巷道圍巖破壞機理研究范文
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《煤礦開采雜志》2014年第三期
1構(gòu)造應(yīng)力場中巷道周邊應(yīng)力分布與變形分析
構(gòu)造應(yīng)力場對巷道變形破壞的主要影響體現(xiàn)在側(cè)壓系數(shù)、巖石內(nèi)摩擦角、巖體黏聚力3個方面，為簡化計算過程，建立統(tǒng)一的計算模型，埋深選取800m，對各個影響因素依次分析。其中，巷道斷面選擇矩形(寬4m，高3.5m)，模型參數(shù)選取以海石灣礦6113工作面下運輸巷為依據(jù):直接頂為6m的泥灰?guī)r，基本頂為10m的粉砂巖，直接底為4m的油頁巖，基本底為4.9m的粉砂巖。模型大小為60m×30m×60m，模型x方向施加水平約束，y方向施加約束，z方向只約束模型下部。模擬巷道開挖后無支護情況下的塑性區(qū)分布、應(yīng)力分布、頂?shù)装逦灰埔约捌渌绊懴锏雷冃纹茐牡南嚓P(guān)因素。表1為模擬巖層巖石力學(xué)基本參數(shù)。
1.1巷道圍巖塑性區(qū)分布及變形特征為詳細分析側(cè)壓系數(shù)對巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的影響，分別選取λ=span{1.0，2.0，3.0，3.5}進行分析比較。計算模型和圍巖力學(xué)參數(shù)與表1保持一致。分別模擬不同側(cè)壓系數(shù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)范圍和巷道圍巖變形規(guī)律。圖2為不同側(cè)壓系數(shù)部分巷道圍巖塑性區(qū)分布。由圖2可以看出:(1)側(cè)壓系數(shù)λ=1時，即垂直應(yīng)力等于水平應(yīng)力條件下，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷乃苄詤^(qū)呈均勻?qū)ΨQ分布。(2)側(cè)壓系數(shù)在1＜λ≤3之間，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道塑性區(qū)范圍逐漸擴大，且表現(xiàn)出相對的一致性，頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍基本呈現(xiàn)出對稱分布的特征，此時巷道周邊只有壓應(yīng)力沒有拉應(yīng)力，在實際破壞過程中主要體現(xiàn)為剪切破壞而不出現(xiàn)拉伸破壞。在初始地應(yīng)力場中，圍巖處于三向平衡的應(yīng)力狀態(tài)，隨著巷道開挖，原有的應(yīng)力環(huán)境遭到破壞，為保證巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，需要通過施加一定的支護阻力平衡二次應(yīng)力和巖體強度之間的差值。(3)當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ＞3之后，塑性區(qū)范圍急速擴展，向深部巖層轉(zhuǎn)移，此時兩幫塑性區(qū)范圍相對有所減小。巷道周邊不僅存在壓應(yīng)力還存在拉應(yīng)力，在實際破壞過程中可能出現(xiàn)拉伸破壞。(4)巷道塑性區(qū)范圍與側(cè)壓系數(shù)表現(xiàn)出明顯的敏感性，較小的側(cè)壓系數(shù)變化范圍對塑性區(qū)擴散起到重要的影響作用。圖3為不同側(cè)壓系數(shù)巷道表面位移關(guān)系圖。從圖3可以看出:(1)隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道兩幫移近量呈現(xiàn)增加的趨勢，在側(cè)壓系數(shù)較小(1＜λ≤3)時，兩幫移近量變形速率相對較小，側(cè)壓系數(shù)較大時(λ＞3)時，兩幫移近速率急劇增加，巷道兩幫向巷道內(nèi)側(cè)鼓出，表現(xiàn)在現(xiàn)場則為片幫或者支護結(jié)構(gòu)的破壞。(2)隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，頂板下沉量有所減少，分析原因主要是由于側(cè)壓系數(shù)增加，側(cè)向壓力促使頂板應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，同比條件下減少了巷道頂板的下沉量。(3)隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道底鼓量呈現(xiàn)增大趨勢，分析原因可以認為向深部轉(zhuǎn)移的應(yīng)力促使巷道表面應(yīng)力集中，從而在兩幫和底板自由面處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致底板變形速率增大。
1.2不同內(nèi)摩擦角下巷道周邊應(yīng)力與塑性區(qū)分布內(nèi)摩擦角對巷道變形破壞的影響主要是通過圍巖自身力學(xué)條件的改變而產(chǎn)生變化，為了進一步分析內(nèi)摩擦角在巷道圍巖穩(wěn)定過程中所起的作用，分別選取φ=span{24°，30°，35°，40°}，計算模型和圍巖力學(xué)參數(shù)與表1保持一致，研究不同內(nèi)摩擦角條件下巷道變形破壞特征和變形機理。圖4為不同內(nèi)摩擦角條件下部分塑性區(qū)分布。由圖4可以看出:圖4不同內(nèi)摩擦角條件下塑性區(qū)分布(1)隨著內(nèi)摩擦角φ的增大，巷道圍巖塑性區(qū)的范圍呈現(xiàn)不斷縮小的趨勢，基本呈現(xiàn)出以巷道中心線為對稱軸的分布形態(tài)。(2)隨著內(nèi)摩擦角φ的增大，巷道兩幫圍巖塑性區(qū)變化比較明顯，而頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)雖然隨著內(nèi)摩擦角的增大呈減小的趨勢，但是減小的值不是十分顯著。(3)隨著內(nèi)摩擦角φ的變化，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃纹茐男问桨l(fā)生變化。當(dāng)24°＜φ≤30°時，巷道頂?shù)装逡岳炱茐臑橹鳎瑑蓭鸵约羟衅茐臑橹鳌＝Y(jié)果表明在較小的內(nèi)摩擦角條件下，兩幫塑性區(qū)擴展以剪切破壞為主，在實際支護設(shè)計過程中應(yīng)該重點分析考慮，采取一定的措施防止或抑制這種破壞形式的出現(xiàn)。當(dāng)30°＜φ≤40°時，巷道頂板和兩幫的變形機理沒有發(fā)生較大的變化，但是底板由原來的拉伸破壞變?yōu)槔炱茐暮图羟衅茐牡墓餐饔谩Ｕf明隨著內(nèi)摩擦角的增大，圍巖的力學(xué)性能得到了較大提高。(4)隨著內(nèi)摩擦角φ的增大，巷道圍巖塑性區(qū)由原來的“倒三角形”分布發(fā)展為“正三角形”，即巷道圍巖塑性區(qū)的擴展由原來的兩幫及底板較大范圍變化為頂板塑性區(qū)范圍較大的形式。(5)隨著內(nèi)摩擦角φ的增大，在一定取值范圍內(nèi)，巷道圍巖塑性區(qū)變化與內(nèi)摩擦角的取值存在著負相關(guān)性，但當(dāng)角度增大到一定值的時候，塑性區(qū)的變化將不再明顯，包括頂?shù)装搴蛢蓭汀?/p>
1.3不同黏聚力條件下塑性區(qū)分布特征為研究不同黏聚力條件下巷道變形破壞特征，分別選取黏聚力C=span{1.0，2.0，3.0，5.0}，計算模型和圍巖力學(xué)參數(shù)與表1保持一致，對塑性區(qū)分布特征展開研究。圖5為不同黏聚力條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布。由圖5可知，不同黏聚力條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布具有如下基本特征:(1)巷道圍巖塑性區(qū)的分布呈現(xiàn)出以巷道中心線為中心分布的軸對稱形式。(2)巷道圍巖塑性區(qū)的分布范圍隨著黏聚力的增大而呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且減小的幅度相對較大。巷道圍巖塑性區(qū)遞減趨勢明顯強于底板，最大時為50%左右。隨著黏聚力的增大，巷道底板塑性區(qū)的深度范圍沒有明顯的變化，僅表現(xiàn)出寬度方向上的縮小，且縮小幅度在20%左右。(3)巷道圍巖塑性區(qū)分布形狀表現(xiàn)出一定的差異性。由“倒錐形”逐步發(fā)展為“底錐形”。隨著黏聚力C的增大，巷道圍巖塑性區(qū)范圍的變化由最初的敏感的正相關(guān)逐漸過渡為不明顯。在2.0MPa＜C≤5.0MPa范圍內(nèi)，隨著黏聚力的增大，塑性區(qū)范圍基本在50%的變化范圍之內(nèi);當(dāng)C＞5.0MPa時，隨著黏聚力的增大，塑性區(qū)范圍本處于緩慢減小的狀態(tài)。
2工程實踐
2.1工程地應(yīng)力測試結(jié)果海石灣礦煤1層為油頁巖，平均埋深800m，傾角在8～14°，平均傾角10°。根據(jù)海石灣礦水壓致裂測試結(jié)果［5－6］，側(cè)壓系數(shù)在1.2～1.5之間，水平地應(yīng)力明顯大于垂直應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力場的影響強于自重應(yīng)力場。根據(jù)巖石力學(xué)實驗室性能測試，內(nèi)摩擦角為24°，黏聚力1.45MPa。
2.2構(gòu)造應(yīng)力場中巷道變形破壞分析由于水平應(yīng)力明顯大于垂直應(yīng)力，在巷道開挖初期出現(xiàn)顯著的變形破壞。圍巖變形量一直處于持續(xù)增加的狀態(tài)。部分巷道在掘進半年后兩幫移近量和頂板下沉量依然保持在140mm，260mm，為保證正常的安全生產(chǎn)需要，巷道在整個使用周期內(nèi)多次翻修。由于側(cè)壓系數(shù)較大，加之圍巖力學(xué)性質(zhì)較差，采用直徑22mm長2400mm的HRB335預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿+碟形錳板托盤+高強螺母，配合直徑18.9mm長8300mm的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索補強支護代替原有螺紋鋼錨桿，開發(fā)“多孔循環(huán)注漿，深淺孔結(jié)合”的注漿工藝(如圖6所示排距按2400mm，1600mm交替布置)，通過分階段深淺孔結(jié)合的方式提高圍巖的內(nèi)摩擦角和黏聚力，有效地控制了巷道兩幫和頂?shù)装宓淖冃危锏纼蓭妥冃慰刂圃?5mm，頂?shù)装逡平刂圃?0mm。
3結(jié)論
(1)巷道塑性區(qū)范圍與側(cè)壓系數(shù)表現(xiàn)出明顯的敏感性，較小的側(cè)壓系數(shù)變化范圍對塑性區(qū)擴散起到重要的影響作用。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道兩幫移近量呈現(xiàn)正比增加的趨勢。(2)巷道圍巖內(nèi)摩擦角存在一個相對的臨界點(30°≤φ≤35°)，在小于這個臨界角度時，巷道圍巖塑性區(qū)隨之減小，當(dāng)大于這個角度時，圍巖塑性區(qū)的變化基本不明顯。(3)當(dāng)黏聚力增大到一定程度(C=5.0MPa)時，巷道圍巖塑性區(qū)的變化將保持在一個相對穩(wěn)定的水平。(4)海石灣礦6113工作面下運輸巷的支護設(shè)計說明“高強讓壓”和“多孔循環(huán)注漿，深淺孔結(jié)合”的注漿工藝可以有效地控制巷道變形，保證構(gòu)造應(yīng)力場中巷道圍巖穩(wěn)定。
作者：趙紅超張東升劉洪林呂金星DAOVIETDOAN溫穎遠單位：新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室越南河內(nèi)礦業(yè)地質(zhì)大學(xué)