采空区影响条件下巷道围岩应力监测与研究

采空区影响条件下巷道围岩应力监测与研究

朱兴彪

云南省昆明市，云南地矿集团有限公司，650000

摘要：金属矿采空区多由矿房-矿柱联合复杂采空群系统组成，该复杂空区群结构为复合应力拱承载结构，复合应力拱成拱机制在采场上覆岩层中形成拉-压-压破坏方式，继而造成围岩坍塌和巷道破坏。结合软岩巷道围岩的控制理论提出了“锚网喷加混凝土砌碹支护”（方案I），“锚网索喷加锚网索棚喷加底板钢梁浇筑支护”（方案II）的支护方案。结果表明，采用方案Ⅱ的现场性试验证明支护效果好、技术可行、经济合理、安全可靠。

关键词：采空区；影响条件；巷道围岩；应力监测

结合软岩巷道围岩的控制理论提出了“锚网喷加混凝土砌碹支护”（方案I），“锚网索喷加锚网索棚喷加底板钢梁浇筑支护”（方案II）的支护方案。近年来随着人们对矿产资源需求量的日益增加，所形成采空区也日益增多[1]；特别是因为违法和无规划地乱采滥挖问题比较突出，对矿山安全生产构成了严重的隐患。目前国内外对采空区作用下围岩稳定性的研究主要集中在空间应力场分布规律的研究上，注重围岩应力测量及实时连续监测以及在监测基础上对区域危险性的评估及预测。国内外对于采空区围岩应力场分布规律的监测方法主要包括钻孔应力监测技术，声发射技术，电磁辐射技术以及微震监测技术，这些方法对于掌握采动扰动下围岩的应力分布情况具有良好的效果。但对于地下工程来说，围岩失稳往往不是单一因素引起的，而是多种因素综合作用的结果，这就需要结合现场实际条件建立合理有效的岩体力学模型分析复杂环境下岩芯受力状况及变形特征。本文作者利用端部锚固锚杆应力监测技术对采空区作用下巷道围岩进行了监测并研究了围岩应力变化规律，从而依据巷道围岩锚固体应力变化规律判断巷道围岩是否稳定。

1采空区影响条件下围岩应力监测方法

从图1岩石的应力-应变关系曲线可看出岩石破坏时划分为以下几个阶段：裂隙的封闭阶段→线弹性形变阶段→裂隙的初步发展阶段→裂隙的生长阶段→宏观裂隙的贯通阶段→损伤阶段→峰后形变阶段。

当岩层处于上述不同受力状态时，所表现出来的力学特征也不尽相同。对于脆性岩类而言，由于其所处的环境较为恶劣，所以其主要受外界因素影响较大。脆性岩石破坏过程中应力减小、应变增大，应力减小速率比应变大很多，即应力变化比应变快，则围岩破坏过程中围岩应力响应大于应变响应[2]。采空区作用下围岩巷道应力拱监测可以采用端部锚固锚杆，锚杆打进岩体并超出冒落带高，端部锚固并施加预应力，锚杆锚索应力计设置于尾部，通过锚杆锚索应力计监测围岩复合压力拱应力变化。

图1岩石应力应变曲线

2巷道概况

井田范围内埋深600～1200m，区内地层总体呈单斜，构造发育情况受区域构造控制明显，断层较发育，断层落差变化大，相互切割，构造较复杂。采区水仓位于采区下部车场左侧，在泥岩、炭质泥岩和粉砂岩层位中。水仓设计标高为-753～-751m，附近有F8断层带及SDF13断层，由于受附近断层构造、冲刷边界及埋深的影响，围岩松软破碎，属于典型的软岩巷道。另外，3100采区水仓与采区泵房、变电所及采区三条下山集中布置。

3水仓围岩稳定控制分析

在水仓围岩变形与稳定的过程中，要通过支护结构改善围岩的力学性能，强化围岩结构，以促进围岩稳定，控制围岩变形，实现主动支护，以最经济的方式满足工程需要[1]。结合现场条件提出两种支护方案：

方案Ⅰ：一次锚网喷+二次混凝土砌碹支护。其中，锚杆采用直径20mm、长2100mm的高强预应力锚杆，间排距为700×700（mm）；初喷混凝土厚度为100mm；混凝土碹体厚度为300mm，水泥标号为C30；底板混凝土浇筑400mm。

方案Ⅱ：一次锚网索喷+二次锚网索棚喷+底板钢梁浇注支护。一次支护时，锚杆采用直径20mm、长2400mm的高强预应力锚杆，间排距为800×800（mm）；锚索采用直径17.8mm、长6300mm的钢绞线，间排距为1600×1600（mm）；喷浆厚度150mm。二次支护时，锚杆采用直径20mm、长2400mm的等强锚杆，间排距为1000×1000（mm）；锚索采用直径17.8mm、长6300mm，间排距为2000×1000（mm）；棚采用18#槽钢加工制作，每棚由3节组成，两节之间搭接长度为100mm，棚距为1000mm。底板安设直径20mm、长2000mm的等强锚杆，间排距为1000×1000（mm）；底梁由11#工字钢加工而成。

4数值模拟

本构模型采用Column-mohr模型，平面应变模型（宽60m、长60m、厚1m）。边界条件：左右边界水平约束，上边界承受竖直应力19.75MPa，水平内力为19.75MPa（侧压系数λ设为1），底边界为水平和竖直方向约束，模型前后方向为水平约束。运用由Mitri在RMR值基础上所提及的岩块弹性模量Eint和岩体的弹性模量Erm之间的减小因子计算公式[4]：

在岩体减小因子基础上，得到采区水仓围岩体的力学参数如表1所示。

表1折减后岩体力学参数

4.1围岩位移

通过对上述两种支护方案的模拟，从围岩位移等值线云图（图1）可以看出：方案Ⅱ与方案Ⅰ相比，巷道底鼓量有明显降低，且顶帮位移量有所减少，位移梯度有所增加；从等值线整体分布情况来看，方案Ⅱ支护状态下围岩位移等值线分布较平滑，特别是巷道底板附近，这说明方案Ⅱ与方案Ⅰ相比巷道围岩受力较均匀，应力集中程度较小。

（a）方案Ⅰ位移等值线分布

（b）方案Ⅱ位移等值线分布

图1两种支护方式下位移等值线云图

4.2围岩应力与塑性区分布

最大主应力峰值和最小主应力分布是巷道围岩完整性的重要指标，主应力峰值离巷道表面距离越远，说明巷道围岩的松动范围越大。两种方案支护状态下围岩的最大主应力分布状态如图2所示，从图中可以看出，方案Ⅱ与方案Ⅰ相比围岩的主应力峰值更接近巷道表面。

（a）方案Ⅰ最大主应力分布

（b）方案Ⅱ最大主应力分布

图3两种支护方式下最大主应力分布云图

综上，方案Ⅰ不能有效地控制采区水仓围岩的位移和塑性区的分布范围，特别是底板无任何加固措施，会导致底板变形严重，影响水仓的正常使用；方案Ⅱ这种主动支护方式可以充分发挥围岩的自承能力，有效控制顶帮围岩，底板钢梁加锚杆支护降低了硐室的底鼓程度[3]。

结论

①对3100采区水仓围岩稳定影响因素和围岩稳定控制机理分析表明，要通过支护结构改善水仓围岩的力学性能，充分发挥围岩的自承能力，促进围岩稳定，实现主动支护。

②通过建立了水仓数值模拟模型比较证明，采用一次锚网索喷+二次锚网索棚喷+底板钢梁浇注支护支护方式，水仓围岩的承载能力增强，围岩尤其是底板的强度得到了很好强化，塑性区范围显著减小。

③现场工业性试验表明，支护取得了良好的应用效果，技术上可行，经济上合理，安全上可靠，实现了水仓围岩的稳定，满足生产使用要求。

参考文献：

[1]王刚.基于矿压监测的浅埋临空巷道煤柱稳定性研究[J].煤,2022,31(02):79-82.

[2]刘焕新,朱明德,吴钦正,张晓勇.深部巷道裂隙围岩危险体判定及应力监测预警[J].中国矿业,2020,29(01):137-140.

[3]邢晓鹏.基于光纤光栅钻孔应力计的巷道围岩采动应力监测系统开发与应用[D].中国矿业大学,2017.