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構造應力場中巷道周邊應力分布與變形分析

構造應力場對巷道變形破壞的主要影響體現在側壓系數、巖石內摩擦角、巖體黏聚力3個方面，為簡化計算過程，建立統一的計算模型，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)，模型參數選取以海石灣礦6113工作面下運輸巷為依據:直接頂為6m的泥灰巖，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分布、應力分布、頂底板位移以及其他影響巷道變形破壞的相關因素。表1為模擬巖層巖石力學基本參數。

1.1巷道圍巖塑性區分布及變形特征為詳細分析側壓系數對巷道圍巖應力環境的影響，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參數與表1保持一致。分別模擬不同側壓系數條件下巷道圍巖塑性區范圍和巷道圍巖變形規律。圖2為不同側壓系數部分巷道圍巖塑性區分布。由圖2可以看出:(1)側壓系數λ=1時，即垂直應力等于水平應力條件下，巷道頂底板和兩幫的塑性區呈均勻對稱分布。(2)側壓系數在1＜λ≤3之間，隨著側壓系數的增大，巷道塑性區范圍逐漸擴大，且表現出相對的一致性，頂底板塑性區范圍基本呈現出對稱分布的特征，此時巷道周邊只有壓應力沒有拉應力，在實際破壞過程中主要體現為剪切破壞而不出現拉伸破壞。在初始地應力場中，圍巖處于三向平衡的應力狀態，隨著巷道開挖，原有的應力環境遭到破壞，為保證巖體結構的穩定，需要通過施加一定的支護阻力平衡二次應力和巖體強度之間的差值。(3)當側壓系數λ＞3之后，塑性區范圍急速擴展，向深部巖層轉移，此時兩幫塑性區范圍相對有所減小。巷道周邊不僅存在壓應力還存在拉應力，在實際破壞過程中可能出現拉伸破壞。(4)巷道塑性區范圍與側壓系數表現出明顯的敏感性，較小的側壓系數變化范圍對塑性區擴散起到重要的影響作用。圖3為不同側壓系數巷道表面位移關系圖。從圖3可以看出:(1)隨著側壓系數的增大，巷道兩幫移近量呈現增加的趨勢，在側壓系數較小(1＜λ≤3)時，兩幫移近量變形速率相對較小，側壓系數較大時(λ＞3)時，兩幫移近速率急劇增加，巷道兩幫向巷道內側鼓出，表現在現場則為片幫或者支護結構的破壞。(2)隨著側壓系數的增加，頂板下沉量有所減少，分析原因主要是由于側壓系數增加，側向壓力促使頂板應力向深部轉移，同比條件下減少了巷道頂板的下沉量。(3)隨著側壓系數的增大，巷道底鼓量呈現增大趨勢，分析原因可以認為向深部轉移的應力促使巷道表面應力集中，從而在兩幫和底板自由面處出現應力集中現象，從而導致底板變形速率增大。

1.2不同內摩擦角下巷道周邊應力與塑性區分布內摩擦角對巷道變形破壞的影響主要是通過圍巖自身力學條件的改變而產生變化，為了進一步分析內摩擦角在巷道圍巖穩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參數與表1保持一致，研究不同內摩擦角條件下巷道變形破壞特征和變形機理。圖4為不同內摩擦角條件下部分塑性區分布。由圖4可以看出:圖4不同內摩擦角條件下塑性區分布(1)隨著內摩擦角φ的增大，巷道圍巖塑性區的范圍呈現不斷縮小的趨勢，基本呈現出以巷道中心線為對稱軸的分布形態。(2)隨著內摩擦角φ的增大，巷道兩幫圍巖塑性區變化比較明顯，而頂底板圍巖塑性區雖然隨著內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)隨著內摩擦角φ的變化，巷道頂底板和兩幫的變形破壞形式發生變化。當24°＜φ≤30°時，巷道頂底板以拉伸破壞為主，兩幫以剪切破壞為主。結果表明在較小的內摩擦角條件下，兩幫塑性區擴展以剪切破壞為主，在實際支護設計過程中應該重點分析考慮，采取一定的措施防止或抑制這種破壞形式的出現。當30°＜φ≤40°時，巷道頂板和兩幫的變形機理沒有發生較大的變化，但是底板由原來的拉伸破壞變為拉伸破壞和剪切破壞的共同作用。說明隨著內摩擦角的增大，圍巖的力學性能得到了較大提高。(4)隨著內摩擦角φ的增大，巷道圍巖塑性區由原來的“倒三角形”分布發展為“正三角形”，即巷道圍巖塑性區的擴展由原來的兩幫及底板較大范圍變化為頂板塑性區范圍較大的形式。(5)隨著內摩擦角φ的增大，在一定取值范圍內，巷道圍巖塑性區變化與內摩擦角的取值存在著負相關性，但當角度增大到一定值的時候，塑性區的變化將不再明顯，包括頂底板和兩幫。

1.3不同黏聚力條件下塑性區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參數與表1保持一致，對塑性區分布特征展開研究。圖5為不同黏聚力條件下巷道圍巖塑性區分布。由圖5可知，不同黏聚力條件下巷道圍巖塑性區分布具有如下基本特征:(1)巷道圍巖塑性區的分布呈現出以巷道中心線為中心分布的軸對稱形式。(2)巷道圍巖塑性區的分布范圍隨著黏聚力的增大而呈現逐漸減小的趨勢，且減小的幅度相對較大。巷道圍巖塑性區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，巷道底板塑性區的深度范圍沒有明顯的變化，僅表現出寬度方向上的縮小，且縮小幅度在20%左右。(3)巷道圍巖塑性區分布形狀表現出一定的差異性。由“倒錐形”逐步發展為“底錐形”。隨著黏聚力C的增大，巷道圍巖塑性區范圍的變化由最初的敏感的正相關逐漸過渡為不明顯。在2.0MPa＜C≤5.0MPa范圍內，隨著黏聚力的增大，塑性區范圍基本在50%的變化范圍之內;當C＞5.0MPa時，隨著黏聚力的增大，塑性區范圍本處于緩慢減小的狀態。

2工程實踐

2.1工程地應力測試結果海石灣礦煤1層為油頁巖，平均埋深800m，傾角在8～14°，平均傾角10°。根據海石灣礦水壓致裂測試結果［5－6］，側壓系數在1.2～1.5之間，水平地應力明顯大于垂直應力，構造應力場的影響強于自重應力場。根據巖石力學實驗室性能測試，內摩擦角為24°，黏聚力1.45MPa。

2.2構造應力場中巷道變形破壞分析由于水平應力明顯大于垂直應力，在巷道開挖初期出現顯著的變形破壞。圍巖變形量一直處于持續增加的狀態。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需要，巷道在整個使用周期內多次翻修。由于側壓系數較大，加之圍巖力學性質較差，采用直徑22mm長2400mm的HRB335預應力讓壓錨桿+碟形錳板托盤+高強螺母，配合直徑18.9mm長8300mm的小孔徑預應力錨索補強支護代替原有螺紋鋼錨桿，開發“多孔循環注漿，深淺孔結合”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合的方式提高圍巖的內摩擦角和黏聚力，有效地控制了巷道兩幫和頂底板的變形，巷道兩幫變形控制在35mm，頂底板移近控制在50mm。

3結論

(1)巷道塑性區范圍與側壓系數表現出明顯的敏感性，較小的側壓系數變化范圍對塑性區擴散起到重要的影響作用。隨著側壓系數的增大，巷道兩幫移近量呈現正比增加的趨勢。(2)巷道圍巖內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，巷道圍巖塑性區隨之減小，當大于這個角度時，圍巖塑性區的變化基本不明顯。(3)當黏聚力增大到一定程度(C=5.0MPa)時，巷道圍巖塑性區的變化將保持在一個相對穩定的水平。(4)海石灣礦6113工作面下運輸巷的支護設計說明“高強讓壓”和“多孔循環注漿，深淺孔結合”的注漿工藝可以有效地控制巷道變形，保證構造應力場中巷道圍巖穩定。

作者：趙紅超張東升劉洪林呂金星DAOVIETDOAN溫穎遠單位：新疆大學地質與礦業工程學院中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室越南河內礦業地質大學