节理倾角对巷道围岩的劣化效应及围岩分区域控制研究

2020-11-04郭忠华

矿业安全与环保 2020年5期

郭忠华

(吕梁学院矿业工程系，山西吕梁 033000)

节理(也称为“裂隙”)是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造[1]。由于长期的地质运动，岩体中往往存在大量的节理等不连续面，这些不连续面交错相交形成多种形式块体，破坏了岩体的完整性并降低岩体强度，产生劣化效应，对围岩稳定性有显著的影响[2]。节理发育巷道围岩变形量大、控制困难，常会发生碎涨、冒顶、片帮等事故，严重威胁煤矿的安全生产[3]。针对节理巷道控制，专家学者进行了广泛研究，主要集中在节理巷道稳定性分级评价和节理发育特征等方面[4-6]。由于节理发育的不规则、对岩石强度的显著影响和控制难度大，目前节理发育巷道控制成为研究难点和热点[7-8]。不同节理倾角巷道围岩的强度劣化效应明显不同，由此带来的巷道围岩控制手段也差异明显，而现有的相关研究较少，严重影响了节理发育巷道围岩的高效安全控制，需要进一步研究，用以指导工程实践。

以山西贾家沟煤矿1002工作面回风巷道为研究对象，采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法，研究不同节理倾角巷道的受力、变形，以及破坏演化规律，分析节理发育巷道强度劣化效应、灾变机理，提出分区域控制原则和技术，实现巷道安全经济支护，具有重要意义。

1 节理对巷道围岩强度的劣化效应

1)节理切割岩体，形成不连续结构面，弱化了岩体强度。

工作面内断层等构造多，巷道围岩原生节理发育，巷道开挖后及回采期间，在强卸载作用下节理很快受剪切、拉伸破坏并贯通，发生剪胀变形。节理将岩体切割成独立块体，进一步割裂巷道围岩完整性，形成不连续结构面。

载荷作用下，不同块体间相互作用产生挤压和错动，块体应力应变状态发生动态变化，作为主要承载结构，节理切割的块体显著弱化了岩体强度。

2)节理使岩体呈现各向异性。

根据预制节理试件加载试验[3]，预制试件和加载后破坏效果如图1所示。采用预制裂纹模拟节理作用将试件分割，加载初期在节理尖端出现扩展，继续加载出现节理间裂纹贯通形成独立的新生块体[3]，块体间裂纹向上下端面扩展形成主破裂面，载荷作用下主破裂面两侧岩体发生弯曲折断，试件承载结构急剧劣化并最终发生破坏。节理将岩体切割成不同的独立块体，加载时岩体整体承载性能出现明显削弱和差异，出现加速破坏现象，独立块体呈现不同承载和破坏特征，体现出各向异性。

图1 预制试件和加载后破坏效果图

2 节理角度对巷道围岩应力及变形的影响规律

节理倾角对岩体破坏形式产生重大影响，采用UDEC模拟软件研究不同节理倾角下巷道围岩的破坏及发展情况。

模拟的山西贾家沟煤矿1002工作面平均埋深 685 m，倾斜长度330 m，走向长度1 090 m，主采10#煤层平均厚度5.6 m，采用长壁后退式采煤法，综合机械化一次采全高采煤工艺，全部垮落法控制顶板。回风巷道沿煤层底板掘进，断面为矩形，宽5 m、高4 m。采用锚网索联合支护，顶板锚杆间排距800 mm×900 mm，两帮锚杆间排距900 mm×900 mm。模型长×高为150 m×80 m，其余岩层自重以均布载荷形式加载。

模型采用 Mohr-Coulomb 准则[9-10]，采用 Voronoi 多边形节理生成器将顶底板岩体随机划分成不同形状大小的Voronoi子块[11]，来模拟节理(倾角β分别为0°、15°、30°、45°、60°、90°)作用，其他非重点研究的岩层区域采用 JSET 节理生成器生成[12]。模型中Cable 结构单元可以模拟锚杆、锚索，以Preten命令施加特定预紧力。

2.1 巷道围岩塑性区分布特征

模型运算后得到如图2所示巷道围岩塑性区分布，围岩塑性区破坏深度见表1。

(b)β=15°

(c)β=30°

(d)β=45°

(e)β=60°

(f)β=90°图2 不同节理角度围岩塑性区分布表1 围岩塑性区破坏深度

节理倾角/(°)左帮破坏深度/m右帮破坏深度/m上部中部下部上部中部下部顶板破坏深度/m00.602.401.200.802.300.401.50150.504.104.600.433.600.561.80300.401.802.600.801.500.801.50451.401.101.801.001.400.901.50600.801.201.900.301.001.201.50900.701.701.900.302.401.601.50

由图2可知，对于节理倾角为0°～30°赋存区域岩体，载荷下节理中部扩展成拉裂纹，之后岩体发生张拉破裂，被节理切割的块体在载荷作用下易翻转转动，进一步促进岩体承载结构劣化，使得岩体呈现显著拉破坏，巷道围岩发生弯折破坏失稳。

当围岩节理倾角以30°～45°为主时，初期节理尖端裂纹的萌生及扩展发生拉损伤，而在峰值强度附近则以剪切裂纹贯通为主，使得岩体发生拉剪混合破坏及剪切破坏，巷道围岩发生片帮。

当节理倾角增大为75°时，节理尖端产生的剪切裂纹沿着节理倾向扩展，并相互贯通成滑移剪切面，岩体发生剪切破坏，巷道围岩以劈裂片帮为主。

由表1可知，两帮中下部塑性破坏深度大于上部，节理倾角越大，两帮塑性破坏深度越小，顶板塑性破坏深度受节理倾角影响较小。0°节理巷道两帮中部塑性区深度达2.40 m，下部围岩塑性破坏深度为1.20 m ；15°节理巷道两帮中部塑性区深度达4.10 m，下部围岩塑性破坏深度为4.60 m。巷道下部左帮破坏明显大于右帮，巷道两帮发生非对称变形，这是因为巷道左侧受邻近采掘工程应力扰动影响较大所致。巷道肩角为承载软弱部位，发生了塑性破坏；15°节理巷道塑性区范围最大，巷道塑性破坏深度最大；60°节理巷道塑性区最小，主要在巷道围岩的表面，没有向深部发展，30°、45°节理巷道塑性区整体范围较大。

2.2 巷道围岩位移发展规律

模拟不同主节理角度的巷道围岩位移发展规律，隐去锚杆得到如图3所示位移矢量图(矢量箭头方向代表位移发展方向，大小表示位移发展速度)。

(a)β=0°

(b)β=15°

(c)β=30°

(d)β=45°

(e)β=60°

(f)β=90°图3 节理角度与巷道变形关系

由图3可知，不同节理倾角下，巷道位移发展方向均与节理方向一致，巷道围岩容易沿节理接触面发生张拉或剪切破坏，但不同节理角度下巷道位移发展不同，其中倾角越小围岩运移速度越大。

在巷道表面布置测点，监测得到不同节理倾角下顶板和巷帮位移，如图4、图5所示。

图4 不同节理角度顶板表面位移曲线

图5 不同节理角度左帮表面位移曲线

由图4、图5可知，巷道顶板与两帮的中点围岩位移最大，巷帮下部围岩位移大于上部围岩位移。当巷道的主节理角度为15°时，巷道围岩变形量(顶板和巷帮位移70 mm)最大，这是因为在载荷作用下，围岩节理法向上的相邻节理间出现裂纹贯通，在节理组内切割出的独立新生块体极易发生转动，转动过程中块体侧面开始发生弯曲折断，承载结构急剧劣化，导致巷道围岩最终发生大变形破坏。在巷道围岩的主节理角度为0°和90°时，巷道围岩变形量(顶板和巷帮位移 30 mm)最小。

3 节理发育巷道控制原则和技术

由上述分析可知，对于节理倾角不同区域，岩石劣化效应呈现分区域特征。为实现节理发育围岩的有效控制，提出分区域控制原则和技术。

1)对于节理倾角较小(0°～45°)的赋存区域，通过围岩改性和锚网索联合支护实现控制，将浆液压入裂隙充填空隙，形成固结网络，起到骨架支撑作用并增加岩体完整性及强度[13-15]，增大抵抗拉剪破坏能力，实现巷道稳定。

选用2TGZ-120/105型注浆泵和LJ-200型搅拌机，利用注浆锚杆进行注浆，确定浆液扩散半径为2.62 m。注浆钻孔直径42 mm、长度2 400 mm，注浆钻孔间排距为900 mm×1 800 mm，注浆时间为15～20 min，注浆压力为2 MPa，单孔注浆量为1.54～3.08 m3。

2)对于节理倾角较大(45°～90°)的赋存区域，巷道围岩易片帮劈裂失稳，提出锚网索联合支护实现控制，采用锚杆锚索将远、近处的节理发育岩层挤压组合成一体，增强节理间黏聚力和摩擦力，可以有效阻止煤岩体发生片帮劈裂破坏。

顶板支护用∅22 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×900 mm；锚索规格为∅17.8 mm×6 300 mm，间排距1 750 mm×2 700 mm，顶板采用10#铁丝编制的菱形网护顶，网格为50 mm×50 mm，菱形网规格为1 950 mm×5 600 mm[16]。钢筋梯子梁采用∅10 mm的钢筋焊制而成，规格为GT10/5600；采用ZCZ13000/26/45D型液压支架进行超前支护，支护距离30 m[17]。

4 节理发育围岩控制效果实测

贾家沟煤矿1002工作面内落差小于10 m的断层有数十条，主采的10#煤层节理发育，节理走向与巷道轴向平行，节理倾向分别为0°～45°、平均为30°，150°～160°、平均为155°，其中倾向0°～45°节理贯通，为主要节理。煤层底板为砂质泥岩，遇水易膨胀[18-19]；老顶为灰白色粉细砂岩，直接顶为泥岩，质软松散；煤层局部有泥岩伪顶，易垮落。

回风巷道围岩节理发育，片帮冒顶严重，控制困难，采用围岩改性和锚网索联合支护对顶板进行控制。布置测点，对回采期间巷道矿压显现情况进行监测[20]，得到如图6、图7所示围岩变形曲线及巷道控制效果对比图。