断层影响下软岩巷道蠕变变形规律与破坏特征

任 丁

(山东方大工程有限责任公司,山东 淄博 255120)

随着赋存环境良好的煤炭资源逐渐开采殆尽,煤矿开采逐渐向地质环境复杂区域探索,巷道布置于软弱岩层中时,巷道围岩将会发生极强的蠕变变形特征[1-2]. 当巷道通过断层破碎带时,在附加应力与破碎构造的影响下,将会加剧巷道围岩的塑性区发育范围扩展,导致强烈的冒顶、片帮与支护结构失效等矿压显现问题[3-4].

针对巷道在软弱岩层中的围岩变形规律,黄庆享等[5]表明软岩巷道开挖过程中,围岩具有明显的四周收敛特性,流变特征明显。林志斌等[6]指出巷道围岩的径向变形量与围岩深度具有指数函数型的衰减特征。根据软岩巷道围岩变形特征,工程实践者在“新奥法”支护理论上提出了“定量让压”支护理论,并根据矿井实际地质情况提出了相应的支护方案[7-9]. 李伟等[10]通过对比多种支护方案的围岩变形规律,提出了“锚杆+注浆圈+顶板锚索+底板锚索+钢架+喷射混凝土”联合支护方式,有效控制了软岩巷道大变形。刘银等[11-13]采用数值模拟方法对掘进巷道围岩的时空演化特征进行了研究,并提出了多种联合支护方案。

以上研究成果为软岩巷道的围岩变形规律与支护设计起到了积极的促进作用。然而当软岩巷道通过断层破碎带等地质构造复杂区域时,其蠕变变形与塑性破坏发育特征将会更加剧烈。针对上述问题,以五举煤矿13207工作面掘进巷道过断层破碎带的围岩时效性变形特征进行研究,并提出有效的联合支护方案,保障过断层破碎带软岩巷道的安全性。

1 工程地质概况

13207工作面为五举煤矿首采工作面,井下位于一采区东翼北部。东侧、南侧、北侧目前尚无掘进巷道。西侧为一采区运输、回风暗斜井,北侧为DF12、DF11、DF10断层,东侧至一采区东部边界线。工作面回风巷道标高为+1 324.63～+1 236.3 m. 巷道设计长度2 476.963 m,开门方位167°,开口岩巷+3‰上坡掘进,揭煤后沿巷道顶板掘进。

该工作面北侧临近DF12、DF11断层,预计掘进过程中将有附生断层揭露。DF12为西升东降的斜交逆断层,落差0～20 m,倾角70°,南北延展约470 m;DF11为北升南降的斜交逆断层,落差0 ～17 m,倾角64°,东西延展约500 m;断层附近存在少量裂隙水,无水压,掘进过程中断层附近巷道将有少量淋水。该采区煤、岩层赋存不稳定,局部变化较大,岩层多为砂质泥岩与泥岩,岩石物理力学强度较低,临近断层破碎带区域多呈软弱胶结结构。

2 断层影响下软岩巷道蠕变数值模拟

2.1 数值模拟模型的建立

为探究断层影响下软岩巷道蠕变变形规律,采用FLAC3D数值模拟软件建立软岩巷道过断层区域的数值模型见图1,模型的长宽高分别为36 m、32 m、32 m,固定模型的底部边界,以五举煤矿13207工作面的实际地质条件,在模型的上方与四周,施加11.8 MPa的垂直应力与17.7 MPa的水平应力。

图1 断层影响下软岩巷道数值模型图

此模型的岩性参数见表1,模型中包含岩性软弱的岩层以及岩性较强的岩层,其中泥岩、砂质泥岩、煤层与断层的岩性较弱,在力学作用下发生蠕变变形的能力较强,所以采取Cvisc模型进行模拟,而其余的岩层,如中砂岩、细砂岩与破碎带加固区的岩性通常较强,在力学作用下更容易发生塑性破坏,所以采取Mohr-Coulomb模型进行模拟。数值模拟采用的Cvisc模型的蠕变本构方程如式(1)所示:

(1)

式中:ε为软岩蠕变应变,%;σ为岩石所受的应力,MPa;t为蠕变时间,h;Em、ηm分别为本构模型中麦克斯韦体的弹性模量与黏性系数,GPa、GPa·h;Ek、ηk分别为本构模型中开尔文体的弹性模量与黏性系数;εp为塑性应变,%.

2.2 巷道围岩蠕变变形规律

在巷道开挖时,对断层构造进行注浆加固,单次掘进长度为2 m,开挖时长为8 h,与实际的开挖时间相同,用于模拟软弱岩层随时间的变形特征。以揭露断层位置为基准点(S=0 m),累计掘进长度为22 m,即从巷道距离断层1 m(S=-1 m)至巷道通过断层21 m(S=21 m). 以此掘进区间为例,探究掘进巷道临近并揭露断层破碎带时围岩不同深度的蠕变变形规律。

巷道围岩不同深度位置变形规律见图2. 根据图2所示,当巷道未通过断层破碎带时,岩层内部应力受断层的影响较小,位移量也相对较小,当巷道揭露断层后,由于巷道围岩的应力卸载状态受到了断层构造应力的耦合影响,应力卸载程度也更加剧烈,在图中表现为径向位移的快速增加。不同围岩深度的径向位移具有指数型衰减规律,并具有明显的流动特征。在工程上将会显现为大面积的围岩松动与塑性失稳状态。根据对比分析可知,巷道两帮的位移要大于顶底板的位移,因此,需要针对性加强两帮围岩的支护。

图2 巷道围岩不同深度位置变形规律图

掘进巷道通过断层破碎带前后围岩变形规律见图3,当巷道距离断层破碎带大于3 m时,巷道围岩的位移量受断层的影响较小,此时巷道顶板、底板、帮部的位移量分别为53.4 mm、43.0 mm、64.7 mm. 当即将揭露断层时,围岩的径向位移增加速率加快,并在岩石蠕变作用的影响下呈现出近似线性的增长规律,平均每掘进2 m,巷道顶板、底板与帮部的位移量增加17.8 mm、12.2 mm、22.6 mm. 因此,若无法采取有效支护措施进行巷道支护,将会导致巷道围岩的位移量持续性增加,最终导致巷道失效。

图3 掘进巷道通过断层破碎带前后围岩变形规律图

2.3 巷道围岩塑性区分布特征

巷道通过断层的围岩塑性区分布特征见图4. 图4(a)中,巷道开挖面的塑性区破坏深度约为1.0 m,泥岩段的底板破坏深度为1.25 m,随着巷道掘进距离继续增加,在图4(b)中,开挖面的塑性区深度增加至1.33 m,底板的破坏深度为1.65 m,塑性区的发育范围在图4(c)中趋于稳定。

图4 掘进巷道通过断层破碎带时围岩塑性破坏状态图

对比分析可知,断层前后围岩的塑性区范围存在明显的差异性,断层后方的围岩塑性区范围明显增加,主要原因是断层导致的应力释放作用与软岩的蠕变变形作用的耦合结果。因此,需要综合考虑围岩的塑性区发育范围确定注浆加固深度。

3 断层影响下软岩巷道支护技术

3.1 软岩巷道支护设计

根据上述分析结果,五举煤矿13207工作面掘进巷道围岩稳定性的影响因素主要包括:1) 泥岩、砂质泥岩的岩性强度较低,容易发生蠕变大变形。2) 巷道的塑性变形范围具有环形结构,并且向围岩深部发展范围较大,普通的支护措施难以形成有效的封闭支护。3) 断层影响下,巷道围岩的应力释放作用加剧,促进了围岩的大变形。综合考虑上述问题,首先应对巷道表面喷射50 mm的混凝土对围岩表面进行封闭,限制蠕变变形,其次选用长度为2500 mm,直径为25 mm,排距为1600 mm×1600 mm的注浆锚杆进行深部注浆处理,降低软岩的蠕变效应,最后选用长度为2200 mm,直径为22 mm,间排距为800 mm×800 mm的锚杆与长度为6400 mm,直径22 mm,间排距为1600 mm×1600 mm的锚索对巷道进行综合加固,形成“喷射混凝土+深部注浆+锚杆+锚索”联合支护方式,支护示意图见图5.

图5 软岩巷道过断层条件下支护设计图

3.2 支护条件下巷道蠕变变形与破坏规律

为探究“喷射混凝土+深部注浆+锚杆+锚索”联合支护方式的应用效果,在FLAC3D中进行模拟试验,以巷道掘进面过断层21 m位置为例,得到巷道顶板、底板与帮部的变形曲线见图6(a),在采用联合支护方式后,巷道围岩不同深度的径向位移呈现指数衰减形式,其位移变形量明显低于支护前。根据图6(b)中的塑性区发育状态所示,采用联合支护方案后,顶板的塑性区发育深度为0.46 m,底板为0.93 m,帮部为0.52 m,相比于未支护条件下降低了41%～50%. 可见,联合支护方案有效降低了围岩的塑性区范围,有利于巷道的长期稳定。

图6 支护条件下巷道变形与塑性区发育规律图

4 结 论

1) 在FLAC3D软件中,采用Cvisc模型与Mohr-Coulomb模型对软岩与硬岩进行区分模拟。由于巷道围岩的应力卸载状态受到了断层构造应力的耦合影响,应力卸载程度更加剧烈,并导致不同围岩深度的径向位移具有指数型衰减规律,呈现出流动性特征。

2) 巷道两帮的位移要大于顶底板的位移。当巷道距离断层破碎带的距离大于3 m时,巷道围岩的位移量受断层的影响较小,即将揭露断层时,围岩的径向位移增加速率加快,并呈现出近似线性的增长规律,平均每掘进2 m,巷道顶板、底板与帮部的位移量增加17.8 mm、12.2 mm、22.6 mm. 断层后方围岩的塑性区发育范围明显大于断层前方围岩。

3) 提出了“喷射混凝土+深部注浆+锚杆+锚索”联合支护方案,并运用数值模拟进行验证。结果表明,采用联合支护方案后,围岩的位移量明显缩减,巷道的塑性区发育范围降低了41%～50%,有效提高了巷道抗变形能力。