深部礦區(qū)巷道圍巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試及反演研究*

許波,楊鵬軍

(陜西延長(zhǎng)石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司,陜西 榆林市 719000)

我國(guó)是煤炭消耗大國(guó),隨著淺部煤炭資源的日益枯竭,中東部主要礦井大多進(jìn)入了千米開(kāi)采范圍[1-6],深部開(kāi)采擾動(dòng)大,地應(yīng)力較高,極易引起動(dòng)力沖擊等災(zāi)害。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)災(zāi)害發(fā)生前引起的各類延伸指標(biāo),對(duì)其本質(zhì)問(wèn)題沒(méi)有進(jìn)一步分析解決。

現(xiàn)有圍巖力學(xué)測(cè)試研究主要針對(duì)特定單一地點(diǎn)的某一范圍進(jìn)行測(cè)試,代表性不強(qiáng),沒(méi)有得到研究區(qū)域內(nèi)全域的相關(guān)巖石參數(shù)。一般地,使用這一方法會(huì)導(dǎo)致區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的反演結(jié)果普適性不強(qiáng),且難于被現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員所使用[7-10]。此外,由于巖體力學(xué)性質(zhì)與巖體中的結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體及其賦存環(huán)境密切相關(guān),因此很難通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)或原位試驗(yàn)獲取準(zhǔn)確且大范圍內(nèi)的巖體力學(xué)性質(zhì)參數(shù),而位移反分析則是解決這一問(wèn)題的有效手段[11-16]。

本文通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值反演等手段探究深部礦區(qū)圍巖力學(xué)測(cè)試及反演研究規(guī)律,研究結(jié)果可為深部礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量及反演提供參考。

1 礦區(qū)地層巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試及反演研究

東部某礦區(qū)平均總厚度為21.14 m,各煤層賦存穩(wěn)定,傾角一般為5°～15°。礦井屬高瓦斯礦井,隨著礦井開(kāi)采深度的增加,局部可能出現(xiàn)煤與瓦斯突出現(xiàn)象。本井田平均地溫梯度為3.08℃/100 m;預(yù)計(jì)-780 m 水平地溫為37.7～43.7℃,平均40.1℃,屬地溫異常區(qū)。可采煤層除6-2和1煤層不自燃至很易自燃以外,其余均很易自燃。煤塵均具有強(qiáng)爆炸性。

1.1 巖石取樣

獲取了全礦區(qū)自13-1煤頂板到1煤底板共計(jì)8層地層的圍巖力學(xué)參數(shù),具體取樣地點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 巖石力學(xué)測(cè)試巖樣取樣地點(diǎn)

1.2 測(cè)試結(jié)果

獲取了自13-1煤頂板中細(xì)砂巖(標(biāo)準(zhǔn)地層序號(hào)0403)到1煤底板粉砂巖(標(biāo)準(zhǔn)地層序號(hào)1003)內(nèi)所有圍巖典型標(biāo)準(zhǔn)巖塊試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、孔隙率、容重、軟化系數(shù)、黏聚力及內(nèi)摩擦角等參數(shù)。限于取樣條件,新生界黏土(標(biāo)準(zhǔn)地層序號(hào)0101)到16-2煤底板砂質(zhì)泥巖(標(biāo)準(zhǔn)地層序號(hào)0402)以及煤樣的巖石力學(xué)參數(shù)無(wú)法測(cè)定。根據(jù)上述試驗(yàn),獲得的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

1.3 圍巖力學(xué)參數(shù)反演計(jì)算模型

埋深較大的巷道在高地應(yīng)力作用下,圍巖由彈性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài),出現(xiàn)一定范圍的塑性形變。為了便于模擬計(jì)算,假設(shè)圍巖為各向同性的均質(zhì)連續(xù)體,在彈性形變階段,圍巖符合線彈性模型,影響圍巖變形量的因素主要有彈性模量E和泊松比μ。在塑性形變階段,采用目前最常用的摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則,影響圍巖變形量的因素有內(nèi)摩擦角φ、剪脹角ψ、黏聚力C和塑性應(yīng)變?chǔ)舙l,如圖1所示。

圖1 巷道圍巖變形有限元計(jì)算模型

由于礦區(qū)不同巷道支護(hù)方式不同,在進(jìn)行有限元數(shù)值模擬時(shí)難以對(duì)其精確模擬,有必要對(duì)支護(hù)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。采用等效強(qiáng)度法將支護(hù)強(qiáng)度均勻等效到模擬范圍內(nèi)的圍巖上,圍巖力學(xué)參數(shù)在開(kāi)挖前后保持不變。圍巖變形量用巷道兩幫、頂?shù)装迨諗苛勘硎尽？紤]到巷道開(kāi)挖影響范圍和邊界效應(yīng),建立的數(shù)值模型邊界距巷道邊界應(yīng)大于巷道寬度三倍以上距離。影響巷道圍巖變形的另一主要因素是地應(yīng)力,尤其對(duì)于深部巷道,高地應(yīng)力對(duì)圍巖變形量起著主導(dǎo)控制作用。根據(jù)礦區(qū)地應(yīng)力反演結(jié)論,提取出巷道所在位置的地應(yīng)力施加到模型上,即為巷道圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)。

圍巖力學(xué)參數(shù)反演流程主要包括:巷道圍巖變形監(jiān)測(cè),建立二維平面模型,根據(jù)待反演圍巖力學(xué)參數(shù)取值范圍設(shè)置若干組參數(shù)組合賦予到模型材料中,從地應(yīng)力反演模型中提取巷道位置地應(yīng)力值施加到模型邊界上,有限元軟件進(jìn)行巷道圍巖變形解算創(chuàng)建學(xué)習(xí)樣本,對(duì)支持向量回歸模型進(jìn)行訓(xùn)練并進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu),然后預(yù)測(cè)待反演圍巖力學(xué)參數(shù),將預(yù)測(cè)值帶入模型中進(jìn)行巷道圍巖變形解算,檢驗(yàn)反演值的可靠度,反演流程如圖2所示。

圖2 圍巖力學(xué)參數(shù)反演流程

1.4 巷道變形影響因素研究

(1) 巖石強(qiáng)度的影響。礦區(qū)不同開(kāi)采工作面揭露砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖、13-2煤層、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、13-1煤層、砂質(zhì)泥巖、泥巖、12煤層、泥巖、中砂巖。圍巖為粗砂巖、中砂巖的巷道施工至今仍保持穩(wěn)定,而處在泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖中的巷道受到不同程度破壞,不翻修不能投入使用。

(2) 地應(yīng)力的影響。深部巷道開(kāi)挖前,由于其高靜載,原巖應(yīng)力越高,開(kāi)挖卸荷產(chǎn)生的偏應(yīng)力就越大,應(yīng)力一降一升導(dǎo)致圍巖快速劣化,引起巷道失穩(wěn)、變形破壞。

(3) 巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響。礦區(qū)-780 m水平巷道圍巖以高嶺石為主,為弱膨脹黏土礦物,遇水易泥化、產(chǎn)生膨脹,流變強(qiáng)烈。

1.5 參數(shù)影響規(guī)律

為具體地分析不同因素對(duì)巷道變形的影響,建立數(shù)值計(jì)算模型模擬計(jì)算巷道的變形量。為了便于分析計(jì)算,合理設(shè)計(jì)的模型尺寸為長(zhǎng)×寬=30 m×30 m,直墻半圓拱形巷道位于模型的中部,巷道寬5.4 m,墻高1.6 m,半圓拱形的半徑為2.7 m(見(jiàn)圖3)。固定巷道尺寸斷面形式及支護(hù)結(jié)構(gòu),調(diào)整垂直應(yīng)力、側(cè)壓系數(shù)以及巖石力學(xué)參數(shù)。為了便于計(jì)算,模型上表面施加圍巖的垂直壓應(yīng)力,模型兩側(cè)面施加水平應(yīng)力,模型下表面限制垂直移動(dòng),采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型與支護(hù)方案

如圖4所示為同一巖石力學(xué)與支護(hù)參數(shù)條件及變化垂直應(yīng)力條件下,巷道不同應(yīng)力下的圍巖變形特征。隨著垂直應(yīng)力由10 MPa增加到30 MPa,巷道兩幫及頂?shù)装迨諗砍尸F(xiàn)增加趨勢(shì)。當(dāng)?shù)貞?yīng)力增加到30 MPa時(shí),兩幫最大位移約為180 mm,最大底臌量約為228 mm,均已超過(guò)150 mm 的標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明該支護(hù)結(jié)構(gòu)已難以滿足該工況的安全要求,應(yīng)考慮支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)。類似的,通過(guò)數(shù)值計(jì)算也獲取了其他條件下巷道圍巖的變形趨勢(shì)。

圖4 不同垂直應(yīng)力條件下巷道變形收斂計(jì)算結(jié)果

不同影響因素下的巷道變形特征如圖5所示。由圖5可知,抗拉強(qiáng)度對(duì)巷道變形的影響最大,內(nèi)摩擦角次之,側(cè)壓系數(shù)、黏聚力、垂直壓力對(duì)巷道破壞的影響相對(duì)較小。

圖5 不同影響因素下的巷道變形特征

2 圍巖力學(xué)參數(shù)反演

根據(jù)地質(zhì)條件和巷道設(shè)計(jì)分別對(duì)東區(qū)北翼11-2軌道大巷和11-2回風(fēng)大巷建立二維平面模型,如圖6所示。

圖6 東區(qū)巷道二維平面模型

由于兩條巷道的測(cè)點(diǎn)位置較近,地應(yīng)力在局部地區(qū)變化不大,因此地應(yīng)力相同。通過(guò)查詢礦區(qū)地應(yīng)力反演結(jié)果可知,在大地坐標(biāo)系下地應(yīng)力分別為:σx=30.81 MPa,σy=28.78 MPa,σz=27.04 MPa,τxy=1.50 MPa,τxz=0.03 MPa,τyz=0.27 MPa。結(jié)合巷道方位角和傾角得到截面的應(yīng)力狀態(tài)為:σx=29.72 MPa,σy=27.11 MPa,τx y=0.50 MPa。

采用均勻設(shè)計(jì)表設(shè)計(jì)5 組不同水平的參數(shù)條件,將5組參數(shù)分別賦予兩條巷道模型中進(jìn)行變形計(jì)算,提取圍巖在不同參數(shù)條件下的變形量(見(jiàn)表3),由此可分別得到5組學(xué)習(xí)樣本。把圍巖變形量作為輸入變量,圍巖力學(xué)參數(shù)作為輸出變量,分別將5組學(xué)習(xí)樣本帶入到支持向量回歸模型中進(jìn)行訓(xùn)練,然后對(duì)訓(xùn)練過(guò)的模型進(jìn)行評(píng)分,根據(jù)評(píng)分結(jié)果對(duì)模型參數(shù)調(diào)優(yōu),最終獲得最優(yōu)模型。將每個(gè)斷面圍巖變形量作為輸入變量帶入到最優(yōu)模型中,輸出的圍巖力學(xué)參數(shù)即為該斷面圍巖力學(xué)參數(shù)反演值(見(jiàn)表4)。

表3 東區(qū)巷道在模擬不同圍巖力學(xué)參數(shù)條件下的變形量

表4 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)反演值

把最優(yōu)圍巖力學(xué)參數(shù)賦值到模型中再次進(jìn)行變形計(jì)算,將變形量反演值與變形量實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖7和圖8),可以看到實(shí)測(cè)值與反演值基本保持一致,誤差都在10%以內(nèi),說(shuō)明圍巖力學(xué)參數(shù)反演值具有很高的可靠度。

圖7 軌道大巷各測(cè)點(diǎn)圍巖變形量實(shí)測(cè)值與反演值

圖8 回風(fēng)大巷各測(cè)點(diǎn)圍巖變形量實(shí)測(cè)值與反演值

3 結(jié)論

(1) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了全礦區(qū)自13-1 煤頂板到1 煤底板共計(jì)8層地層的圍巖力學(xué)參數(shù),研究了圍巖力學(xué)參數(shù)反演計(jì)算模型,設(shè)計(jì)了圍巖力學(xué)參數(shù)反演流程。

(2) 針對(duì)巖石強(qiáng)度、地應(yīng)力等巷道變形影響因素,具體地分析了不同因素對(duì)巷道變形的影響,其中抗拉強(qiáng)度對(duì)巷道變形影響最大。

(3) 根據(jù)地質(zhì)條件和巷道設(shè)計(jì)分別對(duì)東區(qū)北翼11-2軌道大巷和11-2回風(fēng)大巷進(jìn)行反演,將變形量反演值與變形量實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析,得出實(shí)測(cè)值與反演值基本保持一致的結(jié)論,誤差在10%以內(nèi),說(shuō)明圍巖力學(xué)參數(shù)反演值具有很高的可靠度。