焦午浩，趙晉軍，趙 帥

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.晉煤集團(tuán) 胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048214)

地應(yīng)力是引起巷道變形破壞的主要因素之一，其以最大主應(yīng)力的影響最為顯著。當(dāng)最大主應(yīng)力大小一定時(shí)，巷道圍巖的穩(wěn)定性與最大主應(yīng)力方向密切相關(guān)。

目前，關(guān)于地應(yīng)力與巷道圍巖穩(wěn)定的研究成果頗多?？导t普等[1，2]分析了礦井地應(yīng)力分布規(guī)律與變化趨勢(shì)；邱治強(qiáng)，高明忠等[3]對(duì)高地應(yīng)力下洞室群的布置進(jìn)行了探討；劉會(huì)波，肖明等[4]提出了地應(yīng)力對(duì)圍巖時(shí)效的變形作用機(jī)制及其力學(xué)行為；張宜虎，盧軼然等[5]分析了片幫裂紋的成因，提出了判斷地應(yīng)力方向的方法；王迎超，靖洪文等[6]研究了平頂山礦地質(zhì)構(gòu)造的演化行為，得出了地應(yīng)力的分布規(guī)律；魯巖，鄒喜正等[7]研究了構(gòu)造應(yīng)力對(duì)不同布置方向巷道穩(wěn)定性的影響量；肖同強(qiáng)，支光輝等[8]研究了構(gòu)造應(yīng)力、斷層等因素分別對(duì)巷道穩(wěn)定的影響規(guī)律；何富連，許磊等[9]研究了大斷面切眼在不同寬度下對(duì)頂板偏應(yīng)力、裂隙場(chǎng)、變形規(guī)律等的響應(yīng)特征；此外，還有許多學(xué)者[10-12]分析了地應(yīng)力分布對(duì)巷道變形破壞的影響。本文以巨野礦區(qū)新巨龍礦北區(qū)運(yùn)輸大巷、二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷和4號(hào)聯(lián)絡(luò)巷為工程背景，運(yùn)用FLAC3D分析了最大主應(yīng)力方向?qū)鷰r塑性區(qū)分布、偏應(yīng)力及位移的變化規(guī)律，為類似條件巷道的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔資料，該北運(yùn)輸大巷附近煤層厚度為3.85～4.04m，呈近水平狀，大巷埋深約800 m，沿3#煤上分層頂板掘進(jìn)。設(shè)計(jì)斷面為矩形，尺寸為寬×高=5.0m×4.0m。直接頂為粉砂巖，層理發(fā)育，厚度為2.6m；基本頂為細(xì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)層理發(fā)育，呈斷續(xù)波狀，厚度為4.0m；直接底、基本底依次是呈灰黑色的粉砂巖3.5m，細(xì)砂巖 4.2m，其中細(xì)砂巖具有良好的穩(wěn)定性和整體性。

2 原巖應(yīng)力測(cè)量

在研究區(qū)域選取了2個(gè)測(cè)點(diǎn)，巷道與測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 巷道與測(cè)點(diǎn)位置

地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。該區(qū)域原巖應(yīng)力特點(diǎn)為：①該區(qū)域以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力為最大水平主應(yīng)力，均值為28.4MPa，方向?yàn)镾60°E；②最大水平主應(yīng)力是垂直應(yīng)力的1.51倍，是最小水平主應(yīng)力的1.87倍；③垂直應(yīng)力取18.9MPa，與巷道埋深所計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果(18.4MPa)接近。

表1 AE法測(cè)量地應(yīng)力結(jié)果

3 地應(yīng)力作用方向理論分析

根據(jù)彈塑性力學(xué)知識(shí)，建立與地應(yīng)力方向相關(guān)的原始坐標(biāo)系Oxyz，設(shè)最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線夾角為α，三個(gè)主應(yīng)力分別為σH、σV和σh。當(dāng)α變化時(shí)，以巷道軸線方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，建立新坐標(biāo)系O′x′y′z′，分析得：

根據(jù)最大水平主應(yīng)力σH、垂直應(yīng)力σV和最小水平主應(yīng)力σh三者的大小，將原巖應(yīng)力場(chǎng)分為三種不同類型，即：

1)σH型應(yīng)力場(chǎng)：關(guān)系式為σH>σh>σV，以構(gòu)造力為主導(dǎo)，平面應(yīng)力狀態(tài)下任意斜截面上的法向應(yīng)力一般公式為：

α的取值區(qū)間在0°～90°之間，α越大，σn越大；當(dāng)α為零值時(shí)，σn值最小，為σh；當(dāng)α為90°時(shí)，σn值最大，為σH。根據(jù)公式σn/σV=1判斷出只有當(dāng)σn=σh時(shí)，巷道圍巖邊界上的法向應(yīng)力之比更接近于1，即其最優(yōu)夾角為最大水平主應(yīng)力方向平行于巷道軸線。

2)σV型應(yīng)力場(chǎng)：關(guān)系式為σV>σH>σh，以自重應(yīng)力為主導(dǎo)，由上述分析知：當(dāng)σn=σH時(shí)，巷道圍巖邊界上的法向應(yīng)力之比更接近于1，因此，最優(yōu)夾角應(yīng)為最大水平主應(yīng)力方向垂直于巷道軸線，即巷道軸線應(yīng)與垂直應(yīng)力的方向相平行。

3)σHV型應(yīng)力場(chǎng)：關(guān)系式為σH>σV>σh，以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，由上述分析知：滿足條件σn/σV=1，將其帶入式(2)求得最優(yōu)夾角表達(dá)式為：

根據(jù)式(3)知：最優(yōu)夾角α的取值范圍在0～90°之間，即最大水平主應(yīng)力的作用方向與巷道軸線呈一定夾角時(shí)，巷道圍巖變形破壞最小。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立與模擬方案

采用FLAC3D建立數(shù)值模型。模型尺寸寬×厚×高=40m×1m×30m，采用Mohr-coulomb本構(gòu)模型。模型采用位移邊界條件，其頂部施加荷載為18.9MPa，兩側(cè)邊界水平方向位移約束，底部邊界垂直方向位移約束，根據(jù)圍巖得基本力學(xué)性能及以往工程經(jīng)驗(yàn)，所選巖性力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)應(yīng)力方向的不同，模擬最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸向之間夾角α在0°～90°，間隔15°的圍巖塑性區(qū)分布、偏應(yīng)力及位移的變化規(guī)律。模擬方案見(jiàn)表3。

表3 初始地應(yīng)力模擬方案

4.2 圍巖塑性區(qū)范圍

巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律如圖2所示，分析得：圍巖塑性區(qū)破壞范圍隨α增大而增大，當(dāng)α<45°時(shí)，幫部圍巖塑性區(qū)大于頂、底部塑性區(qū)；當(dāng)α>45°時(shí)，頂、低部圍巖塑性區(qū)大于幫部。表明其塑性區(qū)隨著最大水平主應(yīng)力與巷道軸線夾角增大，有向巷道頂、底板深部發(fā)展的趨勢(shì)。

圖2 圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

4.3 圍巖偏應(yīng)力分析

根據(jù)彈塑性力學(xué)知識(shí)，應(yīng)力張量通常分為兩部分，一部分對(duì)塑性變形不起作用，稱為球應(yīng)力張量，另一部分對(duì)塑性變形起作用，稱為偏應(yīng)力張量。而最大主偏應(yīng)力對(duì)介質(zhì)的變形起主要控制作用，用3個(gè)主應(yīng)力的大小表示為：

圍巖偏應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示。分析得：①在不同夾角下，頂、底板及幫部圍巖偏應(yīng)力隨深度的增，其變化趨勢(shì)大致相同，均呈先快速增大至峰值，峰值后逐漸減小并最終趨于平穩(wěn)；②不同夾角下，圍巖偏應(yīng)力峰值及其所在的位置不同，表現(xiàn)在α越大，頂、底板圍巖偏應(yīng)力峰值越大，峰值所在位置亦越深，而幫部偏應(yīng)力峰值則越小，峰值所在位置越淺，但總體變化范圍不大，均在圍巖深處3～5m的位置；③峰值前，頂、底板圍巖偏應(yīng)力增加速度比兩幫要快，峰值后的下降速度亦如此，但兩幫圍巖偏應(yīng)力在峰值后的離散程度較大，表明幫部對(duì)應(yīng)力的敏感性較強(qiáng)；④在對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)控制時(shí)，錨桿索錨固端應(yīng)避免錨入偏應(yīng)力峰值所在圍巖附近，使之避免由于應(yīng)力集中導(dǎo)致巖體塑性裂化，從而失去良好的錨固基礎(chǔ)。

圖3 圍巖偏應(yīng)力分布規(guī)律

4.4 圍巖變形分析

圖4 圍巖變形規(guī)律

頂、底板及幫部圍巖位移曲線如圖4所示，不同夾角下圍巖最大位移量如圖5所示。分析得：①頂、底板及幫部圍巖變形均呈先快速減小，后緩慢降低直至趨于穩(wěn)定；②頂板下沉、底鼓及幫部?jī)?nèi)斂較明顯的范圍均在0～3m處，且α越大，變形越明顯；③最大水平主應(yīng)力方向?qū)敗⒌装鍑鷰r變形的影響大于幫部；④頂、底板圍巖淺部變形隨α增大而增大，圍巖頂、底板深部變形隨α增大而減??；⑤由圖5得：最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線夾角α越大，圍巖變形越大，頂、底板圍巖變形呈類“線性”增長(zhǎng)，而幫部圍巖變化不大；當(dāng)α=90°時(shí)，圍巖變形最大。

圖5 不同夾角下圍巖最大位移量

5 實(shí)例分析

該區(qū)域巷道布置如圖6所示。北運(yùn)輸、輔運(yùn)二大巷均與最大水平主應(yīng)力方向呈45°夾角。巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，掘進(jìn)過(guò)程中，圍巖變形破壞嚴(yán)重。多處錨桿托盤(pán)被嵌入煤體中，混凝土噴層嚴(yán)重開(kāi)裂，圍巖幫部肩角位置在剪切作用下，出現(xiàn)多根錨桿破斷，網(wǎng)兜和鋼帶扭曲現(xiàn)象嚴(yán)重，使巷道支護(hù)非常困難。

圖6 巷道位置

4號(hào)聯(lián)絡(luò)巷的巷道變形明顯不同于其他巷道。同樣的支護(hù)，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中變形量較小，錨桿沒(méi)有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)完好，巷道維護(hù)效果較好。

綜上所述，地應(yīng)力的大小和方向不同，對(duì)巷道變形破壞影響不同。最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸向夾角越大，圍巖變形破壞越嚴(yán)重。因此，在進(jìn)行巷道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使其軸向平行于最大主應(yīng)力方向，可以有效的降低地應(yīng)力對(duì)圍巖變形破壞的影響，有利于圍巖的穩(wěn)定，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

6 結(jié) 論

1)最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸向夾角越大，“圍巖”塑性區(qū)范圍越大。塑性區(qū)隨著夾角的增大，逐漸向巷道頂、底板深部發(fā)展。

2)圍巖偏應(yīng)力隨深度增加呈“單峰”狀。α越大，頂、底板圍巖偏應(yīng)力峰值越大，峰值所在圍巖位置越深，而幫部偏應(yīng)力峰值則越小，峰值所在圍巖位置越淺。

3)α越大，“圍巖”變形越大，變化量為：頂板>兩幫>底板；當(dāng)α=0°時(shí)，圍巖變形最小，有利于圍巖穩(wěn)定和支護(hù)；圍巖位移變化量隨夾角增大呈類“線性”增長(zhǎng)，當(dāng)α=90°時(shí)，圍巖變形最大，其中頂板變形最嚴(yán)重，兩幫及底板變形次之。

4)實(shí)踐表明，巷道方位的選擇應(yīng)結(jié)合最大主應(yīng)力的大小和方向，盡量使其平行于最大主應(yīng)力的方向，能夠有效的降低地應(yīng)力對(duì)圍巖變形的影響。在以水平應(yīng)力為主導(dǎo)的應(yīng)力場(chǎng)中，重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)巷道頂板的支護(hù)，有利于圍巖穩(wěn)定。