深部矿井巷道围岩分区破裂实测研究

姜 光,朱守颂,谷 满,王松涛

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;2.中平能化集团六矿,河南平顶山 467000)

深部矿井巷道围岩分区破裂实测研究

姜 光1,朱守颂1,谷 满2,王松涛2

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;2.中平能化集团六矿,河南平顶山 467000)

采用钻孔电视监测法对某矿 3213工作面运输平巷进行现场定点定面多次监测,选取掘后 10d与掘后 50d观测结果进行对比分析,研究巷道围岩随时间影响在其内部的变形趋势,同时展开深部巷道围岩阶段性裂隙成型与围岩应力变化关系的分析研究,成果揭示了深部矿井开掘巷道围岩内在变形破坏机理,为此类巷道维护提供依据。

深部巷道;分区破裂;钻孔探视

在矿井深部岩土工程中导致围岩呈分区、分阶段的形式破裂,其形成机制国内外学者做过大量研究。1986年俄罗斯学者 E.I.Shemyakin等[1-2]率先提出“间隔性的环带状碎裂现象”,国内专家学者称之为“分层断裂”、“分区破裂”或“区域性断裂”、“间隔破裂”等;顾金才,顾雷雨等[3]认为分层断裂应有较大的平行于深部开挖硐室轴线的水平地应力,同时硐壁要有较大的平整面或较大的曲率半径;贺永年,蒋斌松,韩立军等[4]采用能量分析的方法对深部巷道围岩间隔断裂的形成机理进行了研究,并从围岩应力与物理力学性质方面阐述了间隔断裂的成因;李术才,王汉鹏,钱七虎等[5]通过钻孔电视研究淮南近千米深不同巷道后,给出了巷道分区破裂分布图,并总结出破裂区半径与巷道半径 r的关系式为 (2)i-1r(i=1,2,3, 4);潘一山,李英杰,唐鑫等[6]在对金川与阜新五龙等矿区现场监测基础上,通过天然岩石的实验室测验、相似模拟等手段,对分区碎裂现象进行了系统的研究,结合理论推导重新界定了巷道围岩分区碎裂发生的条件公式;钱七虎,李树忱[7]讨论了国内外深部岩体分区破裂现象实验和理论的研究进展,归纳分区破裂产生条件、变化规律的同时指出了接下来研究的 5个方向,其中就有分区破裂现象下巷道围岩的支护稳定性研究。

分区破裂方向随着研究的不断深入,其形成机制与控制机理正逐步形成体系,但在深部矿井开挖巷道中对分区破裂发展发育的时间空间关系却研究较少。本文以某矿 3213工作面运输平巷现场监测为基础,通过钻孔探测与理论分析,解析出深部开挖巷道围岩分区破裂的时间规律及其形成机理[8],为深部岩土工程的进一步深入研究提供参考。

1 工程概况

1.1 地质条件

某矿 3213工作面运输平巷埋深 700m。煤层顶底板情况如表1所示。

1.2 巷道断面及支护设计

3213工作面运输平巷设计为矩形断面,断面尺寸为 5000mm×3000mm,采用锚杆 (索)网梁支护,顶板锚杆规格为 <22mm×M24×2400mm的左旋无纵筋螺纹钢,间排距 800mm×800mm;锚索钢绞线规格为 <17.8mm×6.8m,钻孔深度为6.5m,间排距为 2200mm×1600mm。

表1 煤层顶底板情况

2 监测分析

2.1 监测方法

采用 TYGD10型岩层钻孔探测仪对巷道围岩进行裂隙发展发育情况监测。该探测仪摄像头分辨率高,监测同时可在液晶屏实时显示孔壁构造并进行录像。监测测站选取 3213工作面运输平巷 J22点前 8.4m锚杆 (索)孔淋水较大处,该测站包括 2个测面,相距 3.2m。测面采用锚索机钻孔,钻孔分别位于顶板 (90°)和 2个肩角 (30°),孔径33mm,深 7m。3213工作面巷道及监测钻孔平面布置见图 1。测站的监测时间分别为掘后 1d,5d, 10d,20d与 50d,每次监测前先进行刷孔;由于顶板砂岩水补给性较强,前两次观测图像失真,分别选取 2009年 12月 14日 (掘后 10d),距掘进工作面约 180m与 2010年 1月 23日 (掘后 50d),距掘进工作面约 750m为研究对象。对测站进行监测时由于钻孔淋水,为监测围岩深部破坏情况,岩层钻孔探测仪采用倒退式进行监测,即钻孔探视仪摄像头首先深入钻孔底部,一边拉出摄像头一边记录围岩破坏情况,直至钻孔外部。监测到孔内围岩裂隙、渗流时,记录下破坏或渗流显现的深度,发展发育程度,录像时间等参数,并与记录的视频文件相对应。

2.2 监测结果

钻孔探视仪录像并截取有代表性图片见图 2和图3。

图 1 3213工作面巷道及监测钻孔布置平面

图 2 2009年 12月 14日探测孔围岩间隔破坏情况

在对 3213工作面运输平巷各个钻孔探视后,综合分析围岩裂隙与破坏分布,如图 2所示,截图未反映区段围岩完整程度较好。从图 2(c)中可以看出内部围岩在 2.8～3.2m范围内存在裂隙,且开合度较大,下部淋水较严重;4.2～4.5m纵向裂隙发育较为完全,从图 2(b)中可以看出此段裂隙水逐渐缺失,但破坏范围较高;6.4～6.8m范围内围岩破坏较为严重,但其破坏高度却相对减小;2.0m以下因淋水较大,难以观测,留待后续监测后进行定量研究围岩塑性区破坏特征。

图 3为 2010年 1月 23日在该区段进行的二次观测,图像显示围岩裂隙分布状态与掘后 10d基本相符,由于时间关系,裂隙水在 2.8m以下呈线状,并逐渐减小;围岩破裂区裂隙开合度变化不大,破坏程度与裂隙数量增加并不明显。由此可知,掘后围岩破坏发育在 10d内基本饱和。

2.3 结果分析

图 3 2010年 1月 23日探测孔围岩间隔破坏情况

二次观测结果对比显示,围岩分区破裂区已生裂隙开合度变化不大,表明随巷道掘进,裂隙在一定时间内发育饱和。顶板砂岩水渗流随时间趋于减弱。由经验可知,在 0.4～0.8m范围内为巷道塑性圈,由图 2、图 3可以看出,2.8～3.2m范围内为岩层交界面,裂隙发育,为主要的砂岩水导通裂隙。以上部位横向裂隙较为发育。结合观测与分析结果得出巷道监测断面围岩分区破裂分布如图 4。

图4 监测断面围岩分区破裂分布

从图 4中可以看出,深部巷道围岩变形态势与埋深较浅的巷道不同,巷壁浅部围岩应力卸载后紧跟其内部形成弹性变形区,在此区域内受塑性变形区围岩径向支承力而保持完整,应力集中强度却由于巷壁围岩应力的卸载而趋于升高,当达到围岩破断极限值或遇弱面时将再次产生塑性变形,形成围岩破裂 -完整 -破裂的交替分布趋势。围岩径向深度达到一定程度后,应力聚集随变形的增加逐渐降低,直至降到围岩破断强度以下,因此,矿井深部巷道围岩分区破裂化现象呈周期渐弱趋势发展。

3 结论

基于特定开采技术条件下巷道围岩的分区破裂现象,结合钻孔探视的方法监测巷道围岩内部破裂情况,研究了分区破裂产生的条件及其变化规律。得出以下主要结论:

(1)掘后 10d内分区破裂裂隙基本发育饱和,其后随时间的推移裂隙开合度与数量变化不大。顶板砂岩水随时间推移呈渐弱趋势。

(2)分区破裂现象的产生条件较为复杂,与巷道埋深、围岩弱面、岩层变化、围岩内摩擦角等都有关联。现场实测围岩分区破裂区域在岩层交界面产生并发育为导水通道。

(3)深部巷道围岩变形破坏特征与埋深较浅巷道不同,其破裂现象随径向深度的加大交替出现,变形趋势呈周期渐弱变化。

[1]SHEMYAK IN E I,FISENKO G L,KURLENYA M V,et al. Zonal disintegration of rocks around underground workings,part I: data of in-situ observations[J].Journal of Mining Science, 1986,22(3):157– 168.

[2]SHEMYAK IN E I,FISENKO G L,KURLENYA M V,et al. Zonal disintegration of rocks around undergroundworkings,part II: rock fracture simulated in equivalent materials[J].Journal of Mining Science,1986,22(4):223– 232.

[3]顾金才,顾雷雨,陈安敏,等 .深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制模型试验研究 [J].岩石力学与工程学报,2008, 28(3).

[4]贺永年,蒋斌松,韩立军,等 .深部巷道围岩间隔性区域断裂研究 [J].中国矿业大学学报,2008,37(3).

[5]李术才,王汉鹏,钱七虎,等 .深部巷道围岩分区破裂化现象现场监测研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(8).

[6]潘一山,李英杰,唐 鑫,等 .岩石分区碎裂化现象研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(1).

[7]钱七虎,李树忱 .深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述 [J].岩石力学与工程学报,2008,27(6).

[8]孙广义,林井祥 .深部巷道支护技术研究与实践 [J].煤矿开采,2010,15(1):54-57.

[责任编辑:李宏艳]

ZonalD isintegration Observation of Roadway’s Surrounding Rock in DeepM ine

J IANG Guang1,ZHU Shou-song1,GU Man2,WANG Song-tao2

(1.Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China; 2.SixthMine,Zhongping Energy Chemical Group,Pingdingshan 467000,China)

Borehole TV applied to monitoring roadway status in 3213 mining face and observation result of 10d and 50d after driving compared and analyzed,the paper analyzed deformation tendency of surrounding rock influenced by time.Relationship of stress variation and crack of deep roadwaywas researched.The result showed inner failuremechanis m of roadway surrounding rock driven in deep, which provided reference for roadwaymaintenance.

deep roadway;zonal disintegration;borehole TV

TD313.1

A

1006-6225(2010)06-0083-03

2010-07-27

国家自然科学基金项目 (50974118);教育部新世纪优秀人才支持计划 (NCET-09-0727);江苏省“青蓝工程”资助。

姜 光 (1982-),男,河南平顶山人,硕士研究生,从事矿山压力与岩层控制方面的研究。