采動(dòng)巷道軟弱頂板塑性破壞演化規(guī)律與支護(hù)方案

張 鋒,李永恩,郭志強(qiáng),邱玖琢,盧 剛

(1.國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)源電力有限公司，北京 100033；2.內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司敏東一礦，內(nèi)蒙古 海拉爾 021000)

0 引 言

巷道頂板塑性破壞是引發(fā)頂板整體破裂、產(chǎn)生圍巖大變形、造成支護(hù)失效進(jìn)而導(dǎo)致巷道冒頂?shù)闹匾?，支護(hù)設(shè)計(jì)中也多依據(jù)圍巖塑性區(qū)幾何特征進(jìn)行冒頂控制設(shè)計(jì)[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)，回采工作面采動(dòng)影響造成巷道塑性區(qū)會(huì)呈現(xiàn)蝶葉形態(tài)特征，尤其對(duì)巷道軟弱頂板穩(wěn)定性產(chǎn)生極為不利的影響[4-6]。因此，揭示采動(dòng)過(guò)程中塑性區(qū)在軟弱頂板中的擴(kuò)展演化規(guī)律，對(duì)頂板支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇、冒頂隱患的識(shí)別等方面具有實(shí)際意義[7]。針對(duì)采動(dòng)軟弱頂板巷道圍巖塑性區(qū)分布與頂板控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，取得了諸多行之有效的成果。文獻(xiàn)[8-11]提出了鉆孔與巷道圍巖的周圍的“蝶形塑性區(qū)”理論，認(rèn)為采動(dòng)引起的圍巖周邊主應(yīng)力大小、方向的變化是產(chǎn)生不規(guī)則塑性區(qū)的根本原因，并闡述了圍巖的非對(duì)稱大變形破壞是有蝶形塑性區(qū)引起的力學(xué)機(jī)制。文獻(xiàn)[12-14]通過(guò)對(duì)深部巖巷開挖后圍巖應(yīng)力演化特征、變形破壞規(guī)律的分析，揭示了深井巖巷圍巖穩(wěn)定性控制機(jī)理。SOFIANOS等[15]應(yīng)用離散元分析軟件UDEC研究了軟弱頂板穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出巖層厚度增大導(dǎo)致錨固頂板跨中的下沉量減小，有利于頂板的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[16-18]建立了含夾層巖體的組合系統(tǒng)力學(xué)模型，認(rèn)為夾層與圍巖中強(qiáng)度較低的巖層首先發(fā)生破壞，導(dǎo)致原本穩(wěn)定的巖層受到擠壓，出現(xiàn)張拉破壞，甚至頂板發(fā)生徹底失穩(wěn)。孫廣京等[19]發(fā)現(xiàn)頂板破碎巖塊強(qiáng)度低，幫部煤塊裂隙發(fā)育、底板泥巖軟弱是造成巷道全斷面變形失穩(wěn)的主要原因，據(jù)此提出強(qiáng)力控制軟弱破碎頂板，強(qiáng)化約束幫部煤體，加強(qiáng)隔水預(yù)防巷道底鼓的控制原理和“控頂先固幫，固幫先護(hù)底”的支護(hù)原則。孫健新[20]軟弱煤巖復(fù)合頂板巷道頂板不協(xié)調(diào)變形、片幫嚴(yán)重、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞是由高應(yīng)力導(dǎo)致的圍巖流變、地質(zhì)條件差、水的影響和圍巖結(jié)構(gòu)不合理造成的。馬振乾等[21]研究了不同頂板軟弱巖層厚度下巷道圍巖能量演化規(guī)律,并提出基于能量平衡的巷道支護(hù)技術(shù)原理。這些成果從不同層面闡述了軟弱頂板巷道圍巖塑性區(qū)分布特征，筆者以敏東一礦采動(dòng)巷道為背景，采用以數(shù)值模擬為主的研究方法，結(jié)合前人研究成果，系統(tǒng)研究了采動(dòng)巷道塑性區(qū)在軟弱頂板中演化規(guī)律及控制方法，為軟弱頂板巷道冒頂控制與支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供借鑒與指導(dǎo)。

1 巷道軟弱頂板結(jié)構(gòu)特征

敏東一礦主采16-3煤層，埋深290 m左右，煤層厚度6.0～13.0 m，傾角3°～7°。為了解煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行了頂板鉆孔窺視，結(jié)果顯示回采巷道頂板留有厚度為2.4 m的頂煤，從頂板巖性上看，頂板結(jié)構(gòu)復(fù)合特點(diǎn)顯著，主要以炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，且分層厚度普遍較薄，均在0.4～2.0 m，如圖1所示。此外，頂板巖層強(qiáng)度極弱，單軸抗壓強(qiáng)度2.0～5.0 MPa，不足煤層單軸抗壓強(qiáng)度的1/3。I0116306工作面回風(fēng)巷與I0116304工作面采空區(qū)之間的煤柱尺寸為30 m，I0116306工作面回采時(shí)，工作面前方30 m左右范圍內(nèi)巷道礦壓顯現(xiàn)極為劇烈，出現(xiàn)明顯的非對(duì)稱變形、支護(hù)體破壞等現(xiàn)象，并出現(xiàn)多次冒頂、漏頂事故。

圖1 I0116306回風(fēng)巷頂板巖層結(jié)構(gòu)Fig.1 Roof strata structure of I0116306 tail entry

2 巷道頂板破裂形式與塑性區(qū)演化

2.1 采動(dòng)巷道應(yīng)力環(huán)境特征

工作面布置如圖2所示，在I0116306工作面超前支承壓力和I0116304工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力的疊加影響下，I0116306回風(fēng)巷出現(xiàn)較大程度的支承壓力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)3～5，導(dǎo)致采動(dòng)巷道周邊主應(yīng)力比(σ1/σ3)也急劇升高[5，22-23]。

圖2 采區(qū)工作面布置Fig.2 Layout of coal face in district

同時(shí)，受鄰近工作面覆巖移動(dòng)影響，巷道圍巖周邊應(yīng)力中的最大主應(yīng)力方向也將發(fā)生大幅度的偏轉(zhuǎn)，如圖3所示。因此，為簡(jiǎn)化模擬試驗(yàn)過(guò)程并闡述一般規(guī)律，在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，采用特定應(yīng)力環(huán)境(表1)特征針對(duì)性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。掘進(jìn)期間，巷道(I0116306運(yùn)輸巷)沒有明顯的礦壓顯現(xiàn)，其周邊應(yīng)力環(huán)境特征視為等壓應(yīng)力環(huán)境；采動(dòng)期間，給出3組具有代表性的采動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)，巷道周邊圍巖雙向主應(yīng)力比值最大取2.5，主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)角度最大取40°。

圖3 采動(dòng)巷道圍巖周邊應(yīng)力分布Fig.3 Stress environment characteristics of mining roadway

表1 數(shù)值模擬采用的應(yīng)力環(huán)境方案Table 1 Stress environment scheme adopted in numerical simulation

2.2 采動(dòng)巷道軟弱頂板塑性區(qū)分布

2.2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)敏東一礦主采16-3煤層具體地質(zhì)條件(圖1)，綜合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)柱狀信息，選擇有限元FLAC3D模擬軟件，建立了I0116306工作面回采巷道數(shù)值模型，模型中煤層及巷道頂?shù)装甯鲙r層的物理力學(xué)參數(shù)見表2。模型尺寸為48.0 m×33.4 m，巷道為直墻半圓拱斷面(4.0 m×3.4 m)，如圖4所示。數(shù)值模型應(yīng)力開挖前施加，并未直接模擬采煤工作面回采過(guò)程對(duì)巷道的影響，而是通過(guò)分析采煤工作面周邊巷道位置處的采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境特點(diǎn)，包括主應(yīng)力大小、比值和方向(表1)。實(shí)際加載利用文獻(xiàn)[19]中的式(1)—式(5)將極坐標(biāo)系下的應(yīng)力公式變換為直角坐標(biāo)系下的應(yīng)力公式，進(jìn)一步得到模型所施加相應(yīng)的初始應(yīng)力，進(jìn)而換算成模擬中可以賦值的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力。模型上邊界施加相應(yīng)條件的垂直應(yīng)力，模型限制x、y方向上的位移和初速度，模擬采用基于彈塑性理論的摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。

表2 煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanics parameters of coal seam roof and floor

2.2.2 掘進(jìn)影響期間數(shù)值模擬結(jié)果及分析

敏東一礦I0116306工作面運(yùn)輸巷在成巷后至采動(dòng)影響前，巷道圍巖周邊可視為均勻應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，掘進(jìn)期間巷道周邊塑性破壞范圍較小，頂板最大塑性破壞深度不超過(guò)0.3 m，如圖5所示?，F(xiàn)場(chǎng)情況也表明，巷道頂板始終較為穩(wěn)定，設(shè)計(jì)采用的巷道支護(hù)參數(shù)可較好滿足支護(hù)要求，頂板下沉量不大，一般不會(huì)超過(guò)30 mm，無(wú)支護(hù)損壞現(xiàn)象。

圖5 掘進(jìn)期間巷道周邊塑性破壞分布Fig.5 Distribution of plastic failure around roadway during excavation

2.2.3 采動(dòng)影響期間數(shù)值模擬結(jié)果及分析

采用表1中數(shù)值模擬應(yīng)力環(huán)境方案進(jìn)行采動(dòng)影響期間數(shù)值模擬，分為3個(gè)階段，即受上區(qū)段工作面采動(dòng)影響的掘進(jìn)期間(σ1/σ3=1.8，β=30°)、受上、下區(qū)段工作面復(fù)合采動(dòng)影響的初始采動(dòng)影響期間(σ1/σ3=2.3，β=35°)、受上、下區(qū)段工作面復(fù)合采動(dòng)影響的劇烈采動(dòng)影響期間(σ1/σ3=2.5，β=40°)，其中，β為最大主應(yīng)力與豎直方向的夾角，數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 巷道軟弱頂板塑性區(qū)演化過(guò)程Fig.6 Plastic failure zone evolution process of weak roof in roadway

由圖6可知，巷道軟弱頂板首先在淺部煤層頂板里發(fā)生塑性區(qū)破壞并不斷演化，隨著工作面不斷回采，頂板破壞未出現(xiàn)傳統(tǒng)理論所認(rèn)為的“逐層依次破壞”，而是穿透至煤層上方的泥巖層和粉砂質(zhì)泥巖層，形成高位塑性區(qū)，最大塑性破裂高度達(dá)到5.2 m。這種高位穿透塑性區(qū)形成過(guò)程中，勢(shì)必伴隨著強(qiáng)烈的變形壓力，形成對(duì)未發(fā)生塑性破壞的中位頂板產(chǎn)生巨大的擠壓作用，導(dǎo)致中位巖層出現(xiàn)拉壞為主的斷裂破壞，最終導(dǎo)致圍巖大變形甚至出現(xiàn)冒頂事故。巷道軟弱頂板變形破壞過(guò)程可歸納為4個(gè)階段：①初始塑性區(qū)形成，在原巖應(yīng)力作用下，巷道掘進(jìn)成巷后，周邊圍巖出現(xiàn)小范圍的塑性破壞，圍巖變形不大，易支護(hù)。②淺部塑性區(qū)擴(kuò)展，工作面回采造成巷道圍巖周邊2個(gè)主應(yīng)力大小、主應(yīng)力比值升高以及主應(yīng)力方向的改變，導(dǎo)致淺部塑性區(qū)出現(xiàn)非均勻性擴(kuò)展，伴隨著頂板非均勻性變形，如圖6a所示。③高位穿透塑性區(qū)的形成與擴(kuò)展，隨著工作面進(jìn)一步回采，主應(yīng)力大小、方向不斷變化，頂板塑性區(qū)不斷擴(kuò)展，塑性區(qū)“越過(guò)”中位強(qiáng)度較高的巖層，優(yōu)先在深部軟弱巖層形成穿透塑性區(qū)，同時(shí)淺部塑性區(qū)也在持續(xù)擴(kuò)展，如圖6b所示，此階段即采動(dòng)巷道頂板的離層現(xiàn)象。④中位未發(fā)生塑性區(qū)破壞巖層的斷裂，高位穿透塑性區(qū)的形成和擴(kuò)展，如圖6c所示，伴隨著巨大的膨脹、變形壓力，形成對(duì)中位巖層巨大的擠壓載荷，導(dǎo)致中位未發(fā)生塑性區(qū)破壞巖層下部某一點(diǎn)的正應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)斷裂破壞，甚至完全失穩(wěn)，中部層位的斷裂破壞一般滯后于高位穿透塑性區(qū)的形成。期間巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重的非均勻性大變形，支護(hù)難度極大，I0116306工作面回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 I0116306工作面回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of actual photos and numerical simulation results of I0116306 tail entry

3 采動(dòng)巷道軟弱頂板控制方法與工程應(yīng)用

3.1 采動(dòng)巷道軟弱頂板控制方法

軟弱頂板巷道變形破壞實(shí)質(zhì)上是由于頂板圍巖塑性破壞引起的，塑性區(qū)范圍決定了圍巖的破壞程度，同時(shí)，高位塑性區(qū)對(duì)巷道頂板整體穩(wěn)定性影響顯著，要保持巷道圍巖穩(wěn)定，必須控制巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。頂板軟弱泥質(zhì)頂板針對(duì)性加固，杜絕軟弱泥質(zhì)頂板塑性區(qū)在采動(dòng)影響期間出現(xiàn)大范圍擴(kuò)展，是此類巷道軟弱頂板控制的有效途徑，這就需要：①注漿層位應(yīng)主要集中在采動(dòng)期間發(fā)生高位穿透塑性破壞的層位；②注漿覆蓋范圍應(yīng)不小于高位穿透塑性破壞的分布范圍。

3.2 工程應(yīng)用

根據(jù)采動(dòng)巷道軟弱頂板控制方法，對(duì)敏東一礦I0116306工作面回風(fēng)巷薄頂煤區(qū)域進(jìn)行了以軟弱頂板注漿加固為主的支護(hù)設(shè)計(jì)。該區(qū)域頂煤平均厚度2.4 m，高位塑性區(qū)覆蓋層位為2.4～5.2 m，最大寬度為3.6 m，考慮到漿液擴(kuò)散特征和一定的安全系數(shù)，頂板注漿錨索參數(shù)為?22 mm×7 000 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm，注漿采用水泥漿液配以專用添加劑，采用二次打壓，確保注漿錨索預(yù)應(yīng)力不低于120 kN。頂板錨桿選用?20 mm×2 200 mm等強(qiáng)錨桿，間排距為800 mm×800 mm，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 I0116306工作面回風(fēng)巷頂板支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.8 Roof support design drawing of I0116306 tail entry

為驗(yàn)證以軟弱頂板注漿加固為主的支護(hù)方法的工程適應(yīng)性，在I0116306工作面回風(fēng)巷距巷口450 m、462 m處布置了2組巷道頂板深部位移監(jiān)測(cè)站，基點(diǎn)布置深度分別為2、3、5、7 m，監(jiān)測(cè)開始時(shí)，462 m處測(cè)站距離工作面95 m。巷道礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，I0116306工作面回風(fēng)巷薄頂煤區(qū)域頂板安全得到了較好的保證，該巷道采動(dòng)影響期間頂板深部位移監(jiān)測(cè)曲線如圖9所示。

圖9 I0116306回風(fēng)巷采動(dòng)影響期間頂板深部位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.9 Monitoring curves of roof deep displacement during mining in I0116306 tail entry

由圖9知，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，頂板變形逐步增加，鄰近工作面時(shí)，在劇烈的采動(dòng)影響下，頂板變形速率突然增大。整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，450 m測(cè)站處頂板0～2、2～3、3～5、5～7 m四個(gè)層位的變形量分別為5、89、21、4 mm，頂板總變形量達(dá)到119 mm，2～3 m的層位的變形量占比高達(dá)74.7%。462 m測(cè)站處頂板總變形量達(dá)到140 mm，2～3 m的層位的變形量占比高達(dá)69.8%。兩處測(cè)站監(jiān)測(cè)總變形量均在巷道支護(hù)體可承受的范圍內(nèi)，表明支護(hù)效果較好。

4 結(jié) 論

1)采動(dòng)影響條件下，軟弱頂板巷道圍巖主應(yīng)力大小和方向的不斷演化，導(dǎo)致巷道軟弱頂板最大塑性破裂深度逐漸擴(kuò)展且朝向頂板，塑性區(qū)擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)隔層分布現(xiàn)象，引發(fā)巷道頂板劇烈非對(duì)稱變形。

2)巷道塑性區(qū)在軟弱頂板中的演化過(guò)程主要分為4個(gè)階段：初始塑性區(qū)形成、淺部塑性區(qū)擴(kuò)展、高位穿透塑性區(qū)的形成與擴(kuò)展、中位未發(fā)生塑性區(qū)破壞巖層的斷裂；中位未發(fā)生塑性區(qū)破壞巖層的斷裂源于高位穿透塑性區(qū)的形成與擴(kuò)展，是影響巷道頂板整體穩(wěn)定的重要因素。

3)對(duì)軟弱泥質(zhì)頂板進(jìn)行針對(duì)性加固，杜絕軟弱泥質(zhì)頂板塑性區(qū)在采動(dòng)影響期間出現(xiàn)大范圍擴(kuò)展，是此類巷道軟弱頂板控制的有效途徑，敏東一礦I0116306工作面回風(fēng)巷薄頂煤區(qū)域圍巖深部位移監(jiān)測(cè)表明，頂板總變形量均在巷道支護(hù)體可承受的范圍內(nèi)，支護(hù)效果良好。