逐漸增加,22117回風(fēng)巷煤柱塑性區(qū)逐漸增加,頂板及煤體側(cè)塑性區(qū)基本沒有變化.同時,為研究同一埋深條件下,不同煤柱寬度時塑性區(qū)的發(fā)育情況,采用FLAC3D數(shù)值軟件做了進(jìn)一步分析.

圖2 不同埋深條件下圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況

1.3 同一埋深條件下不同煤柱寬度塑性區(qū)發(fā)育情況

為進(jìn)一步了解上覆巖層壓力作用下圍巖塑性區(qū)的發(fā)育情況,選取巷道埋深位于550 m的位置,分別取10,12,18,20 m煤柱為研究對象進(jìn)行模擬,如圖3所示.

圖3 同一埋深條件下不同煤柱寬度的塑性區(qū)發(fā)育情況

根據(jù)模擬結(jié)果顯示,圖3a煤柱寬度10 m的情況下,煤柱靠近巷道一側(cè)塑性區(qū)范圍在4 m左右,而煤柱靠近采空區(qū)一側(cè)塑性區(qū)范圍在7 m左右,煤柱兩側(cè)塑性區(qū)出現(xiàn)疊加現(xiàn)象;圖3b煤柱寬度12 m的情況下,煤柱靠近巷道一側(cè)塑性區(qū)范圍在3.5～4.0 m,而煤柱靠近采空區(qū)一側(cè)塑性區(qū)范圍在8 m左右,煤柱兩側(cè)塑性區(qū)同樣出現(xiàn)疊加現(xiàn)象;圖3c煤柱寬度18 m的情況下,煤柱靠近巷道一側(cè)塑性區(qū)范圍在3.5～4.0 m,而煤柱靠近采空區(qū)一側(cè)塑性區(qū)范圍在9 m左右,煤柱兩側(cè)塑性區(qū)相距較遠(yuǎn);圖3d煤柱寬度20 m的情況下,煤柱靠近巷道一側(cè)塑性區(qū)范圍在3.0～3.5 m,而煤柱靠近采空區(qū)一側(cè)塑性區(qū)范圍在8.0～8.5 m,煤柱兩側(cè)塑性區(qū)相距較遠(yuǎn).而圖3a～圖3d可以看出頂板基本沒有發(fā)生破壞,煤體側(cè)塑性區(qū)大小基本處于1.5～3.5 m.由此可見,在同一埋深條件下,煤柱側(cè)塑性區(qū)發(fā)育隨著煤柱寬度增加到一定值時,煤柱側(cè)塑性區(qū)范圍穩(wěn)定后逐漸降低,而彈性核區(qū)范圍隨著煤柱寬度增加而逐漸增加,但頂板及煤體側(cè)塑性區(qū)基本沒有變化.

綜上所述,在同一煤柱寬度條件下,隨著煤層埋深逐漸增加,煤柱塑性區(qū)范圍逐漸增加,但彈性核區(qū)范圍隨著煤層埋深逐漸增加而減小;在同一埋深條件下,煤柱側(cè)塑性區(qū)發(fā)育隨著煤柱寬度增大到一定值時,煤柱側(cè)塑性區(qū)范圍穩(wěn)定后逐漸降低;但是,彈性核區(qū)范圍隨著煤柱寬度的增加會逐漸增加;不管哪種條件下,頂板及煤體側(cè)均處于穩(wěn)定狀態(tài).

2 巷道圍巖鉆孔窺視

2.1 探測斷面布置

為進(jìn)一步驗證模擬的正確性,在22117回風(fēng)巷設(shè)置兩個監(jiān)測斷面(斷面1和斷面2)進(jìn)行圍巖鉆孔窺視,鉆孔窺視斷面布置如圖4所示,斷面1距回風(fēng)巷入口處584.8 m,包括4個探測孔,分別為頂板上2個探測孔,孔深為15 m；上幫1個探測孔,孔深為10 m;下幫1個探測孔,孔深為6 m;斷面2距回風(fēng)巷道入口處530.8 m,共3個鉆孔,分別為1個頂板孔,孔深為15 m；上幫1個探測孔,孔深為10 m;下幫1個探測孔,孔深為6 m.

圖4 鉆孔窺視斷面布置

2.2 探測結(jié)果分析

2.2.1 斷面1窺視結(jié)果分析

圖5和圖6分別為斷面1中的1#頂板孔和2#頂板孔的窺視結(jié)果。根據(jù)斷面1窺視結(jié)果可以看出,1#頂板孔0～3.4 m內(nèi)頂板完整無裂隙出現(xiàn),3.4～3.8 m內(nèi)出現(xiàn)少量的橫向裂紋,并不影響頂板的完整性,3.8～5.4 m內(nèi)頂板巖層十分完整,無裂紋產(chǎn)生,在5.4 m左右,頂板探測孔逐漸出現(xiàn)對稱的裂紋,并貫穿整個頂板孔,疑似頂板斷裂線,除此之外頂板完整;從2#頂板孔圍巖探測結(jié)果可以看出,0～2 m內(nèi)頂板完整無裂隙出現(xiàn),2～3.5 m內(nèi)出現(xiàn)少量的縱向裂紋,并不影響頂板的完整性,在3.5 m左右,頂板探測孔逐漸出現(xiàn)對稱的裂紋,并貫穿整個頂板孔,疑似頂板斷裂線,除此之外頂板完整.由圖5和圖6結(jié)合22117回風(fēng)巷掘進(jìn)作業(yè)規(guī)程可確定,直接頂厚度3.5 m左右,其中中細(xì)粒砂巖1.5 m,砂質(zhì)泥巖2.5 m;基本頂(粉砂巖)厚度大于10 m;頂板圍巖松動圈在1.0 m以下,掘進(jìn)對頂板圍巖松動圈的影響較小.但是,上鄰近22115工作面開采使基本頂在傾向上的彎、拉斷裂線位于22117回風(fēng)巷頂板,其斷裂角atan(1.9/1.3)=55.6°.

圖5 1#頂板孔窺視(斷面1)

圖6 2#頂板孔窺視(斷面1)

如圖7所示,從上幫探測孔圍巖探測結(jié)果可以看出,0～1.0 m內(nèi)圍巖較為完好;1.2～1.5 m內(nèi)圍巖出現(xiàn)橫向裂紋;2.0～2.5 m內(nèi)圍巖出現(xiàn)縱向裂紋,孔壁有煤體落下;2.5～3.1m內(nèi)圍巖橫向裂紋增多,較為破碎;3.6～4.0 m內(nèi)圍巖縱向裂紋增多,孔壁煤體部分掉落,較破碎;4.0～6.4 m內(nèi)圍巖縱向裂紋繼續(xù)發(fā)育,孔壁煤體掉落較多,縱向裂紋深度增加,圍巖破碎;在7.0 m之后圍巖較為完整,無裂紋出現(xiàn).由此可以看出圍巖松動圈介于2.5～6.5 m.結(jié)合上幫2.4 m長的錨桿(錨固長度1.2 m)可得到,巷道上幫錨桿支護(hù)效果好,尤其是0～1.2 m內(nèi)煤體在錨桿的高預(yù)應(yīng)力作用下圍巖較為完好.但是,因錨索錨固粘結(jié)內(nèi)煤體松動破壞,錨索部分錨固失效,故在2.5～4.0 m內(nèi)圍巖破碎.

圖7 上幫孔窺視(斷面1)

如圖8所示,從下幫探測孔圍巖探測結(jié)果可以看出,0～1.0 m內(nèi)圍巖較為完好;1.5～2.1 m內(nèi)圍巖出現(xiàn)縱向裂紋;2.5～3.3 m內(nèi)圍巖縱向裂紋擴(kuò)展,煤體較完整;3.5～4.0 m內(nèi)煤體較松散,并有少量煤體離層脫落;4.0～5.0 m內(nèi)煤體出現(xiàn)較為嚴(yán)重的煤體破碎脫落、離層現(xiàn)象;5.5～6.0 m內(nèi)離層現(xiàn)象減少,煤體內(nèi)仍然較為破碎.由此可得知,下幫錨桿支護(hù)對圍巖控制效果較好,但在煤體深部非錨固區(qū)3.5～5.0 m內(nèi)圍巖破壞嚴(yán)重.

圖8 下幫孔窺視(斷面1)

綜上所述,斷面1巷道上下幫圍巖松動圈非常大,受22115采空區(qū)基本頂彎曲下沉的影響嚴(yán)重,與上述數(shù)值模擬結(jié)果吻合.因上幫錨索支護(hù)效果較差,需優(yōu)化錨索支護(hù)參數(shù),同時在下幫錨索支護(hù).

2.2.2 斷面2窺視結(jié)果分析

如圖9所示,根據(jù)斷面2窺視結(jié)果可以看出,整個頂部探測孔圍巖較為完整,沒有出現(xiàn)裂紋,觀測中僅有在不同巖層之間出現(xiàn)少量的夾層,頂板圍巖松動圈在1.0 m以下,掘進(jìn)對頂板圍巖松動圈的影響較小.

圖9 斷面2頂板孔窺視

如圖10所示,從上幫探測孔圍巖探測結(jié)果可以看出,0～1.2 m內(nèi)圍巖較為完好;1.2～1.5 m內(nèi)圍巖出現(xiàn)縱向裂紋;2.3～2.9 m內(nèi)圍巖出現(xiàn)橫向裂紋,煤體較破碎;3.3～4.0 m內(nèi)圍巖橫向裂紋增多,煤體破碎,孔壁塌落較多;4.4～5.5 m內(nèi)孔徑縮小、孔壁塌落,煤體極為破碎;6.0～6.5 m內(nèi)孔壁的煤體全塌落,孔徑縮小較大,無法繼續(xù)探測.由此可以看出圍巖松動圈大于6.5 m.鉆孔窺視結(jié)果表明,巷道上幫錨桿支護(hù)效果好,尤其是0～1.2 m內(nèi)煤體在錨桿的高預(yù)應(yīng)力作用下圍巖完好.但是,因錨索錨固粘結(jié)內(nèi)煤體松動破壞,錨索部分錨固失效,故在2.5～4.0 m內(nèi)圍巖破碎.

圖10 斷面2上幫孔窺視

如圖11所示,從下幫探測孔圍巖探測結(jié)果可以看出,0～1.0 m內(nèi)圍巖較為完好,2.6～3.1 m內(nèi)圍巖出現(xiàn)橫向裂紋,3.6～4.4 m內(nèi)圍巖縱向裂紋增多.由此可得知,下幫錨桿支護(hù)對圍巖控制效果較好,但在煤體深部非錨固區(qū)2.6～4.0 m內(nèi)圍巖裂隙較發(fā)育.

圖11 斷面2下幫孔窺視

綜上所述,斷面2巷道上幫圍巖松動圈的影響非常大,下幫較小,說明受22115采空區(qū)基本頂彎曲下沉的影響嚴(yán)重,與斷面1窺視結(jié)果及上述數(shù)值模擬結(jié)果吻合.故為了巷道圍巖穩(wěn)定性,應(yīng)優(yōu)化錨桿(索)的支護(hù)參數(shù),以加強(qiáng)巷道上、下兩幫的圍巖控制.

3 結(jié)論

1)不同條件對于煤柱塑性區(qū)范圍的影響較大,而對于巷道頂板及煤體塑性區(qū)范圍影響較小.

2)鉆孔窺視顯示,上幫圍巖受上覆巖層彎曲下沉影響嚴(yán)重,下幫次之,巷道頂板受影響相對較小.

3)數(shù)值模擬及鉆孔窺視綜合對比發(fā)現(xiàn),22117回風(fēng)巷煤柱受上覆巖層彎曲下沉影響破碎嚴(yán)重,需及時對其進(jìn)行支護(hù),并應(yīng)適時增加錨索對上幫圍巖加強(qiáng)支護(hù).