不同侧压系数下深部软岩巷道应力演化规律及支护研究

2018-04-25张振全

中国煤炭 2018年3期

张振全李杨

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.神华科学技术研究院有限责任公司，北京市昌平区，102211)

随着我国中东部矿区浅部可采煤炭资源的枯竭，开采深度逐渐向深部转移。由于深部开采地质条件复杂、应力增大，煤岩体呈现软化特性，强度降低，且易于风化水解，致使深部软岩巷道围岩控制问题日渐突出，而导致软岩巷道变形破坏加剧的根本原因是岩层原有的地应力在采动干扰下的重新分布。原岩应力是岩层在漫长地质时期形成的天然内应力，是界定岩层力学属性的基础，也是巷道围岩稳定分析、优化支护设计必须重视的基础因素。

针对原岩应力场对巷道围岩受力、破坏及支护方面的影响，许多学者做了大量的研究工作，王军等系统分析了软岩巷道支护设计方法，并提出了基于剪应力导数的围岩稳定性理论；罗超文等采用现场实测、数值模拟方法对巷道围岩应力分布规律及变形情况进行了研究；孟召平等从工程地质方面对淮南矿区地应力分布规律进行了总结，并进一步探讨了圆形硐室围岩应力分布特点以及不同侧压条件下巷道顶板围岩的稳定情况；王连国等针对深部软岩巷道破坏情况提出了相应的支护设计方案，用以维护巷道围岩的稳定；王波等论述了地应力分布状态对巷道破坏的影响；刘泉声等通过对淮南矿区12个矿井中的19个测点进行地应力测试，初步得出了三向应力大小、侧压比等参数随埋深的变化规律。

上述研究对地应力的分布特点及对巷道支护影响方面的研究取得了丰富的研究成果，指导了大量工程实践。但由于深部采掘过程中，巷道围岩所处地应力场复杂多变，不同应力状态下巷道围岩变形破坏特征各异，尤其是水平应力场影响作用显著，充分了解不同水平应力场对巷道变形破坏的影响，才能实现深部软岩巷道的稳定支护，但这方面内容研究成果较少。本文针对淮南矿区复杂的应力场分布进行了调研分析，并对不同水平应力环境下巷道变形破坏特征进行了模拟分析，以便揭示不同水平应力条件下深部软岩巷道应力场、位移场、破坏场的变化特征和演化规律。基于淮南矿区最大主应力主导的巷道变形破坏这一特征，提出了优化支护方案，并应用于谢桥煤矿，取得了良好的工程应用效果，为类似地质条件下巷道围岩的稳定支护提供了借鉴。

1 淮南矿区地应力分布规律

以往一些学者对淮南矿区地应力分布规律开展过大量的研究工作，但由于研究数据较少，并不能从整体上反映出淮南矿区原岩应力场的分布特征。因此，本文在查阅大量文献、资料的基础上，结合近年来矿区在新建矿井中积累的数据，最终得到淮南矿区10个矿井深部地应力实测数据，见表1。

表1 淮南矿区地应力实测数据

由表1可知，上述地应力实测数据具有一定的规律性，可采用最小二乘法进行线性回归分析，进而得到淮南矿区各测点最大、最小水平主应力以及垂直主应力随埋深的变化规律，如图1所示。

由图1可知，矿区绝大部分测点的两个水平主应力为最大主应力和最小主应力，而垂直主应力为中间主应力，三向应力大小差异较大，并均随埋深的增加而增大。其中，与最大水平主应力相比，垂直主应力和最小主应力增速均较快，但随着埋深的增加其离散性逐渐增强；而最大水平主应力线性相关性较强。因此可知，淮南矿区应力场以水平应力场为主导，且矿区测点的最大主应力值主要介于15～28 MPa之间，水平应力大小属于中等偏上水平；矿区最大水平主应力均大于垂直主应力，从而进一步表明淮南矿区深部地应力场总体上以水平应力为主。

基于上述分析，本文对淮南矿区以水平应力为主导的应力场进行模拟分析，以期得到不同水平应力场条件下巷道围岩应力场、位移场、破坏场的变化规律，为指导优化现场稳定支护提供依据。

图1 淮南矿区地应力与深度的关系

2 工程概况及模拟方案

2.1 工程地质概况

谢桥煤矿位于潘谢矿区西部井田，矿井位于淮南复向斜中部，陈桥背斜南翼、谢桥向斜北翼，整体为东西走向、向南倾斜的单斜构造，地层缓倾斜，断层不发育，地质构造简单。谢桥煤矿可采煤层赋存稳定，煤层结构稳定，本文所研究的11316运输巷位于6#煤层，平均厚度约3.2 m，倾角10°，巷道平均埋深620 m，沿6#煤底板掘进，设计断面为矩形，净尺寸为4600 mm×3200 mm。具体煤岩层参数如图2所示。

图2 6#煤层综合柱状图

2.2 数值模型建立

根据谢桥煤矿煤岩层柱状图及地质条件，本文采用FLAC3D建立了深部软岩巷道支护模型。模型尺寸为60 m×80 m×48 m，模型节点310023个，模型单元总数为295680。假设模拟各岩层均质，各向同性，选用Mohr-Coulomb模型进行运算。由于所研究的淮南矿区应力场复杂，水平主应力占据主导，因此为了研究不同水平应力场条件下巷道应力演化规律和围岩变形破坏特征，取不同的侧压系数进行模拟计算，本文所选的侧压系数λ分别为0.6、0.8、1.0、1.2、1.4和1.6。模型构建及应力施加如图3所示。

图3 巷道数值模拟计算模型

3 水平应力场作用下巷道围岩力学特征分析

3.1 不同构造应力下巷道围岩应力分布

不同侧压系数下巷道围岩最大主应力场分布如图4所示。由图4可知，随着侧压系数的增加，巷道围岩应力集中程度不断变化，λ<1.0时，随着巷道开挖扰动的影响，围岩应力重新分布，水平主应力集中明显高于垂直主应力，说明受采掘影响，垂直主应力向水平方向转移，从而导致水平主应力的增加；λ>1.0时，围岩主应力逐渐向巷道顶底板转移，且应力集中程度增大；λ=1.6时，最大主应力达32 MPa。这表明，水平主应力占主导地位后，极易导致巷道围岩顶底板应力集中，且集中程度随着水平应力的增加而不断加剧。

3.2 不同构造应力下巷道围岩位移场特征

不同侧压系数下巷道围岩位移云图如图5所示。由图5可知，λ=0.6时，巷道顶板下沉量为180 mm，底板底鼓量为180 mm，且变形范围较小，随着侧压系数的增大，顶底板变形量增大，变形范围明显增加；λ>1.0时，顶板变形增加幅度变大，逐渐达到1000 mm，甚至更大，巷道严重失稳变形，相对顶板变形，底板底鼓收敛变形增加幅度较小；λ=1.6时，巷道底鼓量为400 mm，相较于λ=0.6时的巷道底鼓量，增幅为122%，而巷道顶板下沉量增幅则为789%。由此可见，随着侧压系数的增大，即水平主应力的增加，对巷道顶板岩层的运移有较大影响。

图4 不同侧压系数下巷道围岩最大主应力场分布图

图5 不同侧压系数下巷道围岩位移云图

不同侧压系数下巷道收敛变形曲线如图6所示。由图6可知，随着侧压系数的增加，巷道围岩收敛变形不断增加，其中底板底鼓量增加量最小，仅220 mm，帮部移近量次之，为1143 mm，顶板下沉量增幅最大，为1420 mm，且λ>1.2后，巷道顶板下沉量急剧增加，说明巷道围岩变形严重，围岩控制难度增加。

3.3 不同水平应力下巷道围岩破坏场特征

不同侧压系数下巷道破坏示意图如图7所示。

由图7可知，λ=0.6时，巷道围岩发生塑性破坏，但破坏范围整体较小，破坏区集中于巷道两帮，底板破坏区范围较小；随着侧压系数的增加，巷道围岩破坏范围缓慢增加，由两帮破坏严重逐渐变为顶底板变形破坏加剧，但破坏以两帮破坏为主；λ=1.0时，巷道顶板两肩及两底角位置出现破坏区扩大现象，顶底板塑性破坏范围不断增加；随着侧压系数的进一步增大，巷道围岩出现大范围变形破坏，且破坏集中于顶底板；λ=1.6时，顶板破坏范围为6.1 m，底板破坏范围为5.2 m，帮部破坏范围2.9 m。由此可见，侧压系数的增大，加剧了巷道围岩塑性破坏，且对顶底板破坏的影响更大。

图6 不同侧压系数下巷道围岩收敛变形曲线

图7 不同侧压系数下巷道破坏图

综合对比巷道围岩应力场、位移场和破坏场的力学特征分析可知，随着侧压系数的不断增加，巷道围岩主应力集中程度逐渐由巷道两帮向顶底板转移，进而造成巷道顶板下沉、底鼓严重，顶底板塑性破坏不断加剧等现象的产生，巷道围岩破坏范围的增大势必造成巷道支护困难，进一步揭示了煤矿巷道进入深部采掘后，由于水平应力场占据主导地位后，巷道变形破坏严重、难以支护的根本原因。

4 工程实践

4.1 支护方案优化设计

巷道原有支护方案采用锚网索支护，锚杆规格ø20 mm×2000 mm，顶部5根锚杆间排距1000 mm×800 mm，帮部3根锚杆间排距为1000 mm×800 mm，顶部2根锚索规格ø17.8 mm×6000 mm，间排距为3000 mm×2400 mm，掘巷期间受开挖扰动影响，巷道出现片帮、掉顶，巷道变形破坏严重，且以顶板下沉及片帮严重为主。据统计，11316运输巷自掘进至50 m范围内，锚杆破断约60根，破断率达1.2根/m，锚索破断失效10根，破断率0.17根/m，锚杆索的失效，使巷道支护安全性降低，难以满足正常生产的需要。

分析11316运输巷所处的应力环境可知，巷道水平应力约为19.8 MPa，垂直应力为16.5 MPa，侧压系数达1.2。由侧压系数影响分析可知，随着侧压系数的增加，巷道围岩应力集中程度逐渐向顶底板移近，从而造成顶底板变形破坏严重的现象，与该巷道变形破坏一致，因此采用高强高预应力锚杆及超长锚索进行优化支护，达到控制围岩变形的目的。

优化方案如下：考虑巷道顶板下沉严重，将顶板及帮部锚杆选型改为ø22 mm×2400 mm，顶锚杆间排距改为800 mm×800 mm，帮锚杆间排距改为800 mm×800 mm，且底部第一根锚杆距底板距离400 mm，与水平方向成30°夹角斜向下打入，其余3根水平布置。顶板布置型号ø22mm×8000 mm的锚索3根，间排距为1400 mm×2400 mm，优化前后的支护方案如图8所示。

4.2 应用效果分析

对11316运输巷未支护、原有支护以及优化支护3种条件下巷道围岩变形进行数值模拟研究，得出不同支护方案下巷道围岩变形情况，如图9所示。

图8 优化前后的支护方案示意图

图9 不同支护方案围岩收敛变形图

由图9可知，采用等强预应力让压锚杆及高强度预应力锚索优化支护方案后，巷道围岩变形有了明显改变，采用优化支护方案后巷道顶板下沉量为183 mm，分别比未支护及原有支护方案下减少了65.1%和46.3%，支护效果明显，将该支护方案应用于现场，并对优化支护方案下巷道围岩变形进行了现场监测，监测曲线如图10所示。

由图10可知，采用等强预应力让压锚杆及高强度预应力锚索优化支护巷道顶板及两帮底角位置后，巷道围岩收敛变形有了明显改善，在监测初期巷道顶底板及两帮变形速率较大，变形量达到总监测变形量的80%，后期变形量减小，变形速率降低，说明该方案起到了较好支护效果。因此加强巷道顶板及帮部底角的支护，可以有效实现高水平应力环境下巷道围岩的稳定支护。