露天转井工巷道近邻边坡围岩渐进破裂机制及加固方案

曲 柱，王恩超，谷廷华，张文浩

（1.济宁市金桥煤矿，山东 济宁 277000；2.济宁市能源综合执法支队，山东 济宁 277000；3.阜新高海矿业有限公司，辽宁 阜新 123000）

0 引 言

自上世纪中叶以来，全世界范围内已经投产的露天矿有1 500余座，涵盖煤炭、金属、化工、建材等各行业的矿山，历经数十年的高强度开采，大部分露天矿矿山正在或者已经转入露天和地下联合开采或者完全地下开采[1]。国内外学者针对露天转井工围岩控制难点，开展了广泛的研究，武懋采用有限元方法研究了露—井联采模式下煤层的倾角对边坡的稳定性影响，表明边坡围岩受到露天和井工开采的采动影响，其稳定性大幅下降，威胁露天矿的安全生产[2]。孙世国以云冶矿山露天转地下开采为案例，研究了不同区域的采区对边坡稳定的影响，建议应根据不同开采位置识别边坡易诱发的危险变形区域[3]。

断层破碎带是露天矿、井工开采施工过程中最常见的地质缺陷，也是工程设计与施工的难点，若支护方案选择不合理，会诱发巷道、边坡塌方事故[4-6]。马熹焱针对含弱层破碎带软弱结构地质条件下安家岭露天矿的边坡稳定性开展了相似模拟研究，表明该区域的边坡变形破坏主要受断层破碎带控制[7]。刘明采用应力探测方法研究了断层破碎带巷道的变形特征，表明受断层破碎带影响，应力和变形集中在断层破碎带附近[8]。朱琳研究了煤矿石门穿越断层破碎带的地面预注浆技术[9]。

本文以阜新高海煤矿露天转井工开采斜井施工过程中实际揭露的断层破碎带为工程背景，分析了巷道近邻边坡围岩的渐进破坏特征，并针对围岩的破坏特点，提出合理的加固方案，保障现场作业安全。

1 概 况

阜新高海煤矿采用露-井联采的生产方式，开拓方式为斜井，其中斜井设计开挖界面半径为3 m，埋深15~30 m，采用综掘机掘进，斜井入口临近边坡，边坡护砌高度15 m，坡度60°，为高陡边坡，如图1所示。经对初露地层进行踏勘和实验室研究，斜井穿越断层破碎带砾岩地层，沿着断层破碎带两侧岩体发生明显的相对位移，使破碎带内部分岩石发生拉张性或挤压，形成碎屑结构，含量约70%，破碎带内较完整的岩石含量约30%。

图1 巷道与边坡的几何关系示意Fig.1 Geometric relation between roadway and slope

在试验段施工时，洞身收敛值多次接近预警值，巷道围岩出现了局部掉块现象，边坡坡脚开裂，围岩不稳定，施工风险高，亟需对该地层条件下巷道失稳机制、破裂规律进行系统研究，并有针对性提出加固方案，确保现场作业安全。

2 数值模拟实验方法

2.1 多边形生成方法

目前，针对断层破碎带的表征方法主要有多边形法和随机椭圆法，建模方法主要有数字图像建模法和随机生成法2种[10]。本文通过控制随机圆直径的方法生成不同尺寸的多边形断层破碎带完整的岩石，如图2所示。

（1）根据边坡揭露断层破碎带完整岩石的长轴，生成多边形的最大外接圆，根据图2（a）的几何关系，则岩石的轮廓点A1、A2坐标见式（2）。其中，A1坐标采用“+”计算得出，A2坐标采用“-”计算得出。

式中：xo为断层破碎带完整岩石的质心o点的横坐标；yo为断层破碎带完整岩石的质心o点的纵坐标；R1为断层破碎带完整岩石的最大外接圆的半径，m；β1为断层破碎带完整岩石的最大外接圆对应的随机角度，（°）。

式中：rand（0.1）为0~1随机数。

（2）同理根据图2（b）的结合关系，根据式（1）只改变圆的半径，即R1变为r1，对应随机角度的大小β1变为α1，得到岩石在最小内接圆轮廓点A3、A4的坐标。

（3）设中间内接圆的半径为r2，并通过畸变系数控制生成式（3）。

式中：μ为畸变系数1，取值范围0~0.6；k为畸变系数2，取值范围0~0.2。

设中间内接圆对应岩石的随机角度α1，并通过畸变系数控制生成式（4）。

式中：rand（α1，β1）为α1~β1的随机数。

同理，根据图2（b）的结合关系，根据式（1）只改变圆的半径，即r1变为r2，对应随机角度的大小β1变为2，得到岩石在最小内接圆轮廓点A5的坐标。

（4）对所有断层破碎带完整岩石最长轴与最短轴的比值直方图有效性检验。针对该地质条件下的断层破碎带完整岩石含量，进行至少1 000次的迭代运算，直至岩石长轴与短轴比值累计概率曲线与现场揭露的误差最小，此次实验最终误差值为0.1%，如图2（b）所示，可有效表征断层破碎带地 层，最终得到的离散元计算模型图如2（c）所示。

图2 断层破碎带多边形模型生成流程Fig.2 The generation process of polygonal model of fault fracture zone

2.2 模型建立

在数值模拟计算过程中，块体采用弹塑性本构模型，接触面采用库伦—摩尔本构。根据巷道与边坡的几何关系，建立模型宽60 m，高60 m，在模型中部设置圆形巷道开挖区，开挖轮廓半径为3 m，固定模型侧向边界的水平位移和底部边界的垂直位移，施加重力加速度，模拟岩层的初始平衡条件。断层破碎带的碎屑结构由0.01 m小块体划分，如图3所示。采用UDEC内置的函数库—“zonk.fis”来模拟巷道开挖的应力逐渐释放过程。巷道表面应力分为5个阶段释放，释放系数r从0到1，增量为0.2，定义i为应力释放系数，i=0.2表示施加在巷道表面的应力释放了20%。

图3 数值模拟计算Fig.3 Numerical simulation

2.3 参数选择

完整砾岩、碎屑采用弹塑性本构模型，研究材料的物理参数见表1，数值试验中获得的轴向应力—轴向应变曲线以及破坏规律与室内单轴压缩实验较为一致，表明参数合理。

表1 研究材料的物理参数Table 1 Physical parameter of materials studied

3 围岩渐进失稳特征分析

3.1 位移场特征

监测点布置如图4（a）所示，分别位于巷道上半区域，按照顺时方向，间隔45°，依次在临近开挖界面设置为1号、2号、3号、4号、5号监测点。图4（b）为监测点的垂直位移曲线。图4（c）、图4（d）、图4（e）、图4（f）分别为应力释放系数为0.2、0.4、0.8、1时的垂直位移计算结果。

图4 位移场渐进破坏特征Fig.4 The progressive failure characteristics of displacement field

随着应力释放系数的增大，围岩垂直位移以阶梯状的形式逐渐增大，并且呈现非对称特征，当应力释放系数≤0.2时，巷道周围岩体的碎屑结构出现明显变形，如1号、3号、4号、5号监测点数值接近15 mm，由于2号监测点附近存在大块砾岩，其位移量变化不明显，仅为4.3 mm；当应力释放系数≤0.4时，2号监测点位移趋于稳定，其他监测点的位移增量继续增大，表明巷道位移量受岩石各项异性的影响较大；当应力释放系数≤0.8时，在4号监测点位置附近的围岩位移量迅速增大至19.8 mm，接近预警值，出现了明显的应力松弛区，表明该监测点位移量开始由浅部向围岩深部转移；当应力释放系数为1时，此时应力完全释放完毕，巷道变形呈现非对称的特点，右拱肩（4号）测点的垂直位移最大，为25.1 mm，超过了预警值，右拱腰、左拱腰（1号测点）的垂直位移接近，分别为17.6 mm、17.1 mm，接近预警值，拱顶的垂直位移为15.2 mm。

3.2 裂隙场特征

图5为围岩裂隙场的渐进破坏计算结果。当应力释放系数≤0.2时，裂隙的数目为526条，裂隙多以孤立状态发育，集中在靠近巷道开挖界面的碎屑结构中，以及边坡坡脚位置如图5（a）所示；当应力释放系数≤0.4时，裂隙数目略微增长，为641条，此时裂隙由巷道周边围岩开始，沿碎屑结构向边坡坡脚方向扩展，如图5（b）所示；当应力释放系数≤0.8时，一方面裂隙扩展程度加大，另一方面裂隙不断扩展、发育规模逐渐增大，裂隙数目迅速增长，为1 237条，如图5（c）所示；当应力释放系数为1时，裂隙数目为1 382条，巷道周围裂隙圈与坡脚破坏面贯通，巷道右拱肩出现了局部掉块现象，靠近巷道表面的完整岩石内部出现微裂隙，如图5（d）所示。

图5 裂隙场渐进破坏特征Fig.5 Progressive failure characteristics of fracture field

裂隙渐进破坏规律可以概括为3个关键阶段。

（1）裂隙以孤立状态发育为主，主要分布位置集中在临近巷道开挖面和边坡坡脚。

（2）裂隙自开挖临近面逐渐向边坡坡脚扩展，并且优先在碎屑结构中扩展。

（3）裂隙发育规模、扩展程度加大，巷道围岩与边坡跛脚间形成宏观贯通破坏面，最终诱发巷道围岩局部失稳。

4 加固方案

4.1 边坡加固方案

从边坡和巷道的破坏特征来看，边坡加固区设置的位置越低，越能阻碍巷道拱顶围岩与边坡之间的破裂面贯通，故将加固区设置在挡土墙上方的岩体中，锚杆长度采用渐变方式，即在边坡底部锚杆长度10 m，在边坡中部锚杆长度为5 m，间距为2 m，两者之间的锚杆长度为线性变化，锚杆的安装角度与边坡坡面垂直，如图6所示，在实际施工过程中，密切掌握钻头钻进情况，可微调锚杆安装角度，确保锚杆锚固区嵌入断层破碎带完整的岩石中。

图6 加固方案Fig.6 Reinforcement scheme

4.2 巷道超前深孔注浆加固方案

采用钢性袖阀管深孔注浆超前加固巷道周边断层破碎带岩体，横断面为初支轮廓线外1 m及内侧0.5 m，纵向面为下穿、侧穿边坡区间，注浆材料使用水泥-水玻璃浆液，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5；水泥浆水灰比1∶1，注浆压力初压0.3~0.5 MPa，终压0.5 MPa，坚持信息化施工，加强巷道开挖后洞身沉降与侧移、及时反馈。

4.3 工程实践

在试验段应用本文提出的加固方案，通过对拱肩、拱顶进行85 d的位移观测，位移趋于稳定，稳定在预警值20 mm以下，如图7所示，洞身收敛值得到了控制，表明本文提出的加固方法合理、可行。

图7 巷道收敛值Fig.7 Roadway convergence value

5 结 论

本文以阜新高海煤矿露天转井工开采斜井施工过程中实际揭露的断层破碎带为工程背景，提出了断层破碎带的表征方法，并开展了巷道下穿边坡的围岩位移场、裂隙场的渐进演化规律，最后根据围岩和边坡的破坏特点，针对性提出了加强坡脚支护、巷道超前注浆的加固方案，得出以下结论。

（1）使用突变系数法随机生成了断层破碎带离散元计算模型，通过检验多边形的长轴与短轴比值的分布直方图，表明方法可行、合理。

（2）在断层破碎带地层施工，巷道下穿高陡边坡，破裂始于临近开挖面和边坡坡脚的断层破碎带的碎屑结构，自开挖临近面逐渐向边坡坡脚扩展，不断扩展、发育，最终形成宏观破裂面，诱发了巷道局部失稳现象，受断层破碎带的各项异性影响，破坏呈非对称的特点。

（3）针对破裂面最初形成的位置，提出了巷道超前注浆加固，加固半径设置为1.5 m，边坡安装锚杆，有效控制了巷道围岩变形，保障了作业安全。