孔桩矿深部软岩巷道非对称变形数值模拟与控制对策研究.pdf

第27卷 第4期 岩石力学与工程学报 Vol.27 No.4 2008 年 4 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2008 收稿日期收稿日期2007–09–11；修回日期修回日期2008–01–08 基金项目基金项目国家重点基础研究发展计划973项目2006CB202200；国家自然科学基金重大项目50490270；教育部科学技术研究重大项目10405 作者简介作者简介何满潮1956–，男，博士，1981 年毕业于长春地质学院工程地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事深部岩石力学理论及工程方面 的教学与研究工作。E-mailhemanchao 孔庄矿深部软岩巷道非对称变形孔庄矿深部软岩巷道非对称变形 数值模拟与控制对策研究数值模拟与控制对策研究 何满潮 1，2，王晓义1，刘文涛3，杨生彬2 1. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083；2. 中国地质大学 工程技术学院，北京 100083； 3. 亚美大陆煤炭有限公司，山西 太原 030002 摘要摘要煤矿开采进入深部后，地质力学环境远比浅部复杂，由此引起的非线性力学现象日益严重，给深部支护与 开采带来很大难度。孔庄矿－785 m 水平轨道大巷地应力水平和围岩黏土矿物含量较高，并受上部采空区影响，呈 现明显的非对称变形特征。在对孔庄矿进行工程地质调查与分析的基础上，结合室内岩石力学实验，运用三维数 值模拟方法，研究巷道非对称变形时周围岩体的位移场分布规律，分析巷道推进到上部工作面下方时应力分布规 律。数值分析结果表明，孔庄矿－785 m 水平轨道大巷非对称变形主要受其上部采空区煤柱的集中压力控制，黏土 矿物遇水膨胀、岩层结构及高地应力作用进一步恶化巷道围岩结构。该研究可为孔庄矿深部巷道非对称变形控制 对策提供初步的理论依据。 关键词关键词数值模拟；深部工程；软岩；非对称变形 中图分类号中图分类号O 242 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200804–0673–06 NUMERICAL SIMULATION ON ASYMMETRIC DEATION OF DEEP SOFT ROCK ROADWAY IN KONGZHUANG COAL MINE HE Manchao1 ，2，WANG Xiaoyi1，LIU Wentao3，YANG Shengbin2 1. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China； 2. School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China； 3. Asian American Coal Inc.，Taiyuan，Shanxi 030002，China AbstractWith the further deep mining and the complexity of the geological and mechanical conditions of roadway become more complicated compared with those in shallow roadway. Due to the special rock strata structure and the engineering geological conditions of high geostress，high geothermal temperature，high risk of water inrush as well as the disturbance of mining activitythree-high and one-disturbance action，roadways at great depth have the complex mechanical behaviors both in deability and stress distribution. Consequently， the nonlinear mechanical phenomena occur with high frequency，which bring about great difficulties for deep engineering support during excavation and mining. Because of structure stress effect，high content of clay mineral and influence of the goaf on the top，it had taken on asymmetric deation characteristic in Haulage Tunnellevel －785 m underground at Kongzhuang Coal Mine. Based on the in-situ investigation，experimental test，analysis of engineering geological conditions，geomechanical uation and numerical simulation，the displacement distribution and stress distribution of the surrounding rock mass in Haulage Tunnellevel －785 m underground at Kongzhuang Coal Mine are considered. The numerical results indicate that centralized pressure on 674 岩石力学与工程学报 2008年 the upper goaf may be the main reason for asymmetric deation in Haulage Tunnellevel －785 m underground at Kongzhuang Coal Mine；and clay mineral swelling when interaction with water and in-situ stress will further deteriorate of the roadway rock structure. It provided a preparatory basis for decision-making of asymmetric deation in Haulage Tunnellevel －785 m underground at Kongzhuang Coal Mine. The result of in-situ test shows that the design can ultimately guarantee the stability of deep coal gateway， and the success supporting effect can be obtained. Key wordsnumerical simulation；deep gateway；soft rock；asymmetric deation 1 引引 言言 随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加 大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深 部资源开采状态。随着开采深度的不断增加，工程 灾害日趋增多，如矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压 显现加剧以及巷道围岩产生大变形、流变、地温升 高等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁； 深部“三高一扰动”即高地应力、高地温、高渗透 压和强烈的开采扰动的复杂地质力学环境，使得深 部岩体表现出明显的非线性大变形力学特征[1]，从 而严重影响了深部煤炭资源的安全、高效开采[2]。 因此，深部资源开采过程中所产生的岩石力学问题 已成为研究的焦点[3 ～7]。深部开采由于受到周围巷 道或回采工作面的影响，往往处于复杂应力状态并 呈现出非对称变形特征，但由于不清楚巷道围岩塑 性区的分布范围及围岩变形的危险部位等，支护过 程中往往盲目性较大，多数巷道仍采用传统的均称 支护，不能适应巷道的非均衡变形[8]。 大屯矿区孔庄矿－785 m水平轨道大巷位于 7339综采工作面正下方，受强烈采动和煤柱集中压 力影响，自巷道开掘以来，施工巷道陆续发生破坏， 其中非对称变形特征尤为明显。本文在工程地质调 查和理论分析的基础上，结合室内岩石力学实验， 综合考虑巷道非对称变形的影响因素，运用数值模 拟方法，考察孔庄矿－785 m水平轨道大巷非对称变 形的影响因素，有针对性地提出控制对策，为矿井 安全生产创造条件。 2 孔庄矿非对称变形特征孔庄矿非对称变形特征 2.1 工程概况工程概况 孔庄矿位于江苏省沛县和山东省境内，在大屯 矿区的最南端，是第四系全掩盖区。井田南与沛县沛 城矿，北与徐庄矿毗邻，东与山东枣庄矿务局接壤。 －785 m 水平轨道大巷位于石炭二叠系山西组 煤系地层中，为海陆交互相沉积。整个巷道在 L1 与 L4 灰岩之间的海相泥岩、砂质泥岩和灰岩段中 掘进，围岩层理发育，破碎不稳定。所掘进区域地 质构造较为简单，断层不发育，仅局部发育有小断 层或挤压破碎带，延伸较短。煤系地层走向 N60 E， 倾角 18 ～32 ，平均 23 ，水平大巷掘进方向大致 与岩层走向方向一致。 从巷道初期掘进揭露岩性和预想工程地质剖面 图来看，巷道共穿越 4 个工程岩组，即泥岩和砂质 泥岩组、煤体组、灰岩组和细砂岩组，其中大部分 地段为软弱破碎的泥岩和砂质泥岩。岩组强度灰 岩＞砂岩＞泥岩＞煤，膨胀性泥岩＞砂岩＞灰岩＞ 煤。围岩宏观结构大多节理、裂隙较发育，局部受 小断层影响，岩体更加破碎，对支护非常不利。围 岩特别是泥岩微观结构上裂隙连通性好，巷道开挖 后原有应力状态改变，岩体裂隙容易扩展进而变得 更加破碎，强度降低。围岩中均含有膨胀性较强的 I/S 混层，遇水后岩体膨胀，产生较大的膨胀应力， 将导致巷道产生较大的变形。巷道围岩强度普遍较 低，其中泥岩的抗压强度为 43.27 MPa，抗拉强度 仅有 2.726 MPa，吸水性较强，吸水后一方面强度 大幅降低软化吸水率为 1.82，另一方面岩体膨胀 产生较大应力，对巷道支护极为不利。 2.2 非对称变形特征非对称变形特征 2001 年施工以来，由于上部 7层 7339 综采工 作面跨大巷开采，经受了强烈的采动影响，施工巷 道陆续发生了变形破坏。主要破坏形式为非对称破 坏，其表现形式为下肩顶板开裂、帮部臌出、上帮 底板臌出变形。图 1 给出了－785 m 水平轨道大巷 不对称变形形式[9]。 3 孔庄矿非对称变形的影响因素孔庄矿非对称变形的影响因素 通过现场工程地质调查和分析，总结出如下几 种影响非对称变形的因素。 3.1 底底 臌臌 在深部高应力环境下，由于底板无支护，导致 巷道底板成为能量释放的通道，一般最初由于泥岩 底板岩层向上帮的塑性滑移， 表现为不对称底臌， 底 第 27 卷 第 4 期 何满潮，等. 孔庄矿深部软岩巷道非对称变形数值模拟与控制对策研究 675 图 1 －785 m 水平轨道大巷不对称变形形式[9] Fig.1 Asymmetric deation of level －785 m roadway[9] 臌在上帮一侧臌出较为明显。之后，由于下帮处的 底板岩层向临空区的挤出，导致巷道在下帮发生帮 部整体下沉，下帮的向下位移导致肩角部出现差异 性变形，出现巷道的块状掉落或塑性铰。破坏模式 为“底臌→下帮收缩→肩部内挤变形→不对称变形 扩大”[10]。 3.2 底板岩性底板岩性 从现场监测结果分析，巷道的不对称变形随底 板岩性的软弱程度而加剧。底板岩性对巷道的不对 称变形起关键作用。泥岩底板的不对称性表现最为 剧烈，再次为砂泥岩互层性底板，具有砂岩或灰岩 底板的巷道不对称变形破坏现象较弱。 3.3 构造应力构造应力 巷道稳定性直接由围岩应力特征决定，但根本 程度上还是决定于原岩初始应力状态。地应力作为 工程岩体的赋存环境，其量级、方向以及空间分布 规律将在很大程度上影响着围岩的力学属性、应力 的分布和演化规律、变形特征和破坏机制，进而影 响着深部地下工程稳定性。深部岩石大巷的围岩应 力具有较高甚至很高的量值；在以自重应力为主的 应力场中，巷道变形破坏的典型形式是因拉应力和 剪应力集中而导致拱顶形成塌落区；如果处于构造 应力为主的应力场区域，由于较高的初始应力，重 分布应力相应较高，此时，相对结构完整的巷道围 岩的典型破坏模式是沿巷道轮廓发生层层剥落片 剥，然后才是沿结构面产生断裂滑移。在巷帮则由 于挤压应力集中引起塑性挤压破坏。对于软弱层状 岩体，其破坏形式是沿层状岩体结构面发生剪切滑 移，并发生不同程度的底臌变形。 3.4 构造应力方向构造应力方向 相关研究[11 ～13]运用三维定积分方法研究了地 应力夹角θ与巷道稳定性的关系。通过运用Mohr- Coulomb屈服准则研究了巷道顶板和工作面前方围 岩的安全系数。研究结果表明，随着地应力方向与 巷道夹角θ 的增加，巷道围岩的安全系数减小，并 在90 时达到最小值；同时显示，在大于45 时，安 全系数值急剧降低。W. J. Gale和R. W. Blackwood[13] 从理论上定量化研究了地应力与巷道稳定性的关 系，提出了最大水平应力理论。该理论认为水平 应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小 水平应力的1.5～2.5倍。巷道顶底板的稳定性主要受 水平应力的影响，且有3个特点1 与最大水平应 力平行的隧道，受水平应力影响最小，顶底板稳定 性最好；2 与最大水平应力呈锐角相交的隧道， 其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮；3 与最大水 平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。 3.5 地应力大小地应力大小 围岩的应力差对巷道围岩的扩容也有一定的影 响，一般情况下，在构造应力显著情况下，巷道两 帮和底板的破坏较为显著。 随着水平应力系数 λ 的增大，巷道两帮和底臌 量均呈上升趋势。对于两帮移近量，在水平应力为 垂直应力的 0.5 倍以后，两帮移近量随 λ 值呈线性 增长，水平应力对两帮移近量和底臌量影响较大。 对于顶板下沉，水平应力系数 λ 为 0.5～1.5，应力的 改变对顶板变形破坏较弱。随着系数的增加，巷道 顶板下沉量也有增加的趋势[10]。 3.6 岩层倾角岩层倾角 对于深部高应力软岩巷道，其扩容变形破坏除 与巷道所受的应力状态相关外，同时与岩体结构面 的展布和性质有关。煤矿巷道一般为复合层状岩层， 岩层结构面的展布具有一定的方向性，岩层结构的 不对称往往导致巷道变形的不对称。 3.7 回采动压影响回采动压影响 深部煤矿巷道与浅部隧道不同，深部开采受周 围巷道与工作面影响，往往造成巷道受到复杂应力。 对于孔庄矿－785 m水平轨道大巷，其正上方有7339 工作面正在回采，斜上方受 7339 与 7431 工作面之 间煤柱的集中压力影响，处于复杂应力状态。 4 孔庄矿非对称变形模拟研究孔庄矿非对称变形模拟研究 根据现场工程地质调查与分析，结合室内岩石 力学实验，主要对上部采空区回采动压影响进行数 值分析，采用国际通用的有限差分法分析程序 FLAC3D进行数值分析。FLAC3D采用的是快速拉格 朗日方法，它基于显式差分法来求解运动方程和动 力方程，利用显式有限差分方法为岩土工程提供精 676 岩石力学与工程学报 2008年 确有效的分析[14]。围岩采取 Mohr-Coulomb 模型， 该模型能够反映岩土材料抗压强度不同的S-D效应 以及对正应力的敏感性。 4.1 上部采空区与巷道的位置关系上部采空区与巷道的位置关系 孔庄矿 －785 m水平轨道大巷位于 7339 工作面 正下方，垂直距离76 m；7339工作面与7431工作面 形成的煤柱产生集中压力作用于－785 m水平轨道 大巷，煤柱位于岩石大巷斜上方，垂直距离76 m， 水平距离 72 m。在掘出后，受到上覆7339工作面见 图 2的开采扰动影响，发生了较为剧烈的变形。从 2003年以来，巷道陆续发生了较大的变形和破坏， 其非对称变形特征尤为明显。－785 m水平轨道布置 及受采动应力影响状况图见图2。 a 平面图 b A–A 剖面 Ⅰ采动应力区；II应力集中区；III原岩应力区 图 2 －785 m 水平轨道布置及受采动应力影响状况图 Fig.2 Roadway location and mining-induced effects on level －785 m roadway 4.2 地质模型的建立地质模型的建立 在建模过程中，一般要针对分析的问题将实体 模型进行合理的简化，目的是使得网格划分相对简 单，交界网格过渡平滑，可大大缩短计算时步。遵 循以上原则，并根据工程经验选取合理的影响深度 及宽度，确定模型尺寸为 300 m200 m100 m长 宽高。根据地质模型进行网格划分，生成 FLAC3D 数值模型，然后设定边界初始约束条件，并施加初 始地应力场。在岩层之间设置软弱夹层模拟层面之 间的相互影响，网格四周为水平链杆，底部为铰支 座，顶部取为荷载已知的自由边界，初始地应力场 巷道以实测地应力为主，最大水平应力为 26 MPa， 垂直模型物理和侧向应力为 22 MPa。地质力学模型 见图 3，模型物理力学参数见表 1。 4.3 模拟结果分析模拟结果分析 图 3 地质力学模型 Fig.3 Geomechanical model used in simulation 表 1 模型物理力学参数 Fig.1 Physico-mechanical parameters of rocks used in model 序号 岩性 名称 容重 /kNm －3 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 抗拉强 度/Pa 黏聚力 /Pa 内摩擦 角/ 1泥岩 26.5 6.0 3.6 1.0106 3.010635 2砂质泥岩25.0 4.0 2.5 8.0105 2.010633 31 煤 16.5 3.0 2.0 1.0103 8.010420 4砂质泥岩20.0 3.8 2.7 5.0104 1.010624 5砂岩 25.5 5.0 2.3 3.0105 1.210628 63 煤 16.5 3.0 2.0 1.0103 8.010420 7底板泥岩26.2 5.0 4.0 1.3106 3.610638 8顶板泥岩26.8 6.0 4.0 8.0105 4.010640 为模拟上覆工作面开采对底板巷道应力分布的 影响，对实际工程进行适当简化1 模拟巷道的 支护参数与现场施工支护参数一致。2 模拟过程 中巷道和工作面进行分布开挖，支护则一次完成。 运行 8 714 时步后模拟结果如下 图 4 为采高h 6 m平面上工作面围岩应力分 布图回采 72 m，从图中可以看出，在集中支承煤 柱下掘巷，应力集中程度约为采空区下的 1.5 倍， 在采空区边缘后大约 50 m 以后，由于开采的卸压 作用，巷道承受的垂直应力减弱。图 5 为－785 m 水 平轨道大巷受工作面开采影响的垂向应力分布，从 图中可以看出，由于开采支承压力的影响，巷道出 现了一定的程度底臌变形。在采动影响下，由于高 应力作用，产生的应力和形变分布具有不对称性。 图 4 采高h 6 m平面上工作面围岩应力分布图 回采72 m单位Pa Fig.4 Stress distribution of surrounding rock around working face with mining depth h 6 munitPa 第 27 卷 第 4 期 何满潮，等. 孔庄矿深部软岩巷道非对称变形数值模拟与控制对策研究 677 图 5 －785 m水平轨道大巷受工作面开采影响的 垂向应力分布单位Pa Fig.5 Vertical stress distribution around working face affected by mining activity for level －785 m roadwayunitPa 图 6 为煤柱下方位移等值线和位移矢量场图。 从位移矢量场分布的方向来看，煤柱下方岩体发生 了类似条形基础下方土体变形的应力和位移扩散， 并且距离煤柱越远，受其集中压力的影响越小，但 位移矢量场的方向大致呈 45 向斜下方扩散，当这 种集中压力的影响扩散到－785 m水平轨道岩石大巷 时，使巷道承受非对称的附加压力并导致巷道产生 非对称变形见图 7。 图 6 煤柱下方位移等值线和位移矢量场图单位mm Fig.6 Displacement contours and vectors under centralized pressureunitmm 图 7 －785 m 水平轨道巷道承受非对称附加压力示意图 Fig.7 Schematic diagram of asymmetric additional pressure on level －785 m roadway 5 非对称变形控制对策与应用效果非对称变形控制对策与应用效果 5.1 非对称控制机制与途径非对称控制机制与途径 非对称控制就是对巷道围岩中的关键部位进行 加强支护或局部弱化，改善巷道围岩结构的力学性 能与局部围岩应力状态，减小关键部位剧烈变形， 使其能够随巷道围岩一起协调变形[8]；使巷道围岩、 支护结构形成共同承载的力学体系，充分发挥支护 结构和围岩自身的承载能力，显著改善支护结构的 工作特性或围岩应力状态，大幅提高支护结构的承 载能力或降低巷道周边围岩的应力，有效控制关键 部位位移和围岩松动圈的扩大或使塑性区内移，从 而避免巷道围岩局部过早破坏和失稳，以及由此而 引起巷道围岩的非对称破坏与失稳。 针对巷道围岩稳定状态的结构特征以及巷道围 岩的变形破坏特征，巷道围岩非对称变形控制[8]从 以下 4 个方面考虑 1 合理布置巷道层位，优选结构巷道围岩结 构。 2 加强围岩中关键部位的控制，包括加强围 岩关键部位的支护，改善其力学参数与提高强度等 措施，以实现巷道围岩控制效果的改善。 3 进行局部弱化，改善巷道局部围岩应力状 态。 4 针对巷道变形特点进行支护控制，改善支 护体系的受载状况，提高围岩结构的承载能力。 5.2 非对称变形控制对策 非对称变形控制对策 根据现场调查及数值分析结果，对巷道支护设 计参数进行优化。在锚网索耦合支护的基础上，针 对非对称变形，采取非对称支护形式在巷道右肩 窝关键部位增设一排锚索，同时底臌剧烈部位布置 双排底角锚杆[15]，有效控制巷道变形，优化后的支 护设计参数见图 8。 图 8 支护设计参数 Fig.8 Design parameters of support 5.3 支护效果支护效果 优化后的支护方案在－785 m 水平轨道大巷进 行实施，根据近 100 d 的矿压监测数据分析，两帮 最大收缩量为 120 mm，顶板最大下沉量为 39 mm， 而最大底臌量仅为 10 mm，巷道肩部的变形仅以混 678 岩石力学与工程学报 2008年 凝土喷层局部剥蚀为主，巷道变形得到了有效控制， 巷道表面位移监测曲线见图 9。 图 9 巷道表面位移监测曲线 Fig.9 Displacement curves at the tunnel surface 6 结结 论论 通过现场工程调查和分析，总结了深部巷道非 对称变形的主要特征，分析了孔庄矿－785 m 水平轨 道大巷非对称变形的主要影响因素，主要结论如下 1 巷道方向和地应力主方向夹角不同，会导 致巷道发生不对称变形。 2 由于岩体结构的不同，围岩在不同部位的 抗剪强度不同，在巷道开挖影响下，岩体首先在强 度薄弱的部位出现变形，岩体结构不对称往往造成 巷道变形不对称。 3 深部软岩巷道不对称变形的破坏模式为 无支护底板先不对称臌出，然后出现下帮部围岩整 体下沉，并最终导致下肩部的差异性变形和整体变 形的不对称，控制非对称变形首先要控制底板变形。 4 综合现场工程调查和数值模拟结果，对 －785 m 水平轨道大巷来说，巷道在动载作用下呈现 偏态，采动影响为其非对称变形的重要影响因素。 参考文献参考文献References [1] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等. 深部开采岩体力学研究[J]. 岩石 力学与工程学报，2005，24162 803–2 813.HE Manchao，XIE Heping，PENG Suping，et al. 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