李延河，翟 成，丁 熊

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000；2.中國平煤神馬控股集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000；3.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著我國淺部煤炭資源的逐漸減少，煤層開采正在以每年10～25m的速度向深部延伸，眾多礦井采深達(dá)到800～1000m[1-3]。深部應(yīng)力對(duì)巷道掘進(jìn)過程中圍巖穩(wěn)定性影響越來越大，尤其是水平主地應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性影響更為顯著。李桂臣[4]、戴永浩[5]等選取了不同巷道斷面形狀進(jìn)行了優(yōu)化數(shù)值模擬研究，分析高地應(yīng)力對(duì)深部巷道掘進(jìn)的穩(wěn)定性影響；陳金明[6]分析了超高水平應(yīng)力因素下巷道底鼓的機(jī)理；余偉健[7]、何富連[8]對(duì)不同側(cè)壓系數(shù)下的高水平應(yīng)力對(duì)巷道失穩(wěn)模式和巷道圍巖響應(yīng)特征進(jìn)行了研究；楊威[9]通過數(shù)值模研究了地應(yīng)力和掘進(jìn)周期進(jìn)尺對(duì)掘進(jìn)煤巷的穩(wěn)定性和瓦斯突出危險(xiǎn)性的影響，國內(nèi)學(xué)者也得出了盡可能使巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向平行的結(jié)論[10-12]；李桂明[13]分別對(duì)最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力時(shí)進(jìn)行了分析，研究了地應(yīng)力對(duì)巷道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性影響。

然而，最大水平應(yīng)力理論在實(shí)際應(yīng)用過程中也存在一些問題，陳登紅[14]指出按照最大水平應(yīng)力理論布置巷道，某現(xiàn)場的巷道圍巖依然有非常嚴(yán)重的變形破壞，并且對(duì)巷道軸向與最大水平主地應(yīng)力夾角進(jìn)行了理論分析和工程實(shí)踐。孫玉福[15]認(rèn)為巷道最優(yōu)的布置方向應(yīng)使作用在巷道兩幫的水平法向應(yīng)力與垂直應(yīng)力大小相等或者接近。所以關(guān)于構(gòu)造地應(yīng)力對(duì)巷道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性影響仍然需要進(jìn)一步研究。因此，本研究根據(jù)平頂山首山一礦實(shí)際工程情況，通過巷道掘進(jìn)過程中的塑性區(qū)分布、應(yīng)力演化、最大主應(yīng)力差變化和巷道圍巖變形特征，分析巷道軸向和最大水平主地應(yīng)力呈不同角度時(shí)的最大主應(yīng)力差對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，確定巷道軸向與最大水平主地應(yīng)力之間的最佳布置角度。研究成果可為深部水平主應(yīng)力方向?qū)γ合飮鷰r穩(wěn)定性影響研究提供參考。

1 工程背景與模型建立

平頂山首山一礦己15-17煤層厚度為4.0～6.5m，平均約為5.3m，埋深850～900m。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，直接底為砂泥巖互層。根據(jù)文獻(xiàn)[16]及首山一礦現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，煤層以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，屬于σHv型構(gòu)造應(yīng)力場，最大水平主地應(yīng)力σH約為40MPa，最小水平主地應(yīng)力σh約為17MPa，垂直主地應(yīng)力σv大小約為23.5MPa。

數(shù)值模擬使用顯式有限差分軟件FLAC3D6.0，使用Mohr-Coulomb模型。根據(jù)實(shí)際地層分布特征建立了煤巖層模型如圖1所示，巖層力學(xué)參數(shù)見表1。為了降低邊界效應(yīng)影響，模型長寬高分別為100、100、70m，矩形巷道寬5m，高3.5m，巷道軸向方向?yàn)閥軸，巷道模擬掘進(jìn)50m，步長5m。約束模型側(cè)面及底部位移，頂部施加荷載。

圖1 煤巖層模型

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

2 理論分析

2.1 最大水平主地應(yīng)力方向與巷道軸向最優(yōu)夾角

深部開采過程中垂直主地應(yīng)力σv基本上等于上覆巖層的重力γH，最大水平主地應(yīng)力σH大于垂直地應(yīng)力σv[17，18]?，F(xiàn)階段主要還是使用最大水平應(yīng)力理論研究深部巷道布置，未考慮垂直應(yīng)力與最小水平主地應(yīng)力的應(yīng)力差；只對(duì)比最大平行主地應(yīng)力與巷道平行或者垂直兩種情況[19]。所以在最大水平應(yīng)力理論基礎(chǔ)上設(shè)置不同夾角來考慮巷道軸向與最大水平主地應(yīng)力方向的關(guān)系。

本次試驗(yàn)的實(shí)測地應(yīng)力場為σHv型，σH>σv>σh。當(dāng)σH與巷道軸向呈一定角度α?xí)r，設(shè)σn為作用在巷道兩幫的水平法向應(yīng)力，文獻(xiàn)[19]提出當(dāng)σn/σv=1時(shí)，即滿足式(1)時(shí)，α為最優(yōu)夾角。

由式(1)計(jì)算出本次模擬的最優(yōu)夾角為α=32°，為了方便運(yùn)算，模擬時(shí)采用30°夾角。

2.2 不同夾角的地應(yīng)力轉(zhuǎn)換

為研究水平地應(yīng)力與巷道軸向夾角對(duì)巷道布置穩(wěn)定性的影響，在本次模擬過程中，將巷道軸向方向設(shè)定為坐標(biāo)軸y軸，將巷道布置軸向方向與最大水平主地應(yīng)力的夾角大小轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲笏街鞯貞?yīng)力方向與y軸夾角大小，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。當(dāng)最大水平主地應(yīng)力與y軸平行時(shí)(夾角0°)，模型頂部測點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)為：σxx=σh=-17MPa；σyy=σH=-40MPa；σzz=σv=-23.5MPa。

圖2 σH方向與巷道軸向夾角α

表2 主地應(yīng)力計(jì)算

3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

3.1 塑性區(qū)分布

六種工況巷道豎向中剖面x=0m處的塑性區(qū)分布切片如圖3所示。隨著夾角的增大工作面前方和頂?shù)装迤茐纳疃瘸尸F(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)夾角為30°時(shí)破壞深度最小，分別為2.5m、5.37m和4.1m；當(dāng)夾角為90°時(shí)，破壞深度最大，分別為4.18m、6.4m和6.4m。當(dāng)巷道垂直于最大水平主應(yīng)力時(shí)，巷道圍巖破壞嚴(yán)重，破壞深度較大，當(dāng)作用在巷道兩幫的水平法向應(yīng)力約等于垂直應(yīng)力時(shí)，巷道圍巖破壞范圍較小，有利于保持巷道圍巖穩(wěn)定。不同的應(yīng)力狀態(tài)下，工作面前方的破壞狀態(tài)變化較小，大部分頂?shù)装褰?jīng)歷或者正處于剪切破壞。隨著夾角的增大，巷道頂?shù)装迤茐臓顟B(tài)由剪切破壞后的屈服變成正在破壞狀態(tài)。

六種工況巷道掘進(jìn)過程中距掘進(jìn)工作面10m處圍巖塑性區(qū)分布如圖4所示。在夾角為0°時(shí)，巷道截面破壞范圍最大，但同時(shí)巷道底板大部分破壞呈現(xiàn)破壞后的屈服狀態(tài)。伴隨著夾角的增大，巷道兩幫最大破壞深度由巷幫中部向頂角轉(zhuǎn)移，同時(shí)巷道底板由破壞后的屈服狀態(tài)向正在破壞狀態(tài)轉(zhuǎn)變，當(dāng)夾角達(dá)到90°時(shí)，巷道圍巖破壞嚴(yán)重，大部分圍巖都呈現(xiàn)正在破壞狀態(tài)。距離掘進(jìn)工作面1～5m處的巷道兩幫最大破壞深度如圖5所示。隨著夾角的增大，巷幫破壞深度和頂?shù)装逑嗨?，也呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)夾角大于30°時(shí)，最大破壞深度即剪切應(yīng)變最大處都在兩幫底角或者頂角。在工作面后方5m范圍內(nèi)，兩幫的最大破壞深度最小值均處于夾角為30°～60°，45°左右時(shí)兩幫最大破壞深度最小。根據(jù)以上頂?shù)装?、兩幫和掘進(jìn)工作面前方塑性區(qū)分布分析：由于地應(yīng)力和頂?shù)装鍘r性的影響，底板破壞范圍較大且兩幫最大破壞深度都出現(xiàn)在巷道兩幫頂?shù)捉?。?duì)比六種工況的巷道圍巖最大破壞深度和巷道截面破壞范圍面積，當(dāng)σH方向與巷道軸向夾角大小為30°～45°左右時(shí)水平地應(yīng)力對(duì)巷道影響最小。

圖4 距掘進(jìn)工作面20m處截面塑性區(qū)分布

圖5 工作面后方5m內(nèi)兩幫最大破壞深度

3.2 最大主應(yīng)力差

由于不同方向主地應(yīng)力在巷道掘進(jìn)過程中形成的應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)位置都不同，所以僅用最大、最小主地應(yīng)力無法準(zhǔn)確表征巷道圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，圍巖最大主應(yīng)力差與是否發(fā)生剪切破壞關(guān)系密切[6]，所以使用最大主應(yīng)力差來分析地應(yīng)力與巷道夾角變化對(duì)巷道穩(wěn)定性影響，模擬過程中主應(yīng)力差使用fish語言來遍歷模型，定義為模型中每個(gè)單元的最大主應(yīng)力減去最小主應(yīng)力。巷道掘進(jìn)后，在巷道距掘進(jìn)工作面20m處以巷道中心點(diǎn)為基點(diǎn)，分別向兩幫和頂?shù)装宀贾脙蓷l長50m且互相垂直的最大主應(yīng)力差監(jiān)測線。

根據(jù)圖6所示，巷道兩幫3m內(nèi)的主應(yīng)力差值增長趨勢相同，在距離巷幫2～3m內(nèi)，主應(yīng)力差先后達(dá)到峰值。呈0°布置時(shí)峰值主應(yīng)力差最大，為27.2MPa，其次為15°、30°、45°、90°、60°，同時(shí)根據(jù)塑性區(qū)分布情況，巷幫中部最大破壞深度順序與最大峰值主應(yīng)力差相同，說明主應(yīng)力差是影響巷幫破壞深度的重要因素。當(dāng)夾角為0°～60°時(shí)，從巷道壁面到巷幫深部，主應(yīng)力差在兩幫的變化趨勢是對(duì)稱的，大致可以分為“增長-降低-穩(wěn)定”三區(qū)。在最大主應(yīng)力差降低區(qū)，夾角呈45°～90°布置時(shí)最大主地應(yīng)力差往兩幫深部發(fā)展的過程中出現(xiàn)明顯的波動(dòng)區(qū)域。當(dāng)夾角為0°、90°時(shí)，巷道圍巖雖然主應(yīng)力差初始值較高，但其變化趨勢不同，夾角為0°時(shí)，巷幫最大主應(yīng)力差峰值最大且大于初始值，所以巷幫破壞深度最大且大部分處于正在剪切破壞狀態(tài)。隨著夾角的增大，初始最大主應(yīng)力差先減小后增大，最大主應(yīng)力差峰值逐漸減小。因此，巷幫破壞呈現(xiàn)出破壞深度先減小后增大趨勢，部分圍巖破壞形式由正在剪切破壞向破壞后的屈服狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖6 水平監(jiān)測線主應(yīng)力差

垂直監(jiān)測線主應(yīng)力差如圖7所示，由圖7可知，巷道頂?shù)装宓闹鲬?yīng)力差和兩幫一樣大致可以分為“增長-降低-穩(wěn)定”三區(qū)。但是在巷道頂板巖性和布置夾角的影響下，頂板最大主應(yīng)力差會(huì)在降低區(qū)域出現(xiàn)次峰。在巷道底板區(qū)域，布置角度為30°時(shí)，最大主應(yīng)力差最先到達(dá)峰值，且峰值最小，為22.5MPa。頂板區(qū)域六種布置方式的最大主應(yīng)力差在3.8m深處同時(shí)達(dá)到峰值，與底板區(qū)域相同，當(dāng)夾角為90°時(shí)頂板最大主應(yīng)力差峰值最大，其次為60°、45°、0°、15°，布置角度為30°時(shí)，最大主應(yīng)力差峰值最小，為25.1MPa。

圖7 垂直監(jiān)測線主應(yīng)力差

結(jié)合圖3、圖4巷道圍巖塑性區(qū)分布可以推斷，隨著夾角的增大，在距離掘進(jìn)工作面20m處圍巖最大主應(yīng)力差峰值由巷幫中部逐漸向巷道頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，這也是巷幫最大破壞深度由巷幫中部向巷幫頂?shù)捉寝D(zhuǎn)移的原因。

3.3 圍巖位移變化

為分析在不同夾角條件下巷道掘進(jìn)圍巖位移變形特征，在巷道的頂?shù)装搴蛢蓭筒贾盟臈l長20m的測線，頂?shù)装灞O(jiān)測線監(jiān)測Z向位移，兩幫監(jiān)測線監(jiān)測X向位移。位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8所示，在每個(gè)開挖步距內(nèi)，位移量都有著相同的波動(dòng)趨勢。在掘進(jìn)工作面后面一個(gè)開挖步距內(nèi)，巷幫位移量迅速增大，并在后方幾個(gè)開挖步距內(nèi)逐漸穩(wěn)定。根據(jù)四條位移監(jiān)測線數(shù)據(jù)，當(dāng)最大水平主應(yīng)力σH與巷道軸向布置角度為0°、15°、30°時(shí)底板和兩幫監(jiān)測點(diǎn)位移量和監(jiān)測線位移變化都比較小，工作面后方5～20m內(nèi)頂板和兩幫位移量圍繞0.08m上下波動(dòng)。而當(dāng)夾角增大時(shí)，圍巖位移量也隨之增大，當(dāng)夾角角度為90°時(shí)位移變形量最大。

圖8 圍巖位移

4 現(xiàn)場驗(yàn)證

為驗(yàn)證地應(yīng)力方向?qū)ι畈肯锏婪€(wěn)定性影響，選擇首山一礦12100工作面機(jī)巷作為觀測巷道，12100采面巷道布置如圖9所示。巷道按全寬×中高=5200mm×3500mm施工，軸向布置方位角為320°，與實(shí)測最大水平主地應(yīng)力方向的夾角為39°。

圖9 采面布置

4.1 巷道支護(hù)

如圖10所示，巷道采用錨網(wǎng)、錨索、W鋼帶聯(lián)合支護(hù)，錨桿支護(hù)作為永久支護(hù)方式。深部巷道會(huì)在地應(yīng)力影響下發(fā)生嚴(yán)重變形，使用高強(qiáng)讓壓錨桿支護(hù)方法以控制巷道圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展，提高支護(hù)阻力。頂板、上幫、下幫每排分別布置8根，6根，5根?22mm×2600mm高強(qiáng)讓壓錨桿(屈服強(qiáng)度為600MPa)，頂錨桿間排距為700mm×750mm。對(duì)巷道頂角與底角的錨桿進(jìn)行偏角錨固，以加強(qiáng)頂?shù)装骞芾響?yīng)對(duì)巷道蝶形破壞。針對(duì)頂板破壞深度較大現(xiàn)象，在巷道頂板施工注漿錨索進(jìn)行加強(qiáng)頂板支護(hù)，錨索尺寸為?22mm×8000mm。同時(shí)使用不同尺寸的鋼帶與網(wǎng)孔為40mm×40mm的經(jīng)緯編織網(wǎng)進(jìn)行搭接，保證巷道圍巖壁面完整性，防止頂板冒落。

圖10 巷道支護(hù)(mm)

4.2 現(xiàn)場觀測分析

在每周同一時(shí)間對(duì)12100運(yùn)輸巷頂板離層儀數(shù)據(jù)和兩幫移近量進(jìn)行為期八周的監(jiān)測，選擇的監(jiān)測地點(diǎn)為煤巷入口300m和400m處，距離采煤工作面較遠(yuǎn)，受采動(dòng)影響較小，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。

表3 煤巷變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

巷道采用錨網(wǎng)、錨索、W鋼帶聯(lián)合支護(hù)，錨桿支護(hù)作為永久支護(hù)方式。監(jiān)測期間距離入口300m處巷道變形處于穩(wěn)定期，巷道支護(hù)效果良好。距離巷道深基點(diǎn)在八周內(nèi)刻度值為41～45mm，淺基點(diǎn)刻度值為30～35mm，兩幫移近量為165～171mm。距巷道入口400m處監(jiān)測值較大，八周內(nèi)深基點(diǎn)刻度值為49～53mm，淺基點(diǎn)刻度值為42～46mm，兩幫移近量為176～180mm。所有的監(jiān)測值均小于預(yù)警指標(biāo)(深基點(diǎn)180mm；淺基點(diǎn)120mm；兩幫600mm)且變化較小，表明巷道支護(hù)良好。在12100采面地質(zhì)條件下，機(jī)巷在與最大主地應(yīng)力的夾角為39°近似為最優(yōu)夾角時(shí)較為穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1)隨著最大水平主應(yīng)力與巷道夾角的增大，工作面前方和頂?shù)装迤茐纳疃瘸尸F(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)夾角為30°時(shí)破壞深度最?。幌锏理?shù)装迤茐臓顟B(tài)由剪切破壞后的屈服狀態(tài)變成正在破壞狀態(tài)；巷道兩幫最大破壞深度由巷幫中部向巷道頂角轉(zhuǎn)移，同時(shí)巷道底板由破壞后的屈服狀態(tài)向正在破壞狀態(tài)轉(zhuǎn)變。對(duì)比六種工況的巷道圍巖最大破壞深度和巷道截面破壞范圍面積，當(dāng)σH方向與巷道軸向夾角大小為30°～45°左右時(shí)水平地應(yīng)力對(duì)巷道影響最小，巷道較為穩(wěn)定。

2)圍巖主應(yīng)力差對(duì)巷道圍巖剪切破壞有著直接影響，根據(jù)頂?shù)装搴蛢蓭椭斜O(jiān)測線數(shù)據(jù)，從巷道壁面到巷幫深部，主應(yīng)力差變化趨勢都可以大致可以分為“增長-降低-穩(wěn)定”三區(qū)，其中兩幫主應(yīng)力差是對(duì)稱的。隨著夾角的增大，兩幫初始最大主應(yīng)力差先減小后增大，最大主應(yīng)力差峰值逐漸減小。因此，兩幫破壞呈現(xiàn)出破壞深度先減小后增大趨勢，部分圍巖破壞形式由正在剪切破壞向破壞后的屈服狀態(tài)轉(zhuǎn)變。布置角度為30°時(shí)，巷道頂?shù)装遄畲笾鲬?yīng)力差峰值最小。

3)當(dāng)作用在巷道兩幫的水平法向應(yīng)力σn與垂直主地應(yīng)力近似相等時(shí)水平主地應(yīng)力對(duì)巷道布置掘進(jìn)穩(wěn)定性影響最小，此時(shí)最大水平主地應(yīng)力與巷道軸向所成的夾角α為最優(yōu)夾角。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況計(jì)算出的最優(yōu)夾角α為32°近似為30°。通過對(duì)最大水平主地應(yīng)力與巷道軸向6個(gè)不同角度模型進(jìn)行數(shù)值模擬得出30°夾角為最優(yōu)夾角，符合計(jì)算結(jié)果。

4)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，當(dāng)巷道軸向與最大主地應(yīng)力方向夾角近似最優(yōu)夾角時(shí)，巷道變形量在穩(wěn)定期遠(yuǎn)小于預(yù)警值，巷道支護(hù)效果良好。