城郊礦深部延伸巷道圍巖松動圈實測及數(shù)值模擬

高家平 張勝軍 丁亞恒

(河南能源化工集團(tuán)永煤公司城郊煤礦，河南永城476600)

隨著我國東部華北型煤田淺部煤炭資源的逐漸減少，很多礦井逐漸轉(zhuǎn)向了深部延伸開采，為解決目前由淺部向深部延伸開采后圍巖變形破壞較嚴(yán)重的問題，關(guān)鍵是要準(zhǔn)確確定出采掘擾動后的巷道圍巖松動圈大小。在深部采掘過程中，圍巖松動圈是由于巷道開挖后圍巖應(yīng)力進(jìn)行二次分布，在巷道周圍一定范圍內(nèi)發(fā)生變形破壞而形成的［1-6］。其變形破壞特征決定了煤礦深部延伸巷道支護(hù)方式和圍巖穩(wěn)定性評價參數(shù)的選擇，在煤礦井巷工程中應(yīng)用較廣［7-10］。靖洪文等［11］將鉆孔圖像中的圍巖裂縫圓度指標(biāo)作為判斷圍巖松動圈的標(biāo)準(zhǔn)，并且在煤礦深井中獲得了成功的應(yīng)用;楊永杰等［12］從地質(zhì)雷達(dá)探測圍巖松動圈可行性的角度，提出應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測及圖像分析相結(jié)合的方法研究松動圈，指導(dǎo)了煤礦現(xiàn)場生產(chǎn);許國安［13］從非線性的角度開發(fā)了一套集松動圈預(yù)測與應(yīng)用于一體的智能系統(tǒng)，很好地指導(dǎo)了工程實踐。

上述研究從不同角度對深井巷道圍巖松動圈進(jìn)行了闡述，對現(xiàn)場工業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮了積極的指導(dǎo)作用。但在深部采掘過程中受“三高一擾動”的惡劣環(huán)境影響［14］，不同礦區(qū)地質(zhì)條件相差較大，因此上述研究成果的應(yīng)用又有其局限性。為此，以城郊礦深部二水平巷道圍巖支護(hù)及破壞特征為背景，在總結(jié)前人關(guān)于松動圈研究成果的基礎(chǔ)上，選取圍巖巷道的5個測站，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行實測，再結(jié)合數(shù)值模擬方法對松動圈實測結(jié)果進(jìn)行驗證，研究成果可為類似地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)參數(shù)選取、修改及圍巖穩(wěn)定性評價提供參考依據(jù)。

1 礦井概況及巷道圍巖破壞特征

城郊煤礦位于河南省永城市境內(nèi)，為永煤集團(tuán)開發(fā)建設(shè)的第3對大型現(xiàn)代化礦井，采用立井多水平上下山開采的開拓方式。目前開采的一水平(即－495 m水平)基本沿煤層布置，位于煤層頂板。隨著礦井生產(chǎn)能力的提高和服務(wù)年限增加，礦井的開采范圍不斷擴(kuò)大，礦井開采水平逐漸由一水平向二水平(即－800 m水平)過渡，主采煤層埋深最大將超過850 m。由于礦井地質(zhì)條件復(fù)雜及開采深度的增加，呈現(xiàn)巷道圍巖破碎，流變顯著，壓力顯現(xiàn)明顯等現(xiàn)象。特別是已施工的五采區(qū)2條下山，受斷層和埋深影響，地應(yīng)力較大，即使采用了錨網(wǎng)索和噴漿，甚至采用U29金屬棚等聯(lián)合支護(hù)，也不能保持巷道穩(wěn)定，巷道收斂變形仍持續(xù)增長，流變顯著，維護(hù)困難。

2 圍巖松動圈測試及分析

2.1 測試設(shè)備及原理

由于圍巖松動圈的最大厚度一般不超過3.0 m，要求探測的深度較小，而對精度要求較高，因此選用200～500 MHz的天線可同時滿足松動圈探測精度和深度的要求?？紤]到巷道內(nèi)部金屬物多，電磁干擾多，因此本次在城郊礦地質(zhì)雷達(dá)測試選擇天線中心頻率為250 MHz，時窗開到200 ns進(jìn)行探測，這樣即可滿足探測精度的要求。地質(zhì)雷達(dá)由主機、筆記本電腦和天線3部分組成，測試數(shù)據(jù)由筆記本電腦采集存入硬盤，數(shù)據(jù)處理采用分析軟件進(jìn)行，結(jié)果直觀清楚。其測試原理為:圍巖松動圈以圍巖破壞產(chǎn)生宏觀裂隙形成的物性界面為主要特征，在該范圍內(nèi)巖體為破裂松弛狀，通過地質(zhì)雷達(dá)沿巷道斷面一周進(jìn)行掃描，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)出的電磁波在圍巖松動圈中傳播時，波形呈雜亂無序狀態(tài)，無明顯同相軸;而當(dāng)電磁波經(jīng)過破裂松弛帶與非破壞區(qū)交界面(松動圈界面)時，兩側(cè)巖體松弛破壞程度差異較大，電磁波經(jīng)過該邊界時必然發(fā)生較強反射，因此根據(jù)反射波組的雷達(dá)圖像特征即可分析松動圈的大小。

2.2 測點布置與測試方法

針對井下巷道類型，選擇典型的巷道支護(hù)形式和巷道典型的破壞形式地段進(jìn)行圍巖松動圈的測試工作。本次共計布置了5個測站(如圖1)，獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 五采區(qū)－800 m水平圍巖松動圈實測測站布置Fig.1 The fifth station layout at －800 m horizontal surrounding rock loose circle

為了能夠探測正確的巷道圍巖松動圈范圍，分別在巷道頂板、兩幫及底板各布置具有代表性的探測點10個(見圖2)，測試順序是右?guī)汀绊敗髱汀装澹韵捎谂既灰蛩乜赡軒淼挠绊?。對每個探測點，實際并非探測1個點，而是探測測點附近沿巷道軸向方向4 m長的一段測線。沿著巷道軸向?qū)⒚織l測線的雷達(dá)圖像記錄下來，利用地質(zhì)雷達(dá)可以連續(xù)探測的特點，亦可將多條測線連續(xù)地記錄于1幅圖上，以便于將每段測線上雷達(dá)探測結(jié)果的最大值或平均值作為相應(yīng)測點的松動圈尺寸，為安全起見，本次結(jié)果均采用最大值。

圖2 圍巖松動圈測試斷面布置Fig.2 Testing section arrangement of surrounding rock loose circle 1～10—探測點號

在實際測試工作中，可結(jié)合巷道實際條件，沿巷道方向在頂、幫、底等不同部位，布設(shè)適當(dāng)?shù)目v向測線，以實現(xiàn)縱向?qū)Ρ龋瑥亩@得對巷道圍巖松動范圍的全面認(rèn)識。本次共布置了2個測試斷面和12條縱測線，部分測試斷面的雷達(dá)探測圖像見圖3。從反射波的連續(xù)性特點看，電磁波在正常衰減過程中因遇到較強的反射界面波幅驟增，之后迅速恢復(fù)正常變化規(guī)律。由于雷達(dá)剖面記錄圖記錄的是電磁波的反射回波信號，所以兩側(cè)介質(zhì)物性差異較大的界面將產(chǎn)生較強的反射信號而被雷達(dá)的接收天線拾取;同樣巷道圍巖破碎帶內(nèi)圍巖由松散體組合形式到巖體裂隙形式，均由許多雜亂無章的界面穿插其中，雷達(dá)接收到這些界面的反射回波信號不僅強度較弱(波幅小)，而且雜亂無序、同相軸不連續(xù)。上述2個特征足以用來準(zhǔn)確解釋出松動圈厚度。

圖3 圍巖松動圈地質(zhì)雷達(dá)探測圖像Fig.3 The geological radar image of surrounding rock loose circle

2.3 測試結(jié)果分析與討論

表1為二水平5個測站圍巖松動圈厚度特征值，根據(jù)圖3及表1中的探測結(jié)果分析可知，各橫向測試斷面圍巖破壞特征差異較大，既有相對完好圍巖，又有松散破碎較嚴(yán)重的?？v向測線的探測情況表明，在巷道不同斷面位置，圍巖松動范圍差異較大。這種差異與地質(zhì)條件和礦上壓力密切相關(guān)，此外也受巷道的傾角、斷面尺寸、與周圍巷道關(guān)系等因素的影響。

表1 松動圈厚度特征值Table 1 The thickness eigenvalue of the loose circle

綜合各測站分析，各測站圍巖破壞特征基本一致。從整體上來看，在不同測站處圍巖松動圈大小相差很大，松動圈厚度分布在1.4～2.8 m，其中－800 m泵房松動圈最小，軌道下山在770～840 m處松動圈厚度最大。

根據(jù)巷道圍巖松動圈分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合表1可知，巷道圍巖松動范圍大，屬于大松動圈Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖，而且巷道頂板局部比較松散、破碎，易冒落，圍巖變形時間長，支護(hù)不成功時底鼓也將很嚴(yán)重?；谝陨戏治?，根據(jù)巷道圍巖松動圈分類標(biāo)準(zhǔn)可知，－800 m 2條下山及－800 m水平巷道的圍巖類型屬于大松動圈圍巖，合理的支護(hù)應(yīng)有一定的可縮性。

3 巷道圍巖松動圈數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

為了進(jìn)一步確定錨網(wǎng)索、噴漿及U29金屬棚等聯(lián)合支護(hù)條件下的巷道圍巖松動圈厚度，根據(jù)巷道所處的地質(zhì)條件，建立巷道平面應(yīng)變力學(xué)模型，模型高度40 m，寬度取46 m，模擬范圍為46 m×40 m。模型兩側(cè)面為滑動支承，底部為固定支承，上部為應(yīng)力邊界。模型劃分6 400個單元，8 500個網(wǎng)格結(jié)點，放射性網(wǎng)格，地質(zhì)力學(xué)模型如圖4所示。

3.2 巷道開挖圍巖位移變形規(guī)律分析

巷道開挖的特點是邊開挖邊支護(hù)，因此巷道頂?shù)装逦灰埔彩请S著開挖—支護(hù)—開挖這個循環(huán)在不斷地變化。選取圍巖從表面至深部的位移值作為縱坐標(biāo)(在巷道0～6 m的深度范圍內(nèi)，每隔1 m取1個監(jiān)測點)，計算時步作為橫坐標(biāo)，觀察隨著開挖和支護(hù)的進(jìn)行圍巖頂、底板及左幫的位移變化，位移－計算時步曲線見圖5。

圖4 地質(zhì)力學(xué)模型Fig.4 Schematic diagram of geo-mechanics model

圖5 巷道圍巖頂?shù)装逦灰谱兓€Fig.5 The displacement curve of roof and floor of roadway surrounding rock

圖5(a)是頂板的位移數(shù)值隨時間的變化規(guī)律曲線圖。從圖中得知:頂板的主要位移變化規(guī)律呈現(xiàn)3個階段，即快速變化、平緩變化以及最后保持穩(wěn)定。在快速變形階段，由于巷道剛開挖，圍巖體內(nèi)不平衡力相對較大，應(yīng)力得以釋放，其結(jié)果表現(xiàn)在圍巖位移變化上，出現(xiàn)位移變化速率較大的現(xiàn)象，并在短時間內(nèi)引起了快速變形;在平緩變形階段，在經(jīng)過第一階段的應(yīng)力釋放后，圍巖不平衡力相對減小，應(yīng)力雖然得以重新分布，但由于巖層裂隙仍然在發(fā)展、巖塊也在轉(zhuǎn)動或相互咬合，圍巖位移值繼續(xù)增大，但相比第一階段，速率明顯減小;穩(wěn)定階段，整個巷道開挖到一定時間，不平衡力已經(jīng)非常小，圍巖應(yīng)力重新分布基本完成，整個圍巖處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。圖5(b)是底板位移隨時間變化的規(guī)律曲線圖。由于底板并未進(jìn)行任何支護(hù)，所以其變形量遠(yuǎn)大于頂板的變形量。底板在巷道開挖后，應(yīng)力快速釋放，底板發(fā)生底鼓變形現(xiàn)象，同時也迅速地達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。另外，結(jié)合圖5(a)和圖5(b)還可以看出，在距巷道頂?shù)装?.0 m處測點圍巖位移較小，且與6.0 m處測點位移相差不大，因此可以判斷圍巖松動圈厚度在2.0～3.0 m。

圖5(c)顯示了左幫各個測點位移隨運算時間的變化曲線。圖中的計算時步雖然不是物理時間，但這個時間單位可以反映巖石破壞的相對速度和過程。從圖中可以看出，圍巖位移在經(jīng)歷500多時步的快速增長后就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，沒有類似于頂板下沉的3個階段，僅僅是由快速變形階段和穩(wěn)定階段組成。并且從圖中可知，巷道幫部的表面位移要遠(yuǎn)大于內(nèi)部位移，深部位移變化基本相同。此外還可以看出，圍巖的松動圈厚度在2.0～3.0 m，超過3 m后的圍巖基本不發(fā)生變形。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，城郊礦深部軟巖巷道的圍巖松動圈厚度介于2.0～3.0 m;而地質(zhì)雷達(dá)的實測結(jié)果在1.4～2.8 m;綜合數(shù)值模擬及地質(zhì)雷達(dá)實測結(jié)果選取城郊礦深部二水平軟巖巷道的松動圈厚度介于1.4～3.0 m更為可取。為此，在這類大松動圈圍巖中施工巷道，應(yīng)提高支護(hù)的主動性和強度，采用組合拱設(shè)計理論可以有效地進(jìn)行支護(hù)，并注意封底，同時需要加強施工監(jiān)測。

4 結(jié)論

(1)城郊礦二水平5個測站的圍巖松動圈的橫向測試斷面圍巖破壞特征差異較大，既有相對完好圍巖，又有松散破碎較嚴(yán)重的?？v向測線上巷道不同斷面位置，圍巖松動范圍差異較大，這種差異與地質(zhì)條件和礦山壓力密切相關(guān)。

(2)各測站圍巖破壞特征基本一致，但在不同測站處圍巖松動圈厚度相差較大，松動圈厚度分布在1.4～2.8 m，其中－800 m水泵房松動圈最小，軌道下山在770～840 m處松動圈厚度最大。

(3)城郊礦二水平巷道圍巖松動范圍大，屬于大松動圈Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖，而且巷道頂板局部比較松散、破碎，易冒落，圍巖變形時間長，支護(hù)不成功時底鼓也將很嚴(yán)重。

(4)綜合數(shù)值模擬及地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果選取城郊礦深部軟巖巷道的松動圈范圍介于1.4～3.0 m。且在這類大松動圈圍巖中施工巷道，應(yīng)提高支護(hù)的主動性和強度，采用組合拱設(shè)計理論可以有效地進(jìn)行支護(hù)，并注意封底，同時需要加強施工監(jiān)測。

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