滑動(dòng)構(gòu)造區(qū)煤巷圍巖松動(dòng)圈數(shù)值模擬

普冬冬

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

鄭煤集團(tuán)告成煤礦地處“嵩-箕”滑動(dòng)地質(zhì)構(gòu)造帶腹地，煤層和直接頂板原生結(jié)構(gòu)已被完全破壞，層理不清晰，滑面和摩擦鏡面發(fā)育。在這種應(yīng)力環(huán)境中，煤層及直接頂、底板對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)極為敏感，在構(gòu)造應(yīng)力和采掘應(yīng)力的雙重作用下，巷道周邊的煤、巖體具有明顯的蠕變流動(dòng)特征，主要表現(xiàn)為應(yīng)力擾動(dòng)過(guò)程中巷道全斷面急劇收縮，其中巷道兩幫內(nèi)移和底鼓尤為嚴(yán)重，導(dǎo)致巷道圍巖控制十分困難。本研究以告成煤礦23041下順槽為例，使用FLAC 3D軟件[1]對(duì)圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍及影響因素進(jìn)行數(shù)值模擬并分析，以期為后期巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供技術(shù)支持。

23041工作面是告成煤礦23采區(qū)的首采工作面，地表標(biāo)高為+283.5～+298.4 m，井下標(biāo)高為-256.8～-382.6 m；工作面煤層厚度為4.91～6.23 m，平均厚度為5.89 m；煤層傾角為3°～17°，平均傾角為13°；煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為14.1～25.8 m，平均厚度為18.52 m；老頂為泥巖，厚度為0～2.46 m，平均厚度為1.5 m；煤層直接底為砂巖，厚度為6.29～15.60 m，平均厚度為10.6 m；老底為L(zhǎng)8灰?guī)r，厚度為0.24～3.40 m，平均厚度為2.11 m。

1 滑動(dòng)構(gòu)造區(qū)煤巷圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍

巷道掘進(jìn)打破了原巖應(yīng)力平衡，巷道圍巖受力狀態(tài)由“三向應(yīng)力”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟上驊?yīng)力”狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布和局部應(yīng)力集中，在巷道圍巖強(qiáng)度大幅下降的同時(shí)，巷道圍巖中出現(xiàn)了一個(gè)松弛破碎帶，即松動(dòng)圈。理論上，對(duì)于絕大多數(shù)大變形巷道而言，巷道圍巖松動(dòng)圈范圍比較大，且通常情況下認(rèn)為巷道圍巖松動(dòng)圈的巖體不具備自承載能力，故松動(dòng)圈范圍往往直接決定著巷道支護(hù)的難度。

一般情況下，對(duì)于中等硬度的煤、巖巷道而言，掘進(jìn)引起的應(yīng)力重新分布過(guò)程中，由剪切和拉伸破壞產(chǎn)生的松動(dòng)圈極為明顯，這種存在明顯斷裂特征的松動(dòng)圈通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)能夠準(zhǔn)確探測(cè)到。但對(duì)于告成煤礦二1煤層而言，由于巷道煤體原生結(jié)構(gòu)在歷次滑動(dòng)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中早已被完全破壞，煤層結(jié)構(gòu)疏松且呈粉末狀，煤體變形過(guò)程中具有較高的流動(dòng)性，難以像其他中硬煤巖那樣出現(xiàn)明顯的斷裂破壞。因此，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在告成煤礦二1煤層這樣的粉末狀構(gòu)造煤層中探測(cè)效果并不好。

對(duì)于類似23041工作面下順槽這種變形大的煤巷，可以采用鉆孔窺視的方法輔助探測(cè)巷道圍巖的松動(dòng)范圍。由于二1煤層具有極強(qiáng)的蠕變流動(dòng)特性，盡管厚煤區(qū)巷道變形量較大，但從不同深度的鉆孔窺視截面可見(jiàn)，0～7 m鉆孔孔壁結(jié)構(gòu)都比較完整，并不存在像巖石鉆孔孔壁一樣明顯的破裂、離層現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 煤巷鉆孔窺視截面Fig.1 Cross-section image of coal roadway drilling hole

告成煤礦二1煤層屬于“三軟”煤層，具有極強(qiáng)的流動(dòng)性和可再生性，并且再生煤體仍然具備一定的承載能力，故傳統(tǒng)概念中松動(dòng)圈范圍(破碎區(qū)、破裂區(qū))和松動(dòng)圈巖體的承載性能定義(喪失承載能力)并不適用于二1煤層巷道。也有部分學(xué)者將松動(dòng)圈等價(jià)為巷道周邊塑性區(qū)，但實(shí)際上巷道塑性區(qū)不僅范圍較大，而且大部分處于塑性狀態(tài)的圍巖仍然具有一定的自承載能力，將其與松動(dòng)圈等價(jià)并不科學(xué)[2-4]。

為確定23041工作面下順槽松動(dòng)圈發(fā)育范圍，根據(jù)23041工作面下順槽地質(zhì)采礦條件，建立FLAC 3D數(shù)值計(jì)算模型，其巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。在該模型中，煤層厚度選擇6.0 m，巷道位置原巖鉛錘應(yīng)力取16.90 MPa，側(cè)壓系數(shù)取1.5，直墻半圓拱形巷道凈斷面為5.0 m×3.5 m，錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm，錨桿錨固長(zhǎng)度為1.0 m，間排距為800 mm×800 mm，護(hù)表構(gòu)件為8#鐵絲網(wǎng)。

表1 數(shù)值模型巖層力學(xué)參數(shù)Tab.1 Rock mechanics parameters of numerical model

23041工作面下順槽掘出后，在高地應(yīng)力作用下巷道圍巖中形成了不規(guī)則的塑性區(qū)，其中底板塑性區(qū)最大深度達(dá)7.5 m，頂板塑性區(qū)略小于底板，達(dá)到 7.1 m，兩幫塑性區(qū)為4.9 m，如圖2所示。結(jié)合巷道圍巖位移分布云圖(見(jiàn)圖3)，錨網(wǎng)支護(hù)巷道變形以頂板下沉和底鼓為主，巷道頂板最大下沉量約310 mm，最大底鼓量約275 mm，巷道頂、底板收縮量接近600 mm，兩幫移近量接近450 mm。但從巷道圍巖整體位移分布情況來(lái)看，巷道深部圍巖位移量并不大，巷道圍巖變形主要以淺部0～3 m煤體的剪脹變形為主。顯然，巷道周邊大部分處于塑性狀態(tài)的煤體變形量并不大，也證實(shí)了將塑性區(qū)等同于松動(dòng)圈并不合適。

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育范圍Fig.2 Development range of plastic zone of surrounding rock of roadway

圖3 巷道圍巖位移分布Fig.3 Nephogram of displacement distribution of surrounding rock in roadway

煤、巖的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，一旦出現(xiàn)拉伸破壞往往對(duì)應(yīng)產(chǎn)生破裂和斷裂。因此，與處于剪切屈服狀態(tài)的圍巖相比，當(dāng)前和曾經(jīng)產(chǎn)生拉伸破壞的圍巖損傷程度更高，而且松散破裂的煤巖體承載能力極低，可以把這部分圍巖體視為松動(dòng)圈。結(jié)合巷道圍巖塑性區(qū)分布圖(圖4)可知，巷道底板處于拉伸破壞狀態(tài)的單元數(shù)量最多，松動(dòng)圈最大深度達(dá)到1.75 m；巷道兩幫松動(dòng)圈深度相對(duì)較小，最大深度約1.53 m；相對(duì)于底板和兩幫，巷道拱部松動(dòng)圈分布連續(xù)性較差，最大深度約 2.48 m。

同時(shí)，由圖4可知，松動(dòng)圈在巷道圍巖中并不是連續(xù)存在的，缺少支護(hù)的底板是巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育最連續(xù)、均勻的部位，其次是巷道起拱線和肩窩部位。巷道掘進(jìn)期間，頂板松動(dòng)圈最大范圍甚至波及直接頂界面。

圖4 巷道圍巖松動(dòng)圈分布Fig.4 Distribution map of surrounding rock loose zone of roadway

2 滑動(dòng)構(gòu)造區(qū)煤巷圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍影響因素

2.1 水平應(yīng)力

告成煤礦地處“嵩-箕”滑動(dòng)地質(zhì)構(gòu)造帶腹地，井田范圍內(nèi)最大主應(yīng)力以水平應(yīng)力為主。圖5顯示了側(cè)壓系數(shù)分別為0.5、1.0、1.5和2.0時(shí)的巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍。模型中，巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm，錨桿錨固長(zhǎng)度為1.0 m，間排距為800 mm×800 mm，護(hù)表構(gòu)件為8#鐵絲網(wǎng)。

圖5 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍Fig.5 Development range of surrounding rock loose zone of roadway under different lateral pressure coefficient

由圖5可知，在相同的支護(hù)參數(shù)下，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，水平應(yīng)力增大，巷道圍巖塑性區(qū)也在不斷擴(kuò)大。在相同的支護(hù)方式下，巷道所處的應(yīng)力水平對(duì)松動(dòng)圈最大發(fā)育深度影響不大，但會(huì)使松動(dòng)圈內(nèi)出現(xiàn)拉伸破壞的圍巖單元密度增加。

2.2 支護(hù)方式

圖6顯示了錨網(wǎng)支護(hù)和U型鋼支護(hù)下巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍。由圖6可知，在側(cè)壓系數(shù)λ=1.5時(shí)，U型鋼支護(hù)巷道塑性區(qū)范圍遠(yuǎn)大于錨網(wǎng)支護(hù)巷道，且U型鋼支護(hù)巷道圍巖出現(xiàn)拉伸破壞的深度和單元數(shù)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨網(wǎng)支護(hù)巷道，表明巷道支護(hù)方式對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍影響很大。

圖6 不同支護(hù)方式下巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍Fig.6 Development range of surrounding rock loose zone of roadway under different supporting methods

當(dāng)巷道采用被動(dòng)支護(hù)時(shí)，由于U型鋼支架初期不承載，放任巷道淺部圍巖離層、破裂，導(dǎo)致巷道頂板圍巖松動(dòng)圈范圍越來(lái)越大。與此同時(shí)，隨著巷道底板的不斷鼓起，底板松動(dòng)圈范圍不僅深度增大，而且向巷道兩側(cè)不斷擴(kuò)展，最大深度甚至超過(guò)巷道跨度。從巷道兩幫的松動(dòng)圈發(fā)育深度看，雖然與錨網(wǎng)支護(hù)巷道相比，U型鋼支護(hù)巷道兩幫松動(dòng)圈深度有所增大，但出現(xiàn)拉伸破壞單元的密度確實(shí)較低。

2.3 錨網(wǎng)護(hù)表構(gòu)件強(qiáng)度

針對(duì)高應(yīng)力作用下二1煤層蠕變特性顯著的特點(diǎn)，在錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)中護(hù)表構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度起著至關(guān)重要的作用。圖7顯示了采用鐵絲網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)護(hù)表構(gòu)件時(shí)巷道圍巖松動(dòng)圈的發(fā)育范圍。由圖7可見(jiàn)，當(dāng)錨網(wǎng)支護(hù)巷道采用護(hù)表強(qiáng)度更高的鋼筋網(wǎng)時(shí)，盡管錨桿支護(hù)技術(shù)參數(shù)一致，但巷道頂、幫圍巖松動(dòng)圈范圍急劇縮小，其中巷道頂板松動(dòng)圈范圍縮小最為明顯。

圖7 不同護(hù)表構(gòu)件下巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍Fig.7 Development range of surrounding rock loose zone of roadway under different surface protection components

對(duì)于一般的錨網(wǎng)支護(hù)巷道而言，為便于施工，金屬網(wǎng)護(hù)表構(gòu)件普遍選用菱形鐵絲網(wǎng)，但菱形鐵絲網(wǎng)柔性較大，施工過(guò)程中難以緊貼巖面，對(duì)巷道錨桿間的圍巖變形控制較差。因此，在選用菱形鐵絲網(wǎng)作為護(hù)表構(gòu)件的煤礦巷道中，大體積網(wǎng)兜極為常見(jiàn)，個(gè)別網(wǎng)兜中的碎脹煤巖甚至達(dá)數(shù)噸。這些網(wǎng)兜若不及時(shí)處理，隨著菱形鐵絲網(wǎng)護(hù)表構(gòu)件的破壞，錨網(wǎng)支護(hù)巷道存在隨時(shí)冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)。

不同護(hù)表構(gòu)件條件下巷道圍巖位移分布云圖如圖8所示。對(duì)比采用菱形鐵絲網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)的巷道圍巖變形量可見(jiàn)，在錨桿參數(shù)一致的情況下，采用菱形鐵絲網(wǎng)支護(hù)的巷道最大變形量達(dá)到443.2 mm，而采用鋼筋網(wǎng)支護(hù)的巷道最大變形量為200.2 mm，變形量減少約54.8%。由此可見(jiàn)，提高護(hù)表構(gòu)件強(qiáng)度，對(duì)于蠕變特性極強(qiáng)的二1煤層巷道具有十分重要的意義。

圖8 不同護(hù)表構(gòu)件條件下巷道圍巖位移分布云圖Fig.8 Nephogram of displacement distribution of surrounding rock of roadway under different surface protection conditions

3 結(jié)論

(1)對(duì)于告成煤礦二1煤層而言，將松動(dòng)圈等價(jià)為巷道周邊塑性區(qū)并不科學(xué)，而將處于拉伸破壞狀態(tài)的圍巖體視為松動(dòng)圈更為合理。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明：23041工作面下順槽圍巖松動(dòng)圈內(nèi)，頂板、兩幫及底板的最大深度分別為2.48 m、1.53 m和1.75 m。

(3)在支護(hù)參數(shù)不變的條件下，水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育深度影響較小，但水平應(yīng)力的增大會(huì)使松動(dòng)圈內(nèi)出現(xiàn)拉伸破壞的圍巖單元密度增加。

(4)巷道支護(hù)方式和護(hù)表構(gòu)件的強(qiáng)度對(duì)圍巖松動(dòng)圈發(fā)育深度影響巨大，提高錨網(wǎng)主動(dòng)支護(hù)護(hù)表構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度是控制巷道變形的關(guān)鍵。