复杂地质条件下巷道围岩失稳变形原因分析

陈 超

(山西天地王坡煤业有限公司)



复杂地质条件下巷道围岩失稳变形原因分析

陈 超

(山西天地王坡煤业有限公司)

以山西天地王坡煤业有限公司3209放顶煤工作面软岩临空巷道围岩失稳变形为背景，从围岩强度、地应力、岩体结构特征、地下水、岩层倾角、相邻工程、巷道形状、巷道跨度、施工工艺、施工质量等10个因素考虑，采用层次分析法对各影响因素进行综合分析，给出各影响因素权重值的总排序，为巷道围岩稳定性控制提供一定的理论依据。

层次分析法 临空巷道 围岩失稳 地质条件

随着我国煤矿不断向深部开采，地质条件越来越复杂，矿井经过长期开采后临空巷道越来越多，以及局部厚煤层矿区大采高采煤工艺的应用，矿区压力显现愈发明显，巷道支护难度逐渐增大，尤其在煤巷施工和维护中，由于煤岩体内部含有各种各样的不连续面，如节理、层理、裂隙等，显著改变了煤岩体的强度特征和变形特征，致使煤岩体与岩块强度相差甚远，极易造成巷道顶板离层、下沉甚至冒落、两帮内鼓、底鼓等现象，成为制约煤矿安全高效生产的主要问题[1-3]。因此，需对影响围岩稳定性因素建立定性分析模型，进而进行权值划分，多角度分析巷道围岩失稳变形的原因，对巷道围岩稳定性控制具有重要的工程意义。

1 工程概况

山西天地王坡煤业有限公司目前开采二叠系下统山西组3#煤，煤厚平均5.9 m，煤层倾角近水平，煤层裂隙发育。煤层顶底板主要以泥岩(砂质泥岩)为主，主要充水水源为顶板砂岩裂隙水，富水性弱，以间歇性淋水为主。矿井地应力以自重应力为主，局部构造发育区原岩应力集中。掘进工作面采用综合机械化掘进，锚网喷支护，回采工作面采用综采放顶煤开采工艺。该矿采用斜井单水平延伸开采，布设1个回采工作面和2个掘进工作面，其中3209掘进工作面采用U+I型布置，回风顺槽(4.5 m×3.4 m)与进风顺槽(5 m×3.1 m)为沿煤层底板掘进巷道，两者间距180 m，内错瓦斯尾巷平行于回风顺槽间距10 m，沿煤层顶板全岩巷掘进。工作面进风顺槽侧为实煤区，回风顺槽和内错瓦斯尾巷侧为已回采结束的3207工作面。巷道地质构造复杂多变，在掘进过程中揭露断层1处、陷落柱5处，巷道在掘进过程中顶板岩层破碎，再加上工程力和采动等因素影响，导致支护无法较好地控制围岩的稳定性，属于典型的复杂地质条件大断面巷道。进风顺槽掘进期间及巷道形成后未见压力显现，巷道围岩稳定性控制较好，3209内错瓦斯尾巷及3209回风顺槽在掘进期间及巷道形成后压力显现明显，巷道围岩发生了严重的变形破坏，先顶板离层、下沉、脱落，甚至冒落，继而引发两帮内鼓(片帮)、底鼓等矿压显现。巷道内鼓一般0.3～0.8 m，最严重处达2 m，且底鼓处理多次。据观测统计，自巷道开挖以来，3209回风顺槽拉断锚索61根，拉断锚杆82根。3209内错瓦斯尾巷拉断锚杆58根，拉断锚索11根。锚索从距锁具0.4～1.1 m处错差拉断，钢丝拉断处丝径明显拉细(图1)。

图1 断裂锚索展示

2 应用层次分析法确定巷道围岩稳定性影响因素及权重

层次分析法是20世纪70年代由美国运筹学家SANTY提出的，是一种比较成熟的解决多因素复杂问题分析的有效方法，用其确定复杂地质条件下巷道围岩稳定性影响因素的权重，为分析围岩失稳原因提供理论支持[4]。

影响巷道围岩稳定性的因素概括起来一般有岩体力学因素、工程地质因素和工程技术因素三大类[5]，为了更有利于分析巷道围岩失稳原因，结合该矿生产实际，进一步优化为自然因素和人为因素。其中自然因素主要有：围岩强度、地应力、岩体结构特征、地下水、岩层倾角；人为因素有：相邻工程、巷道形状、巷道跨度、施工工艺、施工质量[6-8]。

2.1 建立递阶层次结构模型

根据建立的评价指标的结构关系，建立递阶层次结构模型，如表1所示。

2.2 构建判断矩阵

依据表1的层次模型，采用1～9及其倒数的标度法[9-10]，对隶属于同一指标层各因素间的相对重要性进行两两比较，构建判断矩阵(见表2～表4)，最后列出各因素对目标层的总排序(表5)。

2.3 一致性检验

首先对单排序一致性进行检验，对于一阶、二阶矩阵总是一致的，所以只需对B-C判断矩阵检验。

表1 巷道围岩稳定性影响因素的层次模型

表2 判断矩阵A-B及其特征向量

表3 判断矩阵B1-Cj及其特征向量

表4 判断矩阵B2-Cj及其特征向量

表5 影响因素层次总排序

判断矩阵B1-Cj一致性检验：

(1)

式中，CI为一致性特征数(CI=0时，矩阵一致，CI接近于零时有满意的一致性，CI越大，不一致性越严重)；n为因子数，取n=10；RI为随机一致性指标，根据因子数取值1.12；CR为一致性比率，当CR<0.1时认为不一致程度在容许范围内。

同理判断矩阵B2-Cj一致性检验：CR=0.018<0.1。

不一致程度均在允许的范围内，符合一致性检验要求。

总排序一致性检验：CR=0.02<0.1。故总排序也通过一致性检验，从而确定影响巷道围岩稳定性因素的权重值(表6)。

表6 巷道围岩稳定性影响因素权重值

3 复杂地质条件下巷道围岩失稳变形原因分析

从表6可以看出，影响巷道围岩稳定性因素的权重值由大到小依次为：相邻工程>围岩强度>巷道形状>巷道跨度>地应力>岩体结构特征>施工工艺>施工质量>岩层倾角>地下水。3209回风顺槽和内错瓦斯尾巷为临空(3207采空区)巷道，采场动压对临近巷道围岩稳定性影响强烈，所以3207采空区是3209掘进巷道围岩失稳的关键性原因，权重值达到了近1/3；两条巷道均为矩形巷道，矩形巷道围岩顶板将出现较大的拉应力，可导致上部岩体产生张裂破坏趋势，而拱形巷道围岩应力状态以压应力为主，对维持围岩稳定性较好，通常情况下巷道断面越大，巷道的顶底板和两帮的移近量都会增加，所以该矿巷道形状及跨度设计也是巷道围岩失稳变形的主要原因；3209内错瓦斯尾巷施工工艺为爆破掘进，对围岩的破坏程度远远大于机掘，工人对机械的操作水平，对现场支护的及时性和准确性都将对巷道围岩稳定性产生影响；围岩强度对围岩稳定性影响次之，该矿《3#煤层地质力学测试报告》证实煤层顶板10 m范围内岩性主要以炭质泥岩、砂质泥岩等软岩为主，且存在大量离层、裂隙和夹层，裂隙多向发育，直接影响了岩体的整体强度；顶板大量软岩夹层的存在同时也阻隔了地下水渗入溶蚀，所以地下水对该矿巷道围岩稳定性影响不大，权重值仅为0.02；岩体结构特征权重值为0.053 7，这与该矿3#煤层顶底板岩体呈薄层状结构，岩体内节理、层理发育，偶有层间错动面和软弱夹层有关；该矿地应力主要以自重应力为主，局部构造发育区域造成原岩应力集中，且水平应力和垂直应力之间的差值较大，这是巷道围岩较难控制的一个原始本因；上覆岩层和下伏岩层与煤层赋存情况基本一致，属于近水平岩层，压力主要来自于顶板，变形也主要来自于顶板，巷道中局部倾斜岩层中压力主要来自于顶底板，变形主要来自于两帮和底板，造成了局部巷道內移和底鼓[11]。

4 结 论

(1)3209回顺与内错瓦斯尾巷为临空软岩巷道，煤层及顶底板裂隙较发育，采掘期间形成的扰动应力场与原始应力场叠加且局部构造发育，巷道围岩处于较复杂的地质环境。

(2)综合考虑各种影响因素，运用层次分析法，从最终的结果可以看出巷道临空掘进对巷道围岩的稳定性控制起到非常重要的作用，围岩强度、地应力、巷道的形状和断面大小也是不容忽视的因素，评价结果与现场情况基本一致，可以用于指导生产实践。

(3)该矿3#煤层顶底板岩体呈薄层状结构，岩体内节理、层理发育，偶有层间错动面和软弱夹层，对这种非连续岩体应先利用锚杆(索)控制锚固区围岩的离层、滑动、张裂隙等，及时进行注浆，阻止岩体内部的微运动，增强围岩强度；巷道形状应尽量采用拱形设计，同时还应加强工人职业技能的培训。

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Instability Deformation Reason of the Surrounding Rock of Roadway Under the Complex Geological Conditions

Chen Chao

(Shanxi Tiandi Wangpo Coal Mining Co.,Ltd.)

Taking the instability deformation of the surrounding rock of soft rock overhead roadway of 3209 caving working face of Shanxi tiandi wangpo coal mining Co.,Ltd as the study background,the factors of intensity of surrounding rock,in-situ stress,rock mass structural characteristics,groundwater,dip angle of rock strum,adjacent engineering,roadway shape,roadway span,construction techniques,construction quality are analyzed synthetically by adopting the analytic hierarchy process,the general ranking results of weights of the above ten factors are given to provide the theoretical basis for the controlling of the stability of surrounding rock of roadway.

Analytic hierarchy process,Overhead roadway,Instability of surrounding rock of roadway,Geological conditions

2016-06-30)

陈 超(1988—)，男，助理工程师，硕士，048021 山西省晋城市泽州县下村镇。