阚忠辉

(安徽铜冠(庐江)矿业有限公司, 安徽 铜陵市 244000)

现有研究表明,地应力中水平应力普遍大于垂直应力[1G2],且在最大水平主应力大于垂直主应力的情况下,最大水平主应力对巷道围岩稳定性的影响最为重要且具有明显的方向性[3G9],以前巷道设计与施工中很少考虑到最大水平主应力对巷道围岩稳定性的影响,从而易造成巷道围岩变形及失稳较严重.本文以实际地质条件为背景,模拟分析了巷道轴向与最大水平主应力方向夹角对巷道围岩稳定性的影响,并对现场地应力及巷道围岩变形进行实测与分析,为巷道、采场布置和支护设计提供科学指导.

1 模型构建

采用FLAC3D软件构建计算模型如下:模型尺寸为40 m×60 m×40 m(长度×宽度×高度),共划分出20800个单元,巷道埋藏深度为650 m,巷道断面设计尺寸为图1所示;模型四围各边界设为水平位移约束,底部设为固定位移约束,顶面及侧面施加应力控制边界.

图1 巷道断面

根据某矿水平地应力测点附近钻孔资料及巷道揭露情况,测点最小水平主应力为7.9 MPa,最大水平主应力为21.3 MPa,中间主应力为12.4 MPa;材料选用摩尔－库伦模型,煤岩层力学参数由岩石力学实验得出,如表1所示;根据研究需要,分别在巷道顶板及巷帮的中部岩层中布设应力、位移监测线;为研究巷道轴向与最大水平主应力方向之间的夹角α对巷道围岩应力及变形特征的影响,本次模拟方案共考虑3种计算工况,即:夹角α为0°、45°、90°.

表1 模型煤岩体力学参数

2 模拟结果分析

2.1 围岩垂直应力特征

夹角α不同时,巷道顶板中部岩层应力变化规律如图2所示,巷帮支承压力变化规律如图3所示.

由图2可知,巷道顶板中部围岩的垂直应力随距离顶板距离的增大而增大,但当增大到一定程度,其增大的幅度明显变小,当α＜45°时,随α角的增大,巷道顶板垂直应力增幅较小,当α＞45°时,随α角的增大,巷道顶板垂直应力增幅较大.

由图3可知,巷道开挖以后,巷道周围存在塑性区,垂直应力较小,在距离巷帮2~8 m范围内存在垂直应力集中区,应力集中系数在1~1.48之间.当夹角α在0°~90°之间变化时,随着夹角α的增大,巷帮垂直应力逐渐增大,应力峰值也逐渐增加,当α＝0°,应力增高系数最大为1.22,当α＝90°时应力增高系数达到最大值为1.48;应力达到峰值后,随着距巷帮距离的增加,垂直应力又逐渐减小趋于定值,最终接近原岩应力.

图2 巷道顶板垂直应力变化曲线

图3 巷帮垂直应力变化曲线

2.2 围岩变形特征

巷道顶板及巷帮的中部岩层位移变化曲线,如图4、图5所示.

图4 巷道顶板位移变化曲线

图5 巷帮位移变化曲线

由图4可知,在围岩性质和其他条件都相同的条件下,巷道顶板位移随α角的增大呈增大趋势.α＝0°、45°时的顶板下沉曲线几乎重合,说明当α＜45°时,夹角α对巷道的稳定性影响较小;当α＞45°时,随α角的增大,顶板位移显著增大,但都在6~7 m深处开始收敛.

由图5可知,巷道帮内位移量随α角增大而增大,当α＜45°时,最大水平主应力对巷道稳定性的影响无明显变化,当α＞45°时,随α角的增大,帮部位移明显增加,但随距巷帮间距的增大,位移逐渐减小并趋于稳定.

2.3 围岩塑性区范围

当夹角α在0°~90°之间变化时,围岩塑性区分布范围如图6所示,图中蓝色部分表示弹性区,粉红色部分为破碎区,橙色代表塑性区.由图6可知,巷道围岩的破碎区主要分布在两帮和部分底板,随着α角的增加表现出逐渐增加的趋势,且在α＝90°时达到最大;巷道围岩塑性区则主要出现在顶底板部位,并且随α角的增加,分布范围逐渐扩大,最大达5.3 m.

图6 不同α的巷道围岩塑性区分布

3 地应力对巷道围岩稳定性影响的实测分析

为研究巷道轴向与最大水平主应力方向夹角α对巷道围岩稳定性的影响,本文对某矿－650南翼回风大巷及北三采区回风下山的实际破坏与维护情况做了详细调查和实测分析.

根据地应力实测结果可知,该矿地应力场宏观上属于水平构造应力场,且－650南翼回风大巷上最大水平主应力为21.3 MPa,方位角为119.5°,倾角为5.2°;垂直主应力为12.4 MPa,方位角为9.7°,倾角为75.1°;最小主应力为7.9 MPa,方位角为210.8°,倾角为13.9°.因南翼回风大巷走向为北偏东30°,其轴向与最大水平主应力基本垂直(见图7).

图7 南翼回风大巷最大水平主应力与巷道轴向夹角

因南翼回风大巷轴向与最大水平主应力基本垂直,且受相邻工作面开采影响,南翼回风大巷围岩变形量较大,通过井下现场观察和实测结果可以看出,与采用相同支护的大巷相比,南翼回风大巷围岩变形严重,顶板下沉量为350~400 mm,两帮移近量达到2000 mm以上,底板起鼓明显,累计起鼓量达1.50 m,混凝土喷层多处开裂,巷道现场变形见图8.

图8 －650南翼回风大巷照片

北三采区回风下山的最大水平主应力为35.0 MPa,方位角为161.4°,倾角为－6.6°;垂直主应力为23.4 MPa,方位角为28.8°,倾角为－80.3°;最小主应力为19.7 MPa,方位角为252.3°,倾角为－7.1°.因北三采区回风下山巷方位角为106°,其轴向与最大水平主应力方向夹角为55.4°(见图9).

图9 北三采区回风下山最大水平主应力与巷道轴向夹角

通过井下现场观察和实测明显看出,回风下山两帮变形严重,两帮移近量大于1000 mm,底鼓和冒顶现象也较为明显,顶底板移近量大于280 mm,顶板支护暴露,底鼓累计大于800 mm,混凝土喷层多处开裂,但巷道变形量较南翼回风大巷小,巷道现场变形见图10.

图10 北三采区回风下山照片

4 结 论

(1)模拟结果表明:夹角α对巷道围岩的稳定性影响较大,夹角α越小越有利于围岩稳定,当α＜45°时,最大水平主应力对巷道稳定性的影响无明显变化,当α＞45°时,巷道围岩应力及位移明显增大;当夹角α不同时,巷道围岩应力位移变化趋势基本一致,随着距离巷帮深度的增大,巷道顶板及侧帮的应力位移逐渐减小,最终趋于稳定并接近原岩应力.

(2)与北三采区回风下山相比,南翼回风大巷所受最大水平主应力较小,但夹角α较大,现场监测结果表明南翼回风大巷变形量较大,实践结果进一步证明,在水平构造应力场影响下,夹角α对巷道围岩稳定性具有较大的影响,因此,为保护巷道围岩的稳定性,采区布置前,应对地应力进行详细监测,尽可能使巷道轴向与最大水平主应力方向平行.

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