連鴻全，亢鑫超

(1.黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責任公司， 黑龍江 鶴崗 154100； 2.中國礦業(yè)大學， 北京 100083)

巷道支護工程的穩(wěn)定性，主要取決于圍巖強度、巖體應力狀態(tài)和支護體強度。關于地應力測量及巷道圍巖支護穩(wěn)定，不同學者做了大量研究。楊振茂等[1]確立了一種包括“地應力測試—地質力學評估—初始設計—現場監(jiān)測—反饋信息—修改設計”的煤巷錨桿支護動態(tài)設計方法；針對高地應力條件下的深部軟巖圍巖變形、破壞的特點，康紅普等[2-4]通過采用全斷面高預應力、高強度錨桿與錨索及注漿聯合支護進行加固；侯公羽等[5]通過數值模擬的方法對深部高地應力區(qū)巷道支護的過程及方案進行了優(yōu)化。這些研究成果為類似的深部高地壓測試及支護研究奠定了基礎。

興安礦區(qū)開采歷史悠久，地質構造條件復雜，區(qū)內許多礦的開采深度已延伸至500～1 000 m，沖擊地壓以及煤與瓦斯突出等動力災害多次發(fā)生，造成大量人員損傷及設備損壞。而深部高地應力以及采動疊加應力形成的高應力場的測量及評估對預防沖擊地壓災害以及巷道大變形破壞起到重要作用。因此，對興安礦區(qū)礦井進行地應力測試，掌握礦井深部地應力場分布規(guī)律，通過現場實驗研究及數值模擬分析進行巷道支護設計，為后續(xù)開挖巷道的安全支護提供參考。

1 工程概況

興安煤礦設計能力為450萬t/年，礦井服務年限為63.5年。該礦位于鶴崗市興安區(qū)，礦井開拓方式為立井多水平主要石門分區(qū)大巷式(一水平)和主要大巷分區(qū)石門式(二、三、四水平)。分5個生產水平，+90 m標高以上至露頭為第一水平；+90～-100 m標高為第二水平；-100～300 m標高為第三水平；-300～500 m標高為第四水平；-500～700 m標高為第五水平。目前一、二水平已開采結束，三、四水平正在同時開采，采煤方法為走向長壁后退式開采，頂板采用全部陷落法?，F三、四水平開采11、17-1、21、22、23、27、30、33號煤層；現五水平正延深。其中四水平17層中部區(qū)二段總機道、四水平北11層一二區(qū)二段總機道和三水平南邊界石門是該次地應力測量的選點位置。

巷道圍巖主要為砂質泥巖、泥巖和砂巖，且受斷層影響，圍巖比較松軟破碎。

礦井已進入深部開采，深部高地應力以及沖擊地壓等動力災害嚴重影響該礦安全生產。

2 興安礦區(qū)區(qū)域構造體系分析

興安礦井田位于鶴崗煤田中部，構造應力場方向與煤田構造規(guī)律有密切的關聯，見圖1.

1—雞西盆地 2—勃利(七臺河)盆地 3—雙樺盆地4—雙鴨山盆地 5—綏濱盆地 6—鶴崗盆地7—濃江盆地 8—撓力河盆地圖1 興安礦地質構造簡圖

鶴崗盆地為中新生代斷陷盆地，在大的構造位置上處于吉黑褶皺系佳木斯地塊的西北部，經歷了燕山中期、燕山晚期、喜山早期、喜山晚期4期構造運動。根據區(qū)域構造體系分析得出，該區(qū)域的南北徑向構造受后期的新華夏系北東向改造，其控制著該區(qū)域地應力場的分布。本區(qū)煤系地層走向近北北東，呈長條帶狀分布，傾向南東的單斜構造，T9斷層為主的平推斷層是該井田內最近一期的構造，為典型新華夏系構造，可初步判斷興安煤田構造應力場方向為北東東向或近東西向。

3 地應力原位測量

運用地質力學的方法可定性分析興安礦區(qū)區(qū)域構造應力的方向，但不能得到準確的深部地應力的量值，難以為礦區(qū)巷道支護設計提供可靠的設計依據。為了確定礦井深部地應力的量值，進行了現場原位測量，測量結果不僅可以為力學分析提供驗證，對工程建設也具有一定的意義。

3.1 地應力測點位置確定

地應力測量需要精確可靠的傳感器及數據采集系統(tǒng)，否則難以滿足實驗及工程設計要求。該次實驗采用空芯包體應力計進行原巖應力的測量。地應力測點位置的選擇不僅應具有代表性而且不能影響煤礦內其它施工及生產工序。所選地應力測點的位置見圖2.

圖2 興安煤礦地應力測點鉆孔位置圖

空芯包體應力計測量法要求測試斷面需在彈性區(qū)內。因此，為確保地應力測量的準確性，應力計安放孔必須保持完整。該實驗采用超聲波圍巖裂隙探測儀以及YSZ(B)鉆孔窺視儀進行該次地應力原位測量前，對測點附近的巖石進行了圍巖結構完整性的測試，以保證空芯包體應力計可安放在完整巖石中。根據測量結果，一號測點空芯包體應力計安放孔的深度應大于1.0 m，二號測點空芯包體應力計安放孔的深度應大于1.2 m，三號測點空芯包體應力計安放孔的深度也應大于1.2 m.

3.2 空芯包體應力計地應力原位測量

3.2.1空芯包體應力計地應力測量方法

空芯包體環(huán)氧樹脂三軸應變法的應力解除過程如下：

1) 打大孔：在井下巷道內，用鉆機向預定位置的圍巖鉆進應力解除孔，鉆孔深度以圍巖結構測試結果為準，鉆頭d130 mm，鉆孔上傾3°～5°.

2) 磨平鉆孔孔底。

3) 做錐形孔底：以保證后面的小孔與大孔同軸芯。

4) 打小孔：換上d36 mm的小鉆頭，打30 cm深的一段小鉆孔。小孔打好后應立即清除油污并保證孔壁干燥，否則難以保證黏結劑與孔壁的黏結效果，給實驗帶來誤差。

5) 進行空芯包體的安裝。

6) 讀取應變儀初始數據：在環(huán)氧樹脂固化后(一般為20 h)，接通應變儀，待應變儀讀數穩(wěn)定后進行讀取。

7) 套芯地應力解除與應變測試：按規(guī)定分級解除芯體應力，巖芯會發(fā)生彈性恢復。通過芯體上的應變片測出應變值。

3.2.2空芯包體應力計地應力測量結果

興安礦區(qū)各測點技術特征見表1.

表1 興安礦地應力測點技術特征表

空芯包體應力計測量法本質上是一種應力解除法，即通過一定的位移和應變測量方法及合適的巖石的本構關系模型計算求得地應力的方法。分析各個應力解除階段測得的應變值，繪制出應力解除曲線(應變儀的讀數與應力解除進尺的變化關系曲線)，進行應力解除數據合理性判斷，計算出測點所在位置的主應力值和方向，各測點應力解除曲線分別見圖3,4,5.

圖3 1#孔應力解除過程曲線圖

將巖芯在實驗室里加工成標準試件，通過室內試驗得到其彈性常數，巖石力學參數見表2.

圖4 2#孔應力解除過程曲線圖

圖5 3#孔應力解除過程曲線圖

表2巖石力學參數表

測點單軸抗壓強度/MPa彈性模量/MPa泊松比興安1#49.819 3290.24興安2#47.219 1680.24興安3#56.318 1020.22

根據應力解除階段測得的應變數據結果以及測點的技術特征參數、巖石力學參數，通過專業(yè)的地應力計算軟件得出的地應力測試結果見表3.

表3 地應力測試結果表

3.3 地應力測量結果綜合分析

根據3個測點的地應力狀態(tài)，可以發(fā)現興安煤礦地應力分布存在如下規(guī)律：

1) 3個測點的最大主應力方位角依次為113.07°、69.16°、86.6°，最大水平主應力方向總體上為近東西向，個別測點最大水平主應力方向偏差較大，與該點的局部應力場變化和巖層力學性質有關。

2) 3個測點的最大主應力分別為垂向應力的1.27、1.36、2.18倍，說明興安礦區(qū)的地應力場由水平構造應力場占據主導地位。最大主應力約為最小主應力的2.01～2.16倍。

3) 垂直應力基本上等于或者略小于單位面積上覆巖層的重量。

4) 在該深度范圍內，可以得出最大主應力梯度為0.041 1 MPa/m，垂直主應力梯度為0.024 8 MPa/m，最小主應力梯度為0.019 6 MPa/m.

4 興安礦區(qū)巷道支護技術

4.1 巷道支護方案

巷道為錨噴支護方式，設計斷面形狀為半圓拱形，巷道支護圖見圖6，其支護材料及參數如下：

1) 錨桿：錨桿選用45#左旋無縱筋螺紋鋼，d20 mm，錨桿的終錨力為11.2 t，錨桿長度1 600 mm，兩幫底角錨桿長度1 800 mm、角度向下30°.每排布置13根，拱頂間距1 000 mm，幫部間距800 mm，錨桿排距為1 000 mm.

2) 錨索：錨索鋼絞線應用1860級(d17.8 mm)左捻低松弛鋼絞線，每根長度為5.0 m，錨固長度1 000 mm. 錨索排距2 000 mm，每排布置5根，拱頂3根，間距2 200 mm， 垂直巷道表面布置；兩幫2根，距底板1 200 mm，垂直巷道打設；錨索預緊力250 kN.

3) 混凝土：噴射混凝土標號(150 kg/cm2)，水灰比(0.45)，配合比(1∶1)，骨料的使用必須達到以下標準：5～10 mm粒徑和2～5 mm粒徑的顆粒比例各占骨料的50%. 噴射混凝土厚度100 mm.

圖6 巷道支護圖

4.2 巷道圍巖變形數值分析

對于興安礦區(qū)深部巷道出現的大變形問題，采用彈塑性小變形數值模擬計算方法已經不再適用，甚至會得出錯誤的結論，給工程及實驗帶來不利的影響。為此，采用了FLAC3D數值模擬軟件。

巷道巖體的原巖應力狀態(tài)是有限元分析的一個重要初始條件，該次模擬對3#測點所在巷道，即三水平南邊界石門巷道進行模擬。力學計算模型上邊界所受的豎向荷載取實測豎向應力，約為13.9 MPa；計算模型的水平方向的構造應力以外荷載的形式作用于左右兩邊界，垂直巷道走向方向的力約為5.16 MPa.

該礦區(qū)工作面標高-287.2 m，地面標高+276.3 m，埋深563.5 m. 巖性：細砂巖，巷道方位角：90°. 煤層產狀：該巷道開門點位于33層煤底板中，現已施工穿過23層煤，即將揭穿22層煤，22層煤預計煤厚1 m左右，傾角29°，半光亮型氣煤，硬度中等。建立工程地質模型如下：在確定計算模型時，本構模型采用mo-hr準則。計算模型的幾何尺寸為：寬20 m×高20 m×長15 m.

將計算模型劃分為17 478個單元，19 513個節(jié)點。工程地質模型見圖7.

圖7 開挖后工程地質模型圖

無支護與支護后的數值模擬效果見圖8.

圖8 計算結果模型圖

由圖8a)、b)、c)可見，巷道在未支護時變形量極大，導致應力向深部移動，部分位置存在強烈的應力集中現象。未支護時底板存在較大范圍的壓應力區(qū)，容易導致底板沿垂直向開裂破壞成碎塊巖體；頂板基本處于水平壓應力區(qū)，應該注意防范頂板圍巖在擠壓作用下發(fā)生冒頂事故；在兩幫上，水平應力理論上為零，但是因為變形量太大，導致應力集中。巷道四周均處在豎向受壓狀態(tài)，其中巷道兩側豎向壓應力最大。起拱處有明顯的壓應力集中區(qū)域，應該注意兩幫起拱點的側向擠出。支護后應力條件得到顯著改善，不但水平應力、垂直剪應力的最大值降低，應力集中現象也得到極大緩解。

由圖8d)、8e)可見，未支護前，巷道變形量極大，兩幫水平位移最大達到350 mm,頂板豎直位移有730 mm，底鼓約82 mm,變形量極大。巷道采用錨噴支護后，最終巷道底鼓變形約20 mm，頂板下沉約150 mm，而巷道兩幫收縮較均勻，均在200 mm左右?？梢院苊黠@的分析出，錨噴支護在控制巷道圍巖變形破壞以及改善圍巖受力狀態(tài)發(fā)揮了很大作用。同時，數值模擬結果與實際巷道位移觀測結果處于同一量級，這一結果也一定程度上表明該次地應力測量是準確的。

5 結 論

1) 通過運用“點-面結合”分析法，即地質力學理論分析和現場原位測量相結合的方法，得出興安礦區(qū)最大主應力方向為近東西方向。

2) 利用空芯包體應力解除法，測量得到的最大主應力值及其方向為：四水平17層中部區(qū)二段總機道，最大主應力的方位角是113.07°，大小為30.10 MPa. 四水平北11層一二區(qū)二段總機道，最大主應力的方位角是69.16°，大小為32.72 MPa. 三水平南邊界石門，最大主應力的方位角是86.6°，大小為30.48 MPa，即3個測點的最大主應力方向為近東西走向。

3) 興安礦區(qū)3個測點的垂向應力分別為23.61 MPa、24.03 MPa、13.95 MPa，測試所得最大主應力分別為30.10 MPa、32.72 MPa、30.48 MPa，最大主應力分別為垂向應力的1.27、1.36、2.18倍，因此該礦區(qū)以水平構造應力為主導。

4) 通過實際觀測及數值模擬分析證明：在興安礦區(qū)深部巷道采用錨噴支護不僅在技術上可行，也可降低支護成本。

5) 采區(qū)巷道應盡量沿東西向布置，可有效減小構造應力對巷道的破壞作用，有利于巷道的穩(wěn)定與維護。