大跨度軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

張毅 羅榮 周橫全

摘 要：以貴州省回歸煤礦軌道下山為工程背景，通過巷道變形量現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬，分析了大跨度軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和變形破壞特征。

關(guān)鍵詞：大跨度；FLAC；軟巖巷道；礦山壓力

1 工程背景

近年來，國家及地方相關(guān)部門相繼出臺了一些關(guān)于推進(jìn)煤礦機(jī)械化開采的政策及意見。2010年，國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局、國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)文《關(guān)于推進(jìn)煤礦機(jī)械化的指導(dǎo)意見》，意見中明確指出煤礦必須大力實(shí)施安全技術(shù)改造，不斷提高機(jī)械化程度。煤礦機(jī)械化程度的提高，必然對巷道斷面特別是巷道跨度提出越來越高的要求。加之目前貴州省煤礦開始過渡到深部開采，礦山壓力增大，原有支護(hù)方式支護(hù)效果不甚理想或雖基本滿足要求但阻礙了或不利于機(jī)械化開采順利實(shí)施。因此，在目前政策要求情況下，如何在順利推行機(jī)械化開采的同時又使巷道支護(hù)滿足安全開采要求，已是擺在煤礦技術(shù)人員面前亟待解決的一個問題。[1-2]

回歸煤礦生產(chǎn)能力為90萬t/a，面積27km2。為一套海陸交互相含煤碎屑巖沉積。以細(xì)碎屑巖為主，夾煤及石灰?guī)r。砂巖最多，一般50%左右，粉砂質(zhì)泥巖、泥巖37%，煤層8.2%，灰?guī)r4.6%，產(chǎn)腕足類化石和植物化石，厚度97.16～119.81m，平均108.09m。含煤8～12層，其中可采煤層2層，即9、15號煤層，與下伏地層茅口組呈假整合接觸。

該礦軌道下山布置于9煤和15煤之間的粉砂巖中，掘進(jìn)寬度5.0m，墻高1.8m，最小埋深約170m，最大埋深約400m，設(shè)計(jì)長度320m，現(xiàn)已掘進(jìn)約270m。此巷道圍巖條件均較差，局部分布有小斷層地層圍巖破碎變形很嚴(yán)重，現(xiàn)場使用的支護(hù)方式已無法控制圍巖變形，巷道出現(xiàn)尖頂、片幫、嚴(yán)重底鼓、錨桿出露甚至拉斷等。

2 軟巖類型分析

由軌道下山已掘部分的情況并參考地質(zhì)資料可知，巷道所處巖層構(gòu)造節(jié)理、裂隙發(fā)育，破碎帶寬度為0.2m左右，礦區(qū)內(nèi)雖未發(fā)現(xiàn)斷距大于30m的斷裂構(gòu)造，但小斷層分布較多，因此可以確定軌道下山屬于節(jié)理化程度嚴(yán)重型軟巖巷道。

本礦軌道下山圍巖抗壓強(qiáng)度均遠(yuǎn)小于25 MPa，因此本礦不屬于高應(yīng)力軟巖。由何滿潮《軟巖工程力學(xué)》第18頁表2-7“軟化程度分類表”可知本礦軌道下山在軟化程度上均屬于超軟化軟巖，工程力學(xué)狀態(tài)以膨脹、擴(kuò)容為主，該表也給出了“全斷面錨網(wǎng)噴+關(guān)鍵點(diǎn)錨索”的支護(hù)建議。[3]

3 位移觀測

采用“十字法”觀測整理，得到兩幫、頂?shù)装逅南虮O(jiān)測數(shù)據(jù)，作軌道下山變形位移相對移近量曲線圖和位移速度曲線圖如下所示。

由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果知，支護(hù)完成后至觀測完45天時，軌道下山變形速度基本趨于穩(wěn)定。巷道頂板和底板收斂量平均分別為63.6mm和43.3m，左幫和右?guī)推骄謩e為43.1mm和42.2mm，巷道頂、底板收斂速度分別逐漸穩(wěn)定在1.0mm/d左右和0.6mm/d左右，左幫和右?guī)褪諗克俣染饾u穩(wěn)定在0.3mm/d左右。四向監(jiān)測數(shù)據(jù)中，頂板移近量遠(yuǎn)大于其它三向數(shù)據(jù)；收斂速度穩(wěn)定后，頂板移近速度亦較大，為兩幫移近量的三倍以上，頂板移近速度是底板的兩倍左右。收斂速度穩(wěn)定值較高，說明現(xiàn)支護(hù)方式效果不理想，以至整體變形量持續(xù)增大，礦壓顯現(xiàn)較為劇烈。

4 數(shù)值分析

根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)，采用FLAC3D中的Mohr-Coulomb力學(xué)本構(gòu)模型，建立軌道下山數(shù)值模型。模型尺寸為200×200×200 m，共8×106個單元。模型力學(xué)邊界設(shè)定為：x，y方向邊界固定，底部全約束；模型頂部邊界加載2.0MPa載荷，即等效載荷覆巖自身重量。由軌道下山最大主應(yīng)力云圖可知，軌道下山在開挖后頂?shù)装瀹a(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，應(yīng)力集中在兩幫和頂板，兩個頂角最大，兩幫應(yīng)力集中現(xiàn)象相對較輕。由塑性區(qū)圖可知，由頂角開始帶動頂板整體提前進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)，并且以剪切破壞為主。

5 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果對該礦松軟復(fù)雜圍巖巷道變形破壞特征、軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，得出軌道下山變形量大、初期變形速度大、變形持續(xù)時間長、圍巖變形有明顯的空間效應(yīng)以及巷道對應(yīng)力振動和環(huán)境變化非常敏感的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)：

[1]李可.走向順層軟巖巷道非對稱錨網(wǎng)索支護(hù)優(yōu)化研究[J].煤，2016，（12）：14-17.

[2]曾佑富.石嘴山一礦深部高應(yīng)力松軟復(fù)雜圍巖巷道聯(lián)合支護(hù)研究[D].西安科技大學(xué)，2006.

[3]何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學(xué).北京：科學(xué)出版社，2002.

基金項(xiàng)目：貴州理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201614440059）