煤炭资源开发过程中,巷道作为煤炭运输、通风、行人等关键通道,其稳定性直接关系到矿井安全生产与经济效益
[1]。但随着开采深度不断增加,地质条件愈发复杂,断层成为影响巷道稳定性的关键因素之一
[2]。
断层是地壳运动导致岩层断裂并发生显著相对位移的地质构造。煤矿开采过程中,断层的存在使巷道周围岩体完整性遭到破坏,力学性质发生改变,引发系列复杂巷道变形破坏问题
[3-4]。一些深部矿井由于断层影响,巷道在掘进和使用过程中频繁出现顶板垮落、底鼓、两帮收敛等现象,造成支护困难的同时也会由于漏风导致煤壁或采空区自燃,严重影响矿井正常生产
[5-6]。近年来,中国在断层影响下破碎软岩巷道工程领域取得了长足进步。中国成功实现了断层滑移型冲击地压全过程试验模拟,得出了断层条件下的失稳临界值,对现场具有一定参考价值
[7]。吴少康等
[8]针对断层影响问题,利用喷浆-注浆-卸压一体化方法对现场进行治理,取得显著效果。崔魏等
[9]针对近断层软岩巷道难治理问题,利用数值模拟得出巷道推进距离与岩体位移关系,提出“锚杆索+注浆喷浆”方法联合方法有效对现场进行治理。梅成成等
[10]针对千米深井高应力及断层影响下巷道围岩大变形问题,利用现场调查、数值模拟及理论分析得出围岩临界失稳与围岩应力、岩石强度、扰动等密切相关,针对性提出联合支护方案有效对现场进行了治理。已有研究表明,断层产状、规模及与巷道相对位置关系等因素都会对巷道变形破坏特征产生显著影响
[11-12]。不同类型的断层在巷道开挖过程中会引发不同形式的应力集中和释放,导致巷道围岩出现不同变形破坏模式
[13]。同时,让压支护技术也取得了显著成就。该技术能在允许围岩产生一定变形的同时,有效释放围岩压力,避免支护结构过载破坏
[14]。此外,注浆加固技术也在不断发展。该技术通过跟管钻进向破碎岩体注入高强度浆液,改善岩体结构,提高岩体的整体性与稳定性
[15]。然而,面对断层影响下更为复杂的地质条件,如断层附近的高应力集中、岩体破碎程度不均以及强动压干扰等问题,现有的研究手段和支护技术仍存在一定的局限性。因此,断层影响下巷道变形破坏机理及支护的研究具有重要意义
[16-17]。
为了深入研究其变形破坏机理能为制定科学合理的支护方案提供理论依据,有效提高巷道稳定性,提高跟管冲击钻进效率。同时有助于降低巷道支护成本,提高煤炭开采效率,提升煤炭行业的整体经济效益。因此,现通过现场地质调查、FLAC3D 数值模拟及现场工业性试验相结合的方法,系统分析两断层影响下巷道围岩的应力演化、塑性区分布及变形破坏特征, 致力于揭示断层影响下(两断层)巷道变形破坏的内在机制,针对性提出有效支护技术和方法,为类似该工况下的现场巷道大变形提供理论依据及参考。
1 围岩变形破坏机理研究
1.1 支护现状及破坏原因
上湾煤矿副平硐为穿层巷道,总长度 2 km左右,煤层倾角 15°,顶底板为泥岩且松软破碎。副平硐由于埋深较大,软弱岩层在构造应力作用下具有流变特性,表现为四周变形特征,该巷道每年返修至少2次。支护系统破坏如
图1所示。
由
图1可得:锚杆(索)外露部分弯折、扭曲,说明在巷道围岩变形过程中,锚杆(索)承受了超出其设计承载能力的拉力或剪切力,未能有效约束围岩变形,锚固作用丧失。金属支架出现明显弯曲、扭曲,说明巷道围岩压力过大,支架无法承受其压力而发生塑性变形,失去了对巷道的有效支撑。围岩表面破碎严重,石块剥落,表明围岩自身稳定性差,在采动影响、地应力等作用下,无法保持完整结构。现场调研阶段时,副平硐顶底板移近量达到1 400 mm,底鼓量为1 000 mm左右。其稳定性受到不利影响,严重危及了施工安全。
1.2 支护现状
副平硐断面为半圆拱形巷道,断面大小宽×高=5.4 m×4.5 m,支护形式为锚网索喷浆+架棚。锚杆使用规则:间排距 0.7 m×0.7 m的高强滚丝锚杆,表面喷射C20混凝土150 mm 防止风化。锚索使用规则:长短锚索间排距均为1.4 m×1.4 m,长、短锚索分别使用
Φ17.8 mm×8 200 mm、
Φ17.8 mm×4 200 mm。锚杆索搭配使用,锚索托梁材料以槽钢为主。巷修位置综合柱状图如
图2所示。
1.3 变形破坏原因
副平硐破坏严重位置(断层F06及F07处)在巷修阶段采取多种支护方式,但效果仍不理想。对现场多次调研及初步分析,变形破坏主要原因如下。
(1)断层的存在破坏了岩层整体性,应力在断层附近重新分布,形成应力集中区域。这种高应力作用下,巷道周围岩体承受较大压力,易发生变形和破坏。且这种影响尚未厘清现场便进行支护。
(2)副平硐处于穿层软岩巷道,断层带内岩体经历强烈挤压、剪切等地质作用,使岩体破碎、裂隙发育,岩层成分及内部性质未全面掌握。
(3)煤层开采过程中会引起周围岩体的应力重新分布,巷道位于断层附近时,采动应力与断层构造应力相互叠加,使巷道围岩应力状态更加复杂,变形破坏程度加剧。
2 围岩破坏机理
2.1 围岩松动圈分析
围岩松动圈主要反映围岩应力状态变化(应力重分布和应力集中程度)、围岩稳定性状况(潜在破坏范围和稳定性评价)以及为支护结构设计(支护时机和支护强度)提供依据。通常采用超声波测试仪、钻孔窥视仪等设备现场实测
[18-20]。采用钻孔窥视对副平硐试验段围岩松动圈探测,确定其松动圈范围。在副平硐变形破坏区域对底板(直径28 mm,孔深10 m)窥视,采用CXK12(A)型岩层探测记录仪观测。
由观测结果(
图3)可知,顶板围岩内部存在较多破碎区域,围岩完整性较差,0.3 m处开始出现破碎区域,6.6 m处围岩完整性较好。右帮随着长度增加,围岩内部存在的破碎区域范围整体呈现增加趋势,0.5 m处开始裂隙发育,3.1~5.9 m破碎区域明显增加。综上所述,1570轨道石门巷道围岩裂隙发育,范围在7 m范围内,但未观测到离层现象,总体上看,1570轨道石门围岩存在较大范围破碎带,且裂隙发育程度较高。由窥视的结果结合图像分析可知,0.2、0.5、1.0、2.8 m处围岩顶板出现了破碎现象,主要是由于地应力、开采活动等原因导致岩石结构被破坏,完整性降低。这种破碎区域在巷道支护中属于薄弱部位,易发生冒顶等事故,在实际工程中需要加强支护措施。0.4、1.4、4.8、5.7 m处围岩顶板存在裂缝。裂缝的出现降低了顶板的承载能力,且裂缝可能进一步扩展连通,增加顶板垮落的风险。
整体而言,巷道围岩松动圈范围在0~6.0 m处,存在较大范围破碎带,且裂隙发育程度较高,但未发生离层现象。
2.2 断层影响下巷道变形破坏
2.2.1 初始数值模型建立
上湾煤矿岩层中地质构造较多,岩层岩性具有较大差异。为分析地质构造与岩性影响下矿井巷道围岩变形机理,依据上湾煤矿矿实际地质条件与巷道布置关系,采用FLAC3D构建含不同地层与地质构造的数值模型。各岩层岩石力学参数(通过实验室试验测得)如
表1所示。
2.2.2 断层F06处巷道围岩变形机理分析
以F06断层与副平硐交界处建立模型(切面),模拟断层对副平硐变形影响。计算模型如
图4所示。模型主要包括断层 F06、副平硐,采用摩尔-库仑模型模拟 F06断层对副平硐的影响。
1)应力及塑性区分布
F06 断层对副平硐围岩应力及塑性区分布如
图5所示。由
图5可知,巷道周边存在应力集中区域,颜色较深部分表示垂直应力较大。在 F06 断层与副平硐交界处附近,垂直应力分布不均匀,说明断层的存在改变了围岩原本的应力传递路径,导致应力在局部重新分布,增加了巷道顶板和帮部的受力负担。同样在巷道周边有明显的应力变化区域,水平应力分布也不均匀。断层区域的水平应力异常,使巷道两帮受到较大挤压作用,增加了巷道帮部变形和破坏风险。巷道周围形成了一定范围的塑性区,尤其在断层附近塑性区范围更大且分布复杂。表明在断层影响下,围岩更易进入塑性变形状态,稳定性降低,巷道更容易出现片帮、冒顶等破坏现象。
综合以上分析可知,F06 断层的存在显著影响了巷道围岩应力状态和塑性区分布,使巷道在该区域变形和破坏风险增大。后续巷道支护设计和施工过程中,需要针对该区域加强支护措施,如增加锚杆锚索密度、采用更具强度和适应性的支护结构等。
2)巷道变形分析
F06 断层对副平硐位移影响如
图6所示。受 F06 断层影响,巷道顶底板及两帮最大变形达到540、40 mm。由此可以说明 F06 断层对巷道表面位移均有影响,且主要表现在顶底板变形。
2.2.3 断层F07处巷道围岩变形机理分析
以 F07 断层与副平硐及 12003 回风巷交界处建立模型(切面),模拟断层对其变形影响。模型如
图7所示。采用摩尔-库仑模型模拟断层对副平硐及 12003 回风巷的影响。
1)应力及塑性区分布
副平硐与12003底抽巷在F07处的围岩应力分布及塑性区如
图8所示。
由
图8可得,副平硐及12003回风巷垂直应力在巷道两帮围岩中集中,集中程度明显,且在巷道顶底板浅部围岩处中产生了垂直应力降低区。水平应力在巷道顶底板浅部围岩中集中程度明显,在巷道两帮围岩的底角和肩角处产生了狭长的水平应力降低区,说明在F07断层处,副平硐与12003回风巷的底角和肩角均会遭受到破坏。同时,副平硐与12003回风巷的巷道围岩浅部出现了大范围的剪切破坏和拉伸破坏。后续在进行支护设计时,应考虑加强巷道围岩的浅部支护,防止出现冒顶事故,同时,提高对巷道肩角以及底角的支护强度,从而保证巷道稳定。
2)巷道变形分析
在断层及巷道群共同作用下,各巷道位移如
图9所示。由
图9可知:副平硐在F07断层影响下,顶底板及两帮最大收敛在750 mm及200 mm处。12003回风巷在F07断层影响下,顶底板及两帮最大收敛在650 mm及70 mm处。由此可得,F07断层导致巷道顶底板变形突出,支护时需重点限制底顶板变形。同时,在水平方向上,副平硐与12003回风巷的底角及肩角处水平位移出现畸变,且左侧底角的水平位移明显大于右侧。因此,在巷道底角与肩角深部的围岩将向巷道内鼓出,从而导致巷道围岩的不均匀、畸形变形,最终影响巷道的正常运营。现场治理时也要考虑这一方面。
3 巷道围岩控制技术
依据现场窥视、数值模拟等结果,得出副平硐破坏主要由于岩层多为夹有软弱岩层的类似于“五花肉”结构软弱岩体,在断层和巷道群共同作用下巷道呈现不同变形特征。同时,底角及肩角应力集中较明显,应力集中范围呈现狭长触角形状,导致巷道底角及肩角围岩破坏深度较大,难以支护。针对副平硐维护成本高、修复困难等特点,采用爆破卸压+浅层围岩注浆控制技术对该目标巷道治理。
3.1 爆破卸压+浅层围岩注浆控制技术原理
爆破卸压+浅层围岩注浆控制技术通过底角爆破+浅部注浆协同控制巷道变形。爆破卸压:形成系列相互连通微小裂隙,打破原有应力集中状态,将集中在巷道底角及启角等部位高应力向围岩深部转移和扩散,降低巷道周边围岩所承受的应力水平,减小围岩因应力过大而产生的变形和破坏。浅层注浆:注浆材料压入浅层围岩裂隙和孔隙中。浆液在压力作用下填充裂隙,有效增强破碎围岩整体性和黏结强度,提高围岩的自承载能力。同时,形成的注浆加固圈可以阻止地下水及其他有害物质侵入围岩内部,进一步稳定围岩结构,与爆破卸压协同作用,共同控制巷道围岩变形。原理如
图10所示。主要利用跟管冲击钻进在破碎应力集中围岩施工爆破钻孔,通过在围岩中布置特定爆破点,通过合理控制炸药用量和爆破方式,使爆破产生的应力波在围岩中传播。应力波在围岩中形成系列相互连通的微小裂隙,打破原有应力集中状态,将集中在巷道底角及肩角等部位的高应力向围岩深部转移和扩散,降低巷道周边围岩所承受的应力,减小围岩因应力过大而产生变形和破坏。其次利用注浆设备将配制好的注浆材料压入浅层围岩裂隙中。浆液在压力作用下填充裂隙,凝固后,有效增强破碎围岩整体性。形成的注浆加固圈可阻止地下水及其他有害物质侵入围岩内部,进一步稳定围岩结构,与爆破卸压协同作用,共同控制巷道围岩变形,解决巷道维护和修复困难等难题。
3.2 技术工艺
根据副平硐现场变形破坏原因提出爆破卸压+浅层围岩注浆控制技术,现场工艺如下:①利用跟管冲击钻进施工爆破钻孔,准备好爆破设备、注浆设备及材料,并对设备进行调试;②确定卸压爆破孔位置、深度、间距等参数。采用钻孔设备按设计要求钻孔,将炸药按规定药量和方式装入孔内,设置好起爆装置,采用分段或同时起爆方式爆破,释放围岩应力;③爆破后对巷道表面清理,确定注浆孔位置并钻孔。安装注浆管,连接注浆设备,按比例配制注浆材料。
4 现场效果分析
对现场治理后的巷道与未治理巷道顶底板及两帮收敛量对比分析,验证采取爆破卸压+浅层围岩注浆控制技术效果。测得数据如
图11所示。由
图11可得,在50 d 内,两帮收敛变形量由500 mm降低至150 mm,顶板下沉量由400 mm降低至50 mm,分别下降了70% 及87.5%,说明采用爆破卸压 + 浅层围岩注浆控制技术后,副平硐变形较未治理处均有大幅度下降,验证了该技术在解决该类围岩变形方面成效显著。
5 结论
(1)利用现场调查、数值模拟分析了副平硐变形原因主要是由于岩层多为夹有软弱岩层的类似于“五花肉”结构的软弱岩体,在断层和巷道群的共同作用下,底角及肩角应力集中较明显,应力集中范围呈现狭长的触角形状,导致巷道底角及肩角围岩破坏深度大,最终巷道发生大变形。
(2)提出了爆破卸压+浅层围岩注浆控制技术治理副平硐。原理主要利用跟管冲击钻进施工钻孔填装炸药,通过爆破产生的应力波在围岩中形成系列相互连通的微小裂隙,打破原有应力集中状态,将集中在巷道底角及肩角等部位高应力向围岩深部转移和扩散,同时浅层注浆有效增强破碎围岩整体性,提高自身承载能力。二者协同作用有效控制巷道围岩变形。
(3)治理巷道与未治理处围岩两帮及顶底板分别下降了70% 及87.5%,表明“爆破卸压+浅层围岩注浆”控制技术的提出可有效解决断层影响下的破碎软岩巷道变形难题。
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