滑動構(gòu)造對煤層巷道圍巖的影響

盛 剛

(陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司，西安 710075)

0 前言

位于滑動構(gòu)造區(qū)的巷道，受大范圍構(gòu)造應(yīng)力場影響，巷道圍巖應(yīng)力場往往帶有明顯方向性，圍巖水平應(yīng)力往往大于垂直應(yīng)力[1，2]。在較大水平應(yīng)力作用下，巷道圍巖易出現(xiàn)極不均勻變形，且頂?shù)装遄冃瘟客笥趦蓭妥冃瘟俊Ａ硗?，受局部斷層、滑動面等?gòu)造影響，巷道圍巖十分松散破碎，尤其是圍巖強度較低的煤層巷道，圍巖變形表現(xiàn)出顯著的流變特性，巷道維護十分困難。因此，了解此類巷道的失穩(wěn)特征及破壞原因，采取有效措施控制其強烈流變十分必要。

1 工程概況

登封煤田位于昆侖-秦嶺緯向構(gòu)造帶北支東段，夾持于嵩山和箕山兩大背斜之間，總體呈一寬緩的不完整向斜。構(gòu)造形式以斷裂為主，褶皺次之。蘆店-大金店滑動構(gòu)造是該煤田的一種特殊的構(gòu)造形式，主要表現(xiàn)為滑動斷裂上盤巖體脫離下盤而獨立運動覆蓋于較老地層之上，告成井田位于穎陽-蘆店向斜的南翼東段，處在北西向的嵩山與五指嶺平移斷層之間，大部地段受到了蘆店-大金店滑動構(gòu)造的影響。

某礦主采二1煤層為“三軟”不穩(wěn)定煤層，煤層頂?shù)诪榛瑒訕?gòu)造頂板。如圖1所示。

其中，改礦工作運輸巷掘出不久普遍發(fā)生了嚴(yán)重變形，不得不進行大面積擴修。

2 試驗巷道變性特征及基礎(chǔ)信息實測

2.1 運輸巷變形破壞特征

原有巷道采用高阻可縮U型鋼棚支護，棚距500 mm，支架搭接處采用2付普通夾板卡纜，搭接長度500 mm，并采用編織網(wǎng)配合椽子背幫接頂，棚腿窩深150 mm。

采用此種支護后，巷道支架出現(xiàn)大量滑移、頂?shù)装寮皟蓭统掷m(xù)變形，長時間不能穩(wěn)定；破碎煤體從支架之間擠壓流出[3]。具體特征如圖2。

圖2 巷道變形破壞特征Figure 2 Roadway deformation failure features

2.2 運輸巷圍巖松動圈實測

為精確了解巷道圍巖破碎范圍及破碎特征，采用地質(zhì)雷達對該運輸巷進行圍巖松動圈測試，結(jié)合鉆孔窺鏡探測，精心選擇測點進行圍巖松動圈的測試工作。

運輸巷窺鏡測試測試的典型圖像如圖3所示，由窺鏡測試可知，變電所頂部巖體破壞范圍約1.2 m，拱部巖體破壞范圍約為2.5 m，幫部巖體破壞范圍約為2.2 m。

圖3 運輸巷窺鏡測試典型圖像Figure 3 Typical image of haulage way speculum test

測站雷達剖面圖如圖4所示，從地質(zhì)雷達剖面圖可以看出，該處巷道從右?guī)椭凉绊斣俚阶髱偷乃蓜臃秶咏?，都?.3～2.3 m范圍內(nèi)，拱頂處最小。底板有連續(xù)反射，表明底板的圍巖整體性良好，破碎深度在1 m內(nèi)。根據(jù)地質(zhì)雷達探測圖像，結(jié)合鉆孔窺鏡探測結(jié)果，繪制巷道松動圈發(fā)育形態(tài)如圖5所示。

由該巷道松動圈測試結(jié)果可以看出，巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍并不大，鉆孔探測范圍內(nèi)裂隙具有擠壓填充痕跡，這充分說明了二1煤層具有強流變特性，煤層中產(chǎn)生的離層、破裂區(qū)很快被剪脹、流變的煤體充填[4]。

圖4 運輸巷測試斷面的雷達探測圖像Figure 4 Radar detection image of haulage way test section

圖5 21051運輸巷圍巖松動圈圖Figure 5 Country rock relaxation zone chart of haulage way No.21051

3 巷道失穩(wěn)破壞原因分析

3.1 滑動構(gòu)造影響

構(gòu)造應(yīng)力場對巷道圍巖穩(wěn)定性影響主要表現(xiàn)為對巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍的影響，即對巷道周邊塑性區(qū)范圍影響。構(gòu)造應(yīng)力場中水平構(gòu)造應(yīng)力大小，即側(cè)壓系數(shù)大小對巷道圍巖穩(wěn)定性影響很大，且不同于其他因素，其對巷道塑性區(qū)分布影響是非均稱性的，為了更加清晰的了解水平構(gòu)造應(yīng)力(側(cè)壓系數(shù)λ)大小對巷道周邊塑性區(qū)分布影響，采用FLAC2D數(shù)值模擬分析方法。根據(jù)運輸巷實際地質(zhì)條件，模擬不同側(cè)壓系數(shù)下巷道塑性區(qū)分布特征[5]。

建立數(shù)值分析模型，材料類型選用Mohr-coulomb 模型(圖6)。在模型中間開挖巷道，巷道為5×4.5 m直墻半圓拱型巷道。通過改變側(cè)向壓力系數(shù)λ實現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性影響。運輸巷實際埋深約460 m，上覆巖層平均密度取2 500 kg/m3,模型頂部施加固定壓力q=10 MPa，分別模擬側(cè)壓系數(shù)λ=0.5、1.0、1.5、2.0、2.5，即側(cè)向壓力分別為5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa時巷道周邊塑性區(qū)分布情況。

圖6 數(shù)值模擬模型Figure 6 Numerical simulation model

圖7所示為不同側(cè)壓系數(shù)條件下，巷道圍巖塑性區(qū)分布情況。從圖中可以看出，首先，由于模擬巷道埋深較大，原巖應(yīng)力水平高，導(dǎo)致巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍較大。且由于垂直應(yīng)力水平較大，巷道底板在高水平應(yīng)力作用下， 均存在一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)。其次當(dāng)測壓系數(shù)<1.0時，剪切應(yīng)力作用區(qū)域主要分布在巷道兩幫圍巖中；側(cè)壓系數(shù)為1.5時，在較高水平應(yīng)力作用下，巷道兩幫剪應(yīng)力作用區(qū)范圍有所減小，剪應(yīng)力區(qū)進一步向頂?shù)装鍑鷰r中轉(zhuǎn)移；側(cè)壓系數(shù)>2.0時，一方面圍巖塑性區(qū)范圍增大，另一方面剪應(yīng)力作用區(qū)進一步由巷道兩幫向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移。這也就是構(gòu)造影響強烈，即水平應(yīng)力強的巷道，頂?shù)装迦菀壮霈F(xiàn)強烈剪脹變形的原因所在。

圖7 不同側(cè)壓系數(shù)巷道周邊塑性區(qū)分布Figure 7 Roadway periphery plastic zone distributions under different lateral pressure coefficients

圍巖松動圈實測結(jié)果與數(shù)值模擬過程中的測壓系數(shù)為1.0時的塑性區(qū)分布特征相似，由此可以看出，此類條件下巷道水平構(gòu)造應(yīng)力并不是很大?；瑒訕?gòu)造作用下巖體發(fā)生了塑性變形，導(dǎo)致煤層及頂?shù)装遄兊檬炙绍?，而在圍巖變形過程中，釋放了大部分構(gòu)造應(yīng)力。因此，影響此類巷道圍巖穩(wěn)定性的是關(guān)鍵原因是由于二1煤層本身強度低，且受滑動構(gòu)造作用，導(dǎo)致巷道圍巖呈現(xiàn)出的強流變特性，而非構(gòu)造應(yīng)力場。

4 結(jié)論

(1)構(gòu)造應(yīng)力場對巷道圍巖穩(wěn)定性影響主要表現(xiàn)為對巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍的影響，即對巷道周邊塑性區(qū)范圍影響

(2)結(jié)合巷道失穩(wěn)變形特征及圍巖松動圈實測結(jié)果，研究分析了巷道圍巖失穩(wěn)破壞原因，認(rèn)為巷道圍巖失穩(wěn)破壞是由于二1煤易流變造成的。