考慮非等壓條件的巷道圍巖變形影響因素敏感性分析

李吉旺

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺礦，山西 大同 037001）

對于巷道掘進(jìn)過程中圍巖破壞與穩(wěn)定性的研究一直是采礦工程領(lǐng)域?qū)W者與科技工作者研究的熱點(diǎn)話題，深入探究該問題對保證礦井安全、高效生產(chǎn)具有重要意義[1-5]。本文以大同煤礦80327 工作面運(yùn)輸巷為工程背景，巷道在掘進(jìn)過程中，巷道斷面收斂嚴(yán)重，礦壓顯現(xiàn)劇烈。經(jīng)現(xiàn)場鉆孔窺視圖顯示，巷道圍巖變形呈現(xiàn)明顯的非均勻大變形特征，巷道兩幫幫角處塑性破壞深度達(dá)到最大。

1 工程概況

大同煤礦四臺礦井位于大同煤田北部邊緣，距大同市區(qū)約30 km，其地理位置為：東經(jīng)112°58′47″～113°05′50″，北 緯40°02′49″～40°05′52″。井田構(gòu)造中等，80327 工作面運(yùn)輸巷標(biāo)高-988～-1040 m，開采煤層為8 煤，煤層厚度4.37～6.4 m，平均厚5.74 m。煤巖層鉆孔柱狀圖如圖1。

圖 1 煤巖層鉆孔柱狀圖

2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及評價(jià)指標(biāo)

2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對非均質(zhì)條件下頂板硬巖對巷道圍巖蝶形破壞影響全面分析，采用數(shù)值模擬與正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。在實(shí)際工程中，巷道頂板上覆巖層呈層狀分布，為了簡化條件，通過變換圍巖巖性強(qiáng)度來探索層狀圍巖下蝶形破壞規(guī)律。硬巖參數(shù)：參考泥巖參數(shù)（C=9 MPa，Φ=35°，RC=40 MPa），見表1所示。選取L16（34）三因素四水平的正交模擬方法，確定16 次數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)因素見表2。

表1 巷道巖層及煤的物理力學(xué)參數(shù)

表2 三因素四水平的實(shí)驗(yàn)因素表

確定16 次數(shù)值模擬模型，其中模型中各巖層力學(xué)參數(shù)為固定值，只改變圍壓比、巷道斷面形狀及頂板硬巖厚度，其他條件相同，對模型同一位置做切片處理。根據(jù)塑性區(qū)切片、垂直及水平方向上的位移切片分別統(tǒng)計(jì)巷道在不同因素影響下的頂板上方塑性區(qū)面積、頂板位移量及兩幫位移量的具體數(shù)值，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 正交實(shí)驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

選擇巷道頂板位移量、兩幫位移量及頂板上方塑性區(qū)面積的大小來判斷各個因素對巷道圍巖的影響程度，頂板位移量、兩幫位移量及頂板上方塑性區(qū)面積越大，表示對巷道的破壞影響越嚴(yán)重。極差分析表見表4。

表4 極差分析表

以“塑性區(qū)體積直觀分析”中的K1行中數(shù)據(jù)“7.125”為例，所代表的含義為當(dāng)圍壓比為2.5 時(shí)，所有實(shí)驗(yàn)方案中頂板塑性區(qū)面積相加求均值如式（1）所示：

極差計(jì)算方法為同一列中平均值的最大值減去最小值，同樣以“塑性區(qū)體積直觀分析”中的極差“5.875”為例，其代表含義為：分別求出圍壓比為2.5、2.6、2.7、2.8 時(shí)，所有實(shí)驗(yàn)方案中頂板塑性區(qū)面積各自平均值，其中平均值的最大值減去平均值的最小值即為極差如式（2）所示：

極差（5.875）=K4（13）-K1（7.125） （2）

極差值越大，表明所在的列是最主要的影響因素。

通過對表3、表4 分析可得，若只考慮塑性區(qū)面積這一實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，則實(shí)驗(yàn)方案4 的組合最好；若只考慮頂板下沉量這一實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，則實(shí)驗(yàn)方案16的組合最好；若只考慮兩幫位移量這一實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，則實(shí)驗(yàn)方案1 的組合最好。對于巷道頂板塑性區(qū)面積敏感性因素而言，頂板硬巖厚度＞巷道斷面形狀＞圍壓比，與巷道頂板位移量敏感性因素相同。對于巷道兩幫位移量的敏感性因素而言，圍壓比＞巷道斷面形狀＞頂板硬巖厚度，與頂板塑性區(qū)、頂板位移量的敏感性因素相反。如圖2。

圖2 極差對比示意圖

3 正交實(shí)驗(yàn)塑性區(qū)面積變化規(guī)律

為了更好地解釋地下井巷頂板硬巖對巷道圍巖蝶形破壞的影響規(guī)律，選擇正交實(shí)驗(yàn)表（表3）中頂板塑性區(qū)面積作為研究背景。通過FLAC3D數(shù)值模擬，所得到的不同巷道斷面塑性區(qū)示意圖如圖3。

圖 3 巷道圍巖塑性區(qū)分布示意圖

由圖3 可知，隨著圍壓比的增大，不同斷面巷道塑性區(qū)呈蝶形分布越來越明顯，向深部延伸速率與圍壓比呈正相關(guān)；不同斷面巷道頂板硬巖厚度越大，頂板塑性破壞面積越小；不同巷道斷面形狀對圍巖的蝶形破壞具有相似性 。從塑性區(qū)破壞結(jié)果看，巷道主要受剪切破壞，且剪切破壞占主導(dǎo)作用。

4 工程實(shí)踐

80327 工作面運(yùn)輸巷道高×寬=4.3 m×4.5 m，在巷道頂板上覆巖層經(jīng)鉆孔窺視儀推進(jìn)到2.5 m時(shí)，孔壁相對完整。通過對巷道兩幫幫角處窺視，鉆孔窺視儀推進(jìn)到7 m 時(shí)，巖層裂隙發(fā)育豐富，但孔型較為完整。巷道塑性區(qū)示意圖如圖4。

圖4 巷道塑性區(qū)示意圖

針對上述探測結(jié)果，該礦運(yùn)輸巷采用“注漿+錨索+錨桿”聯(lián)合支護(hù)方案。頂板支護(hù)：錨桿每排4 棵，錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2500 mm 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺紋錨桿，使用高強(qiáng)度阻尼螺母、塑料減摩墊圈、承載讓壓鋼墊圈及錨桿托盤（100 mm×100 mm×12 mm），間排距為900 mm×1000 mm。巷道幫角采用錨索支護(hù)，規(guī)格為Φ17.8 mm×8500 mm 十九芯錨索，間距為1500 mm。幫部支護(hù)：幫部使用Φ17.8 mm×4500 mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺紋錨索，使用高強(qiáng)度阻尼螺母、塑料減摩墊圈，幫部錨桿間排距為1000 mm×1000 mm，錨桿施加預(yù)緊力為80 kN，錨索施加預(yù)緊力為150 kN。巷道支護(hù)示意圖如圖5。

圖 5 巷道支護(hù)示意圖（mm）

由圖4 可知，巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)與現(xiàn)場鉆孔窺視圖顯示特征高度一致，在非等壓條件下，巷道頂板塑性破壞被硬巖層阻隔因此造成塑性破壞的面積較小，而兩幫幫角處塑性破壞區(qū)逐漸增大，并向深部延伸，說明實(shí)際圍巖的層狀賦存對蝶形破壞造成不同程度的阻隔。采用該支護(hù)方案后，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬后得到如圖6 巷道圍巖位移量。

由圖6 可知，根據(jù)位移計(jì)監(jiān)測結(jié)果，巷道位移量在50 d 后基本趨于穩(wěn)定，頂板、底板、左幫及右?guī)臀灰屏糠謩e達(dá)到55 mm、31 mm、65 mm、58 mm。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，巷道位移量在55 d 后基本趨于穩(wěn)定，巷道總體變形量較小，表明當(dāng)前支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)與注漿聯(lián)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對巷道圍巖的有效控制。

圖6 巷道位移量示意圖

5 結(jié)論

（1）對于巷道頂板塑性區(qū)面積敏感性因素而言，頂板硬巖厚度＞巷道斷面形狀＞圍壓比，與巷道頂板位移量敏感性因素相同。對于巷道兩幫位移量的敏感性因素而言，圍壓比＞巷道斷面形狀＞頂板硬巖厚度。

（2）根據(jù)位移計(jì)監(jiān)測結(jié)果，巷道位移量在50 d 后基本趨于穩(wěn)定，頂板、底板、左幫及右?guī)臀灰屏糠謩e達(dá)到55 mm、31 mm、65 mm、58 mm，巷道總體變形量較小，表明當(dāng)前支護(hù)形式實(shí)現(xiàn)了對巷道圍巖的有效控制。