深部矿区巷道围岩力学参数测试及反演研究*

2024-02-26许波杨鹏军

采矿技术 2024年1期

许波,杨鹏军

(陕西延长石油榆林可可盖煤业有限公司,陕西榆林市 719000)

我国是煤炭消耗大国,随着浅部煤炭资源的日益枯竭,中东部主要矿井大多进入了千米开采范围[1-6],深部开采扰动大,地应力较高,极易引起动力冲击等灾害。传统的监测主要是针对灾害发生前引起的各类延伸指标,对其本质问题没有进一步分析解决。

现有围岩力学测试研究主要针对特定单一地点的某一范围进行测试,代表性不强,没有得到研究区域内全域的相关岩石参数。一般地,使用这一方法会导致区域地应力场的反演结果普适性不强,且难于被现场工程技术人员所使用[7-10]。此外,由于岩体力学性质与岩体中的结构面、结构体及其赋存环境密切相关,因此很难通过室内试验或原位试验获取准确且大范围内的岩体力学性质参数,而位移反分析则是解决这一问题的有效手段[11-16]。

本文通过理论分析、现场实测、数值反演等手段探究深部矿区围岩力学测试及反演研究规律,研究结果可为深部矿区地应力测量及反演提供参考。

1 矿区地层岩石力学参数测试及反演研究

东部某矿区平均总厚度为21.14 m,各煤层赋存稳定,倾角一般为5°～15°。矿井属高瓦斯矿井,随着矿井开采深度的增加,局部可能出现煤与瓦斯突出现象。本井田平均地温梯度为3.08℃/100 m;预计-780 m 水平地温为37.7～43.7℃,平均40.1℃,属地温异常区。可采煤层除6-2和1煤层不自燃至很易自燃以外,其余均很易自燃。煤尘均具有强爆炸性。

1.1 岩石取样

获取了全矿区自13-1煤顶板到1煤底板共计8层地层的围岩力学参数,具体取样地点见表1。

表1 岩石力学测试岩样取样地点

1.2 测试结果

获取了自13-1煤顶板中细砂岩(标准地层序号0403)到1煤底板粉砂岩(标准地层序号1003)内所有围岩典型标准岩块试样的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、孔隙率、容重、软化系数、黏聚力及内摩擦角等参数。限于取样条件,新生界黏土(标准地层序号0101)到16-2煤底板砂质泥岩(标准地层序号0402)以及煤样的岩石力学参数无法测定。根据上述试验,获得的结果见表2。

表2 煤岩物理力学参数

1.3 围岩力学参数反演计算模型

埋深较大的巷道在高地应力作用下,围岩由弹性状态逐渐转变为塑性状态,出现一定范围的塑性形变。为了便于模拟计算,假设围岩为各向同性的均质连续体,在弹性形变阶段,围岩符合线弹性模型,影响围岩变形量的因素主要有弹性模量E和泊松比μ。在塑性形变阶段,采用目前最常用的摩尔-库伦破坏准则,影响围岩变形量的因素有内摩擦角φ、剪胀角ψ、黏聚力C和塑性应变εpl,如图1所示。

图1 巷道围岩变形有限元计算模型

由于矿区不同巷道支护方式不同,在进行有限元数值模拟时难以对其精确模拟,有必要对支护进行一定的简化。采用等效强度法将支护强度均匀等效到模拟范围内的围岩上,围岩力学参数在开挖前后保持不变。围岩变形量用巷道两帮、顶底板收敛量表示。考虑到巷道开挖影响范围和边界效应,建立的数值模型边界距巷道边界应大于巷道宽度三倍以上距离。影响巷道围岩变形的另一主要因素是地应力,尤其对于深部巷道,高地应力对围岩变形量起着主导控制作用。根据矿区地应力反演结论,提取出巷道所在位置的地应力施加到模型上,即为巷道围岩的初始应力状态。

围岩力学参数反演流程主要包括:巷道围岩变形监测,建立二维平面模型,根据待反演围岩力学参数取值范围设置若干组参数组合赋予到模型材料中,从地应力反演模型中提取巷道位置地应力值施加到模型边界上,有限元软件进行巷道围岩变形解算创建学习样本,对支持向量回归模型进行训练并进行参数调优,然后预测待反演围岩力学参数,将预测值带入模型中进行巷道围岩变形解算,检验反演值的可靠度,反演流程如图2所示。

图2 围岩力学参数反演流程

1.4 巷道变形影响因素研究

(1) 岩石强度的影响。矿区不同开采工作面揭露砂质泥岩、泥岩、细砂岩、13-2煤层、砂质泥岩、细砂岩、13-1煤层、砂质泥岩、泥岩、12煤层、泥岩、中砂岩。围岩为粗砂岩、中砂岩的巷道施工至今仍保持稳定,而处在泥岩、砂质泥岩、细砂岩中的巷道受到不同程度破坏,不翻修不能投入使用。

(2) 地应力的影响。深部巷道开挖前,由于其高静载,原岩应力越高,开挖卸荷产生的偏应力就越大,应力一降一升导致围岩快速劣化,引起巷道失稳、变形破坏。

(3) 岩石物理力学性质的影响。矿区-780 m水平巷道围岩以高岭石为主,为弱膨胀黏土矿物,遇水易泥化、产生膨胀,流变强烈。

1.5 参数影响规律

为具体地分析不同因素对巷道变形的影响,建立数值计算模型模拟计算巷道的变形量。为了便于分析计算,合理设计的模型尺寸为长×宽=30 m×30 m,直墙半圆拱形巷道位于模型的中部,巷道宽5.4 m,墙高1.6 m,半圆拱形的半径为2.7 m(见图3)。固定巷道尺寸断面形式及支护结构,调整垂直应力、侧压系数以及岩石力学参数。为了便于计算,模型上表面施加围岩的垂直压应力,模型两侧面施加水平应力,模型下表面限制垂直移动,采用摩尔-库伦准则。

图3 数值计算模型与支护方案

如图4所示为同一岩石力学与支护参数条件及变化垂直应力条件下,巷道不同应力下的围岩变形特征。随着垂直应力由10 MPa增加到30 MPa,巷道两帮及顶底板收敛呈现增加趋势。当地应力增加到30 MPa时,两帮最大位移约为180 mm,最大底臌量约为228 mm,均已超过150 mm 的标准,说明该支护结构已难以满足该工况的安全要求,应考虑支护补强。类似的,通过数值计算也获取了其他条件下巷道围岩的变形趋势。

图4 不同垂直应力条件下巷道变形收敛计算结果

不同影响因素下的巷道变形特征如图5所示。由图5可知,抗拉强度对巷道变形的影响最大,内摩擦角次之,侧压系数、黏聚力、垂直压力对巷道破坏的影响相对较小。

图5 不同影响因素下的巷道变形特征

2 围岩力学参数反演

根据地质条件和巷道设计分别对东区北翼11-2轨道大巷和11-2回风大巷建立二维平面模型,如图6所示。

图6 东区巷道二维平面模型

由于两条巷道的测点位置较近,地应力在局部地区变化不大,因此地应力相同。通过查询矿区地应力反演结果可知,在大地坐标系下地应力分别为:σx=30.81 MPa,σy=28.78 MPa,σz=27.04 MPa,τxy=1.50 MPa,τxz=0.03 MPa,τyz=0.27 MPa。结合巷道方位角和倾角得到截面的应力状态为:σx=29.72 MPa,σy=27.11 MPa,τx y=0.50 MPa。

采用均匀设计表设计5 组不同水平的参数条件,将5组参数分别赋予两条巷道模型中进行变形计算,提取围岩在不同参数条件下的变形量(见表3),由此可分别得到5组学习样本。把围岩变形量作为输入变量,围岩力学参数作为输出变量,分别将5组学习样本带入到支持向量回归模型中进行训练,然后对训练过的模型进行评分,根据评分结果对模型参数调优,最终获得最优模型。将每个断面围岩变形量作为输入变量带入到最优模型中,输出的围岩力学参数即为该断面围岩力学参数反演值(见表4)。