城郊矿深部延伸巷道围岩松动圈实测及数值模拟

高家平 张胜军 丁亚恒

(河南能源化工集团永煤公司城郊煤矿，河南永城476600)

随着我国东部华北型煤田浅部煤炭资源的逐渐减少，很多矿井逐渐转向了深部延伸开采，为解决目前由浅部向深部延伸开采后围岩变形破坏较严重的问题，关键是要准确确定出采掘扰动后的巷道围岩松动圈大小。在深部采掘过程中，围岩松动圈是由于巷道开挖后围岩应力进行二次分布，在巷道周围一定范围内发生变形破坏而形成的［1-6］。其变形破坏特征决定了煤矿深部延伸巷道支护方式和围岩稳定性评价参数的选择，在煤矿井巷工程中应用较广［7-10］。靖洪文等［11］将钻孔图像中的围岩裂缝圆度指标作为判断围岩松动圈的标准，并且在煤矿深井中获得了成功的应用;杨永杰等［12］从地质雷达探测围岩松动圈可行性的角度，提出应用地质雷达探测及图像分析相结合的方法研究松动圈，指导了煤矿现场生产;许国安［13］从非线性的角度开发了一套集松动圈预测与应用于一体的智能系统，很好地指导了工程实践。

上述研究从不同角度对深井巷道围岩松动圈进行了阐述，对现场工业生产发挥了积极的指导作用。但在深部采掘过程中受“三高一扰动”的恶劣环境影响［14］，不同矿区地质条件相差较大，因此上述研究成果的应用又有其局限性。为此，以城郊矿深部二水平巷道围岩支护及破坏特征为背景，在总结前人关于松动圈研究成果的基础上，选取围岩巷道的5个测站，采用地质雷达进行实测，再结合数值模拟方法对松动圈实测结果进行验证，研究成果可为类似地质条件下的巷道支护参数选取、修改及围岩稳定性评价提供参考依据。

1 矿井概况及巷道围岩破坏特征

城郊煤矿位于河南省永城市境内，为永煤集团开发建设的第3对大型现代化矿井，采用立井多水平上下山开采的开拓方式。目前开采的一水平(即－495 m水平)基本沿煤层布置，位于煤层顶板。随着矿井生产能力的提高和服务年限增加，矿井的开采范围不断扩大，矿井开采水平逐渐由一水平向二水平(即－800 m水平)过渡，主采煤层埋深最大将超过850 m。由于矿井地质条件复杂及开采深度的增加，呈现巷道围岩破碎，流变显著，压力显现明显等现象。特别是已施工的五采区2条下山，受断层和埋深影响，地应力较大，即使采用了锚网索和喷浆，甚至采用U29金属棚等联合支护，也不能保持巷道稳定，巷道收敛变形仍持续增长，流变显著，维护困难。

2 围岩松动圈测试及分析

2.1 测试设备及原理

由于围岩松动圈的最大厚度一般不超过3.0 m，要求探测的深度较小，而对精度要求较高，因此选用200～500 MHz的天线可同时满足松动圈探测精度和深度的要求。考虑到巷道内部金属物多，电磁干扰多，因此本次在城郊矿地质雷达测试选择天线中心频率为250 MHz，时窗开到200 ns进行探测，这样即可满足探测精度的要求。地质雷达由主机、笔记本电脑和天线3部分组成，测试数据由笔记本电脑采集存入硬盘，数据处理采用分析软件进行，结果直观清楚。其测试原理为:围岩松动圈以围岩破坏产生宏观裂隙形成的物性界面为主要特征，在该范围内岩体为破裂松弛状，通过地质雷达沿巷道断面一周进行扫描，地质雷达发出的电磁波在围岩松动圈中传播时，波形呈杂乱无序状态，无明显同相轴;而当电磁波经过破裂松弛带与非破坏区交界面(松动圈界面)时，两侧岩体松弛破坏程度差异较大，电磁波经过该边界时必然发生较强反射，因此根据反射波组的雷达图像特征即可分析松动圈的大小。

2.2 测点布置与测试方法

针对井下巷道类型，选择典型的巷道支护形式和巷道典型的破坏形式地段进行围岩松动圈的测试工作。本次共计布置了5个测站(如图1)，获得了相关数据。

图1 五采区－800 m水平围岩松动圈实测测站布置Fig.1 The fifth station layout at －800 m horizontal surrounding rock loose circle

为了能够探测正确的巷道围岩松动圈范围，分别在巷道顶板、两帮及底板各布置具有代表性的探测点10个(见图2)，测试顺序是右帮→拱顶→左帮→底板，以消除由于偶然因素可能带来的影响。对每个探测点，实际并非探测1个点，而是探测测点附近沿巷道轴向方向4 m长的一段测线。沿着巷道轴向将每条测线的雷达图像记录下来，利用地质雷达可以连续探测的特点，亦可将多条测线连续地记录于1幅图上，以便于将每段测线上雷达探测结果的最大值或平均值作为相应测点的松动圈尺寸，为安全起见，本次结果均采用最大值。

图2 围岩松动圈测试断面布置Fig.2 Testing section arrangement of surrounding rock loose circle 1～10—探测点号

在实际测试工作中，可结合巷道实际条件，沿巷道方向在顶、帮、底等不同部位，布设适当的纵向测线，以实现纵向对比，从而获得对巷道围岩松动范围的全面认识。本次共布置了2个测试断面和12条纵测线，部分测试断面的雷达探测图像见图3。从反射波的连续性特点看，电磁波在正常衰减过程中因遇到较强的反射界面波幅骤增，之后迅速恢复正常变化规律。由于雷达剖面记录图记录的是电磁波的反射回波信号，所以两侧介质物性差异较大的界面将产生较强的反射信号而被雷达的接收天线拾取;同样巷道围岩破碎带内围岩由松散体组合形式到岩体裂隙形式，均由许多杂乱无章的界面穿插其中，雷达接收到这些界面的反射回波信号不仅强度较弱(波幅小)，而且杂乱无序、同相轴不连续。上述2个特征足以用来准确解释出松动圈厚度。

图3 围岩松动圈地质雷达探测图像Fig.3 The geological radar image of surrounding rock loose circle

2.3 测试结果分析与讨论

表1为二水平5个测站围岩松动圈厚度特征值，根据图3及表1中的探测结果分析可知，各横向测试断面围岩破坏特征差异较大，既有相对完好围岩，又有松散破碎较严重的。纵向测线的探测情况表明，在巷道不同断面位置，围岩松动范围差异较大。这种差异与地质条件和矿上压力密切相关，此外也受巷道的倾角、断面尺寸、与周围巷道关系等因素的影响。

表1 松动圈厚度特征值Table 1 The thickness eigenvalue of the loose circle

综合各测站分析，各测站围岩破坏特征基本一致。从整体上来看，在不同测站处围岩松动圈大小相差很大，松动圈厚度分布在1.4～2.8 m，其中－800 m泵房松动圈最小，轨道下山在770～840 m处松动圈厚度最大。

根据巷道围岩松动圈分类标准，结合表1可知，巷道围岩松动范围大，属于大松动圈Ⅳ类不稳定围岩，而且巷道顶板局部比较松散、破碎，易冒落，围岩变形时间长，支护不成功时底鼓也将很严重。基于以上分析，根据巷道围岩松动圈分类标准可知，－800 m 2条下山及－800 m水平巷道的围岩类型属于大松动圈围岩，合理的支护应有一定的可缩性。

3 巷道围岩松动圈数值模拟研究

3.1 模型建立

为了进一步确定锚网索、喷浆及U29金属棚等联合支护条件下的巷道围岩松动圈厚度，根据巷道所处的地质条件，建立巷道平面应变力学模型，模型高度40 m，宽度取46 m，模拟范围为46 m×40 m。模型两侧面为滑动支承，底部为固定支承，上部为应力边界。模型划分6 400个单元，8 500个网格结点，放射性网格，地质力学模型如图4所示。

3.2 巷道开挖围岩位移变形规律分析

巷道开挖的特点是边开挖边支护，因此巷道顶底板位移也是随着开挖—支护—开挖这个循环在不断地变化。选取围岩从表面至深部的位移值作为纵坐标(在巷道0～6 m的深度范围内，每隔1 m取1个监测点)，计算时步作为横坐标，观察随着开挖和支护的进行围岩顶、底板及左帮的位移变化，位移－计算时步曲线见图5。

图4 地质力学模型Fig.4 Schematic diagram of geo-mechanics model

图5 巷道围岩顶底板位移变化曲线Fig.5 The displacement curve of roof and floor of roadway surrounding rock

图5(a)是顶板的位移数值随时间的变化规律曲线图。从图中得知:顶板的主要位移变化规律呈现3个阶段，即快速变化、平缓变化以及最后保持稳定。在快速变形阶段，由于巷道刚开挖，围岩体内不平衡力相对较大，应力得以释放，其结果表现在围岩位移变化上，出现位移变化速率较大的现象，并在短时间内引起了快速变形;在平缓变形阶段，在经过第一阶段的应力释放后，围岩不平衡力相对减小，应力虽然得以重新分布，但由于岩层裂隙仍然在发展、岩块也在转动或相互咬合，围岩位移值继续增大，但相比第一阶段，速率明显减小;稳定阶段，整个巷道开挖到一定时间，不平衡力已经非常小，围岩应力重新分布基本完成，整个围岩处于一种稳定状态。图5(b)是底板位移随时间变化的规律曲线图。由于底板并未进行任何支护，所以其变形量远大于顶板的变形量。底板在巷道开挖后，应力快速释放，底板发生底鼓变形现象，同时也迅速地达到了稳定状态。另外，结合图5(a)和图5(b)还可以看出，在距巷道顶底板3.0 m处测点围岩位移较小，且与6.0 m处测点位移相差不大，因此可以判断围岩松动圈厚度在2.0～3.0 m。

图5(c)显示了左帮各个测点位移随运算时间的变化曲线。图中的计算时步虽然不是物理时间，但这个时间单位可以反映岩石破坏的相对速度和过程。从图中可以看出，围岩位移在经历500多时步的快速增长后就达到稳定状态，没有类似于顶板下沉的3个阶段，仅仅是由快速变形阶段和稳定阶段组成。并且从图中可知，巷道帮部的表面位移要远大于内部位移，深部位移变化基本相同。此外还可以看出，围岩的松动圈厚度在2.0～3.0 m，超过3 m后的围岩基本不发生变形。

根据数值模拟计算结果可知，城郊矿深部软岩巷道的围岩松动圈厚度介于2.0～3.0 m;而地质雷达的实测结果在1.4～2.8 m;综合数值模拟及地质雷达实测结果选取城郊矿深部二水平软岩巷道的松动圈厚度介于1.4～3.0 m更为可取。为此，在这类大松动圈围岩中施工巷道，应提高支护的主动性和强度，采用组合拱设计理论可以有效地进行支护，并注意封底，同时需要加强施工监测。

4 结论

(1)城郊矿二水平5个测站的围岩松动圈的横向测试断面围岩破坏特征差异较大，既有相对完好围岩，又有松散破碎较严重的。纵向测线上巷道不同断面位置，围岩松动范围差异较大，这种差异与地质条件和矿山压力密切相关。

(2)各测站围岩破坏特征基本一致，但在不同测站处围岩松动圈厚度相差较大，松动圈厚度分布在1.4～2.8 m，其中－800 m水泵房松动圈最小，轨道下山在770～840 m处松动圈厚度最大。

(3)城郊矿二水平巷道围岩松动范围大，属于大松动圈Ⅳ类不稳定围岩，而且巷道顶板局部比较松散、破碎，易冒落，围岩变形时间长，支护不成功时底鼓也将很严重。

(4)综合数值模拟及地质雷达结果选取城郊矿深部软岩巷道的松动圈范围介于1.4～3.0 m。且在这类大松动圈围岩中施工巷道，应提高支护的主动性和强度，采用组合拱设计理论可以有效地进行支护，并注意封底，同时需要加强施工监测。

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