徐瑞御

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000)

巷道是地下采礦項目中地面到采區(qū)的通道，起到礦體運輸、礦區(qū)通風(fēng)、排水以及動力供應(yīng)等作用。由于以煤炭消費為主體的能源結(jié)構(gòu)在中國占據(jù)大部分市場。因此，礦井的開采規(guī)模呈現(xiàn)出逐年增大的發(fā)展趨勢，對礦體的開采強(qiáng)度也在不斷提高。在多次采動影響下，煤礦巷道的平衡受力模式逐漸受到破壞，煤礦巷道出現(xiàn)了明顯的變形，進(jìn)而導(dǎo)致巷道圍巖長時間持續(xù)流變，且變形量較大，增加了煤礦開采項目的運行風(fēng)險[1-2]。在采礦深度逐步加深的情況下，巷道圍巖變形已經(jīng)表現(xiàn)出傳統(tǒng)方法無法控制的趨勢。因此，在煤礦巷道長期持續(xù)性流變的情況下，對煤礦開采技術(shù)提出了更高的要求。從一定程度來講，煤礦巷道變形問題，是煤礦建設(shè)與開采工程中最為迫切解決的問題。

動力失穩(wěn)下圍巖動態(tài)過程的最終結(jié)果是圍巖劇烈變形，導(dǎo)致原本的支護(hù)體系遭受破壞。若不及時修補(bǔ)支護(hù)系統(tǒng)，計算合理的支護(hù)參數(shù)，即使消耗大量的人力和物力也達(dá)不到預(yù)期的鞏固效果。從現(xiàn)階段的發(fā)展情況來看，現(xiàn)有的特征分析方法存在分析不全面、準(zhǔn)確度不高的情況，無法為支護(hù)參數(shù)的計算提供有效的參考，進(jìn)而影響圍巖松動的最終支護(hù)效果。為了解決上述現(xiàn)有方法存在的問題，分別從圍巖松動特征變形分析和支護(hù)參數(shù)計算2個方面進(jìn)行研究，以期最終能夠?qū)崿F(xiàn)提高圍巖支護(hù)效果，提升煤礦巷道穩(wěn)定性的目的。

1 圍巖松動變形特征

1.1 煤礦巷道圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測

分別從煤礦巷道圍巖礦物成分、圍巖層次結(jié)構(gòu)以及圍巖裂縫3個方面，探測煤礦巷道圍巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。巖性是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素之一。當(dāng)巷道在比較穩(wěn)定的巖層，無論是否受動壓的影響，巷道一般都處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，否則巷道極易受到動壓影響，而發(fā)生變形破壞[3]。采用X射線衍射儀設(shè)備來鑒定巷道圍巖巖石中的礦物成分，對于巖石中含量較少的礦物成本進(jìn)行準(zhǔn)確分析。為了解圍巖內(nèi)部松散破壞情況，合理確定圍巖松動破壞范圍，尤其是與支護(hù)的相互作用。利用鉆孔巖結(jié)構(gòu)探測技術(shù)對采動巷道圍巖狀況進(jìn)行現(xiàn)場測量。依據(jù)巷道圍巖與采煤工作面的相對關(guān)系，選取3個斷面布置具體的圍巖探測點(圖1)。

圖1 煤礦巷道圍巖斷面測點分布Fig.1 Distribution of measuring points of surrounding rock section of coal mine roadway

采動裂隙伴隨煤層開采活動而產(chǎn)生的覆巖移動、破碎等現(xiàn)象。巷道自開挖后，受采動和巖層移動等因素的影響，導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展直至貫通，圍巖破壞程度不斷加劇[4-6]。其中，裂縫是圍巖松動變形的直觀體現(xiàn)方式之一，具體體現(xiàn)在裂縫方位、密度、傾角、貫通度、開度、填充類型等方面。以巖縫統(tǒng)計寬度為例，利用硬件設(shè)備可以直接得出不同深度的圍巖裂縫寬度測試結(jié)果，并將巷道圍巖裂縫寬度的統(tǒng)計結(jié)果以圖解形式輸出。綜上所述，得出煤礦巷道圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測結(jié)果。

1.2 影響動壓巷道圍巖變形因素

除煤礦巷道圍巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)外，巷道埋深、地應(yīng)力、地下水等因素均會對巷道圍巖的變形產(chǎn)生不同程度的影響。其中，地應(yīng)力與巷道埋深成正比關(guān)系，巖體埋藏深度的大小決定其力學(xué)性質(zhì)，隨埋深的增加，由硬巖性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檐泿r性質(zhì)。淺埋巷道圍巖應(yīng)力多為彈性態(tài)，深埋巷道處于高應(yīng)力水平環(huán)境下，巷道與圍巖低強(qiáng)度矛盾加劇，巷道開挖、圍巖應(yīng)力在圍巖中重新分布，使圍巖表面產(chǎn)生壓剪應(yīng)力，數(shù)值往往大于圍巖強(qiáng)度，而淺表圍巖則是首先進(jìn)入塑性擴(kuò)容和破裂的狀態(tài)，造成圍巖失穩(wěn)[7]。上覆巖層的自重壓力對任何地下工程都會產(chǎn)生影響，上覆巖層的自重壓力與巷道埋深呈近似直線關(guān)系。因此，巷道埋深越大，巷道圍巖壓力也越大。在沒有其他外部條件影響的情況下，巷道所受圍巖壓力分布均勻，此時直接巷道圍巖最薄弱的部位受到的破壞程度最大，如直墻拱巷道直墻角位置和混凝土噴層最薄位置。

覆巖層自重應(yīng)力和巷道頂壓密集度隨著巷道埋深的增加而增大，深埋巷道自重應(yīng)力水平越高，其自重應(yīng)力就會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載偏大，甚至超過了其極限承載力，導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)失效，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。同理也可以得出其他影響因素對圍巖松動的影響作用機(jī)理。

1.3 煤礦巷道圍巖動力失穩(wěn)模型

綜合考慮多個圍巖松動影響因素，在巷道開挖前，原地應(yīng)力系統(tǒng)平衡穩(wěn)定，開挖后巷道圍巖由三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定二向受力狀態(tài)。挖出后自由面一側(cè)原有的平衡力系被破壞，原來處于壓縮狀態(tài)的巖體會在自由面的一側(cè)受到擠壓而膨脹，為了達(dá)到新的平衡，各質(zhì)點開始產(chǎn)生位移調(diào)整，當(dāng)圍巖變形終止穩(wěn)定時，其內(nèi)部的應(yīng)力就是再分布的應(yīng)力[8-9]。煤炭開采過程產(chǎn)生的動載包括2個方面：采掘工程實施過程本身所產(chǎn)生的動載以及煤巖體對采掘工程的集中應(yīng)力反映，煤礦開采時具體產(chǎn)生的動力情況如圖2所示。

圖2 煤礦開采產(chǎn)生的動力示意Fig.2 Schematic diagram of power generated by coal mining

從圖2中可以看出，影響圍巖穩(wěn)定性的應(yīng)力波可以分為縱波和橫波2種類型，縱波又稱為P波，橫波又稱為S波，統(tǒng)稱體波，區(qū)別在于它們分別有體積變形產(chǎn)生和切變產(chǎn)生?？v波傳播速度大于橫波，在縱波和橫波傳播路徑上煤巖分別發(fā)生膨脹、壓縮和質(zhì)點振動。在離震源較近的地方，巖體的力學(xué)效應(yīng)最明顯，隨傳播距離的增加，波速和強(qiáng)度呈指數(shù)衰減，利用微震傳感器可以捕捉到微震引起的沖擊振動[10]。為了方便計算和分析，假設(shè)應(yīng)力波傳播時的煤巖體為各向同性彈性體，在某一質(zhì)點上由于振動應(yīng)力波的作用而產(chǎn)生的動荷載為：

(1)

式中，σdP和σdS為采礦動作在橫縱2個方向上產(chǎn)生的動載；vP、vS、(vPP)P和(vPP)S分別為P和S波的傳播速度及其峰值;ρ為巷道圍巖密度。

假設(shè)巷道位置深度大于軟化臨界深度，巷道將從外部開始先發(fā)生變形破壞，主應(yīng)力集中分布逐漸向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，圍巖出現(xiàn)4個區(qū)域，如圖3所示。圖3從內(nèi)向外依次為殘余變形區(qū)、應(yīng)變軟化區(qū)、塑性變形區(qū)、彈性變形區(qū)，形成圍巖松動圈。

1.4 煤礦巷道動力失穩(wěn)下圍巖松動變形特征

在建立的煤礦巷道圍巖動力失穩(wěn)模型下，根據(jù)應(yīng)力變化規(guī)律和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系分析，針對圍巖劃分的各個區(qū)域分別得到變形特征分析結(jié)果[11-13]。煤礦巷道動力失穩(wěn)下圍巖應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系如圖4所示。

圖3 煤礦巷道圍巖應(yīng)力分區(qū)Fig.3 Surrounding rock stress zoning of coal mine roadway

圖4 圍巖應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress-strain curve of surrounding rock

一般說來，巷道圍巖松動要經(jīng)歷3個階段，第1階段是巖石圍巖的密實期和彈性變形期，此時應(yīng)力由0增加到σ1，由于巖石圍巖本身部分節(jié)理缺陷，在加載初期這些微裂紋首先擠壓密實，然后進(jìn)入彈性階段。隨著應(yīng)力的不斷增大，原來的微裂紋開始從閉合到張裂擴(kuò)展，并形成新的裂紋。在應(yīng)力水平達(dá)到巖石圍巖峰值應(yīng)力的30%～50%的情況下，圍巖最外側(cè)區(qū)域和新生裂紋開始迅速發(fā)展并擴(kuò)展，導(dǎo)致巖體的局部彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)變，形成小范圍的塑性區(qū)。其次是巖石圍巖的累進(jìn)破裂階段[14-15]。這個階段就是應(yīng)力從σ1增加到σ2時的階段。在該階段，由于圍巖不能抵抗較高的載荷，其內(nèi)部又產(chǎn)生大量新裂紋，微裂紋從隱形到明顯，由一條逐漸變多條，并且原有的一些原始孔隙及已開裂的裂紋繼續(xù)擴(kuò)展并相互貫通，導(dǎo)致巖塊內(nèi)的塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，破壞進(jìn)一步加劇和明顯。在應(yīng)力為峰值應(yīng)力σ2的70%～80%時，圍巖發(fā)生了明顯的擴(kuò)容現(xiàn)象。最終進(jìn)入軟化屈服階段，巖石圍巖破裂。接近破壞時，巖面上出現(xiàn)了較多的明顯貫通裂紋，形成了微裂紋密集帶，其內(nèi)部裂隙的數(shù)量、面積逐漸增大和增大[16-18]。當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度時，周圍巖塊大多凸出脫落，在環(huán)箍效應(yīng)的作用下，最終形成松動塌落型、擠壓流動型、膨脹型3種類型的破壞形態(tài)，并標(biāo)記不同類型圍巖松動的變形量和變形方向，實現(xiàn)圍巖松動變形特征的量化輸出。

2 煤礦巷道動力失穩(wěn)下圍巖支護(hù)參數(shù)分析

針對松動的煤礦巷道圍巖，根據(jù)其松動變形特征的提取結(jié)果，選擇合適的支護(hù)方式，并計算具體的支護(hù)參數(shù)。

2.1 煤礦巷道動力失穩(wěn)下圍巖支護(hù)方式

根據(jù)圍巖的內(nèi)部組成類型以及變形程度，選擇不同的支護(hù)方式，具體的支護(hù)方式選擇標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 圍巖松動支護(hù)方式Tab.1 Description of loose supporting mode of surrounding rock

以表1中的錨桿局部支護(hù)方式為例，設(shè)置的錨桿對斷裂塊體進(jìn)行重新組織，提高節(jié)理裂隙間的摩擦力來阻止塊體的轉(zhuǎn)動和滑動，形成具有一定承載能力的錨固承載層[19]。同理可以得出其他支護(hù)方式的基本作用原理，并結(jié)合圍巖變形特征選擇合適的支護(hù)方式。

2.2 煤礦巷道動力失穩(wěn)下圍巖支護(hù)參數(shù)分析

在錨桿局部支護(hù)方案中，需要計算的支護(hù)參數(shù)包括錨固長度、錨桿直徑、錨桿間排距和錨桿組合拱厚度，其中錨固長度的計算公式：

(2)

式中，r、R、d和l分別為鉆孔半徑、錨固劑半徑、錨桿直徑和錨固卷長度。

錨桿直徑反映的是錨桿的粗細(xì)程度，其參數(shù)取值為：

(3)

式中，Q和σω分別為錨桿桿體的承載力和錨固力。

錨桿間排距由錨桿失效時所承擔(dān)的巖層質(zhì)量決定。每行設(shè)一根錨索，其計算公式為：

(4)

式中，ψ為煤礦巷道寬度及其巖層體積質(zhì)量；k為安全系數(shù);[σa]為單根錨桿的極限破斷力。

在錨桿組合拱支護(hù)方式中，除上述參數(shù)外還需要計算錨桿組合拱厚度，具體的計算公式：

b=l-arctanSa

(5)

另外在噴混凝土支護(hù)方案中，噴層厚度主要依據(jù)工程類比法確定，且噴層厚度的計算需要考慮實際巖層的硬度等多種情況[20]。同理可以得出不同支護(hù)方式下其他支護(hù)參數(shù)的取值結(jié)果，并將其應(yīng)用到煤礦巷道動力失穩(wěn)下圍巖松動變形的支護(hù)修復(fù)工作中，以保證圍巖的支護(hù)效果。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模擬指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計變形特征分析方法以及支護(hù)參數(shù)計算方法的最終設(shè)計目的，針對煤礦巷道圍巖的支護(hù)效果，分別從變形程度和裂縫2個方面進(jìn)行測試。其中變形程度的測試指標(biāo)為水平變形量和豎直沉降量，其數(shù)值結(jié)果可以表示為：

(6)

式中,(xi0，yi0)和(xi，yi)分別為實驗前后圍巖各個位置的坐標(biāo)。而圍巖裂縫的量化測試指標(biāo)為裂縫數(shù)量和裂縫寬度，其中裂縫數(shù)量可以通過觀察與記錄直接得出，而裂縫寬度則需要使用測量儀器，通過對輸出數(shù)據(jù)的讀取，得出最終的裂縫參數(shù)測試結(jié)果。

3.2 模擬結(jié)果

將模擬過程分為煤礦巷道開挖、圍巖支護(hù)、應(yīng)力加載等多個步驟。首先在煤礦巷道內(nèi)以8 m/d的平均掘進(jìn)速度執(zhí)行煤礦開采任務(wù)，利用時間和幾何相似比確定巷道開挖進(jìn)度為0.11 cm/min。煤礦巷道圍巖松動變形應(yīng)力特征分析結(jié)果如圖5所示。在這種情況下，對應(yīng)的圍巖松動變形特征分析結(jié)果，見表2。

圖5 煤礦巷道圍巖松動變形應(yīng)力特征分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of stress characteristics of loose deformation of surrounding rock of coal mine roadway

表2 圍巖松動變形特征數(shù)據(jù)Tab.2 Loose deformation characteristics of surrounding rock

結(jié)合表2輸出的松動變形特征輸出結(jié)果，選擇合適的支護(hù)方案并計算具體的支護(hù)參數(shù)。頂板錨桿長度為3 m，錨桿間排距為530 mm×530 mm，錨桿直徑為20 mm,組合拱厚度為400 mm，兩幫支護(hù)與原支護(hù)設(shè)計相同。具體支護(hù)效果如圖6所示。

圖6 圍巖松動變形支護(hù)效果Fig.6 Supporting effect of surrounding rock loosening and deformation

4 工程實例驗證

為了測試設(shè)計煤礦巷道動力失穩(wěn)下圍巖松動變形特征分析與支護(hù)參數(shù)計算方法在實際項目工程中的應(yīng)用效果，選擇某煤礦項目作為研究背景，針對其巷道以及圍巖進(jìn)行實例分析，并驗證設(shè)計方法的實際應(yīng)用優(yōu)勢。

4.1 工程概況

此次試驗選定I200919綜采工作面膠帶巷工程，巷道設(shè)計長度為4 612 m，埋深約360 m，斷面為直墻半圓拱，幫部高度為1.6 m，圓形拱半徑為2.6 m，底拱長度為5.2 m。采煤層的平均厚度為2.74 m，煤的傾角為1.0°～1.5°。煤的直接頂屬半堅硬巖類，基本頂屬軟弱巖類；直接底也是軟弱巖類，且水極易軟化膨脹，基本底屬半硬巖類。礦井下存在地下水，涌水量浮動范圍為114.20～200.00 m3/h，圍巖穩(wěn)定性總體評價為中等。從現(xiàn)階段的發(fā)展情況來看，該煤礦巷道圍巖受到礦體開采施工的影響，已經(jīng)出現(xiàn)局部變形，主要集中在巷道圍巖的底部，礦體接觸帶附近。圍巖設(shè)有錨網(wǎng)作為支護(hù)，但目前錨網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)明顯破損，破損位置主要集中在拱基線以下部位。

4.2 圍巖松動變形監(jiān)測點

通過圍巖松動變形監(jiān)測點的布設(shè)以及傳感器設(shè)備的安裝，實現(xiàn)對巷道圍巖各個位置應(yīng)力和移動位移的測試。圍巖松動探測孔布置情況如圖7所示。

圖7 圍巖松動測試位置布設(shè)Fig.7 Layout of surrounding rock loosening test position

除了圍巖松散測點外，每隔50 m設(shè)置1個巷道面位移測點，每段頂板、底板和兩幫中間分別布置1個測點。測量方法是將傳感器和桿件結(jié)合起來進(jìn)行測量。

4.3 監(jiān)測結(jié)果分析

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的讀取，得出支護(hù)前后煤礦巷道圍巖各個測點的位置測試結(jié)果，見表3。從表3中可以看出，通過支護(hù)，煤礦巷道圍巖在水平和豎直方向上的最大變形量分別為7.12、12.83 mm，具有良好的圍巖支護(hù)效果。

表3 巷道圍巖松動變形測試結(jié)果Tab.3 Test results of surrounding rock looseness and deformation of coal mine roadway mm

5 結(jié)語

煤礦巷道安全事故時有發(fā)生，究其原因多是由于巷道圍巖松動變形造成的，應(yīng)研究煤礦巷道動力失穩(wěn)下圍巖松動變形特征與支護(hù)參數(shù)，提高圍巖支護(hù)效果，并且精準(zhǔn)地監(jiān)測圍巖裂縫。應(yīng)用表明，設(shè)計的煤礦巷道動力失穩(wěn)下圍巖松動變形特征與支護(hù)參數(shù)計算方法在實際的工程項目中具有較高的應(yīng)用價值，能夠在一定程度上保證煤礦安全開采。