深部礦區巷道圍巖力學參數測試及反演研究*

許波,楊鵬軍

(陜西延長石油榆林可可蓋煤業有限公司,陜西 榆林市 719000)

我國是煤炭消耗大國,隨著淺部煤炭資源的日益枯竭,中東部主要礦井大多進入了千米開采范圍[1-6],深部開采擾動大,地應力較高,極易引起動力沖擊等災害。傳統的監測主要是針對災害發生前引起的各類延伸指標,對其本質問題沒有進一步分析解決。

現有圍巖力學測試研究主要針對特定單一地點的某一范圍進行測試,代表性不強,沒有得到研究區域內全域的相關巖石參數。一般地,使用這一方法會導致區域地應力場的反演結果普適性不強,且難于被現場工程技術人員所使用[7-10]。此外,由于巖體力學性質與巖體中的結構面、結構體及其賦存環境密切相關,因此很難通過室內試驗或原位試驗獲取準確且大范圍內的巖體力學性質參數,而位移反分析則是解決這一問題的有效手段[11-16]。

本文通過理論分析、現場實測、數值反演等手段探究深部礦區圍巖力學測試及反演研究規律,研究結果可為深部礦區地應力測量及反演提供參考。

1 礦區地層巖石力學參數測試及反演研究

東部某礦區平均總厚度為21.14 m,各煤層賦存穩定,傾角一般為5°～15°。礦井屬高瓦斯礦井,隨著礦井開采深度的增加,局部可能出現煤與瓦斯突出現象。本井田平均地溫梯度為3.08℃/100 m;預計-780 m 水平地溫為37.7～43.7℃,平均40.1℃,屬地溫異常區?？刹擅簩映?-2和1煤層不自燃至很易自燃以外,其余均很易自燃。煤塵均具有強爆炸性。

1.1 巖石取樣

獲取了全礦區自13-1煤頂板到1煤底板共計8層地層的圍巖力學參數,具體取樣地點見表1。

表1 巖石力學測試巖樣取樣地點

1.2 測試結果

獲取了自13-1煤頂板中細砂巖(標準地層序號0403)到1煤底板粉砂巖(標準地層序號1003)內所有圍巖典型標準巖塊試樣的單軸抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、孔隙率、容重、軟化系數、黏聚力及內摩擦角等參數。限于取樣條件,新生界黏土(標準地層序號0101)到16-2煤底板砂質泥巖(標準地層序號0402)以及煤樣的巖石力學參數無法測定。根據上述試驗,獲得的結果見表2。

表2 煤巖物理力學參數

1.3 圍巖力學參數反演計算模型

埋深較大的巷道在高地應力作用下,圍巖由彈性狀態逐漸轉變為塑性狀態,出現一定范圍的塑性形變。為了便于模擬計算,假設圍巖為各向同性的均質連續體,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-庫倫破壞準則,影響圍巖變形量的因素有內摩擦角φ、剪脹角ψ、黏聚力C和塑性應變εpl,如圖1所示。

圖1 巷道圍巖變形有限元計算模型

由于礦區不同巷道支護方式不同,在進行有限元數值模擬時難以對其精確模擬,有必要對支護進行一定的簡化。采用等效強度法將支護強度均勻等效到模擬范圍內的圍巖上,圍巖力學參數在開挖前后保持不變。圍巖變形量用巷道兩幫、頂底板收斂量表示?？紤]到巷道開挖影響范圍和邊界效應,建立的數值模型邊界距巷道邊界應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力,尤其對于深部巷道,高地應力對圍巖變形量起著主導控制作用。根據礦區地應力反演結論,提取出巷道所在位置的地應力施加到模型上,即為巷道圍巖的初始應力狀態。

圍巖力學參數反演流程主要包括:巷道圍巖變形監測,建立二維平面模型,根據待反演圍巖力學參數取值范圍設置若干組參數組合賦予到模型材料中,從地應力反演模型中提取巷道位置地應力值施加到模型邊界上,有限元軟件進行巷道圍巖變形解算創建學習樣本,對支持向量回歸模型進行訓練并進行參數調優,然后預測待反演圍巖力學參數,將預測值帶入模型中進行巷道圍巖變形解算,檢驗反演值的可靠度,反演流程如圖2所示。

圖2 圍巖力學參數反演流程

1.4 巷道變形影響因素研究

(1) 巖石強度的影響。礦區不同開采工作面揭露砂質泥巖、泥巖、細砂巖、13-2煤層、砂質泥巖、細砂巖、13-1煤層、砂質泥巖、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定,而處在泥巖、砂質泥巖、細砂巖中的巷道受到不同程度破壞,不翻修不能投入使用。

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

(3) 巖石物理力學性質的影響。礦區-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、產生膨脹,流變強烈。

1.5 參數影響規律

為具體地分析不同因素對巷道變形的影響,建立數值計算模型模擬計算巷道的變形量。為了便于分析計算,合理設計的模型尺寸為長×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(見圖3)。固定巷道尺寸斷面形式及支護結構,調整垂直應力、側壓系數以及巖石力學參數。為了便于計算,模型上表面施加圍巖的垂直壓應力,模型兩側面施加水平應力,模型下表面限制垂直移動,采用摩爾-庫倫準則。

圖3 數值計算模型與支護方案

如圖4所示為同一巖石力學與支護參數條件及變化垂直應力條件下,巷道不同應力下的圍巖變形特征。隨著垂直應力由10 MPa增加到30 MPa,巷道兩幫及頂底板收斂呈現增加趨勢。當地應力增加到30 MPa時,兩幫最大位移約為180 mm,最大底臌量約為228 mm,均已超過150 mm 的標準,說明該支護結構已難以滿足該工況的安全要求,應考慮支護補強。類似的,通過數值計算也獲取了其他條件下巷道圍巖的變形趨勢。

圖4 不同垂直應力條件下巷道變形收斂計算結果

不同影響因素下的巷道變形特征如圖5所示。由圖5可知,抗拉強度對巷道變形的影響最大,內摩擦角次之,側壓系數、黏聚力、垂直壓力對巷道破壞的影響相對較小。

圖5 不同影響因素下的巷道變形特征

2 圍巖力學參數反演

根據地質條件和巷道設計分別對東區北翼11-2軌道大巷和11-2回風大巷建立二維平面模型,如圖6所示。

圖6 東區巷道二維平面模型

由于兩條巷道的測點位置較近,地應力在局部地區變化不大,因此地應力相同。通過查詢礦區地應力反演結果可知,在大地坐標系下地應力分別為:σx=30.81 MPa,σy=28.78 MPa,σz=27.04 MPa,τxy=1.50 MPa,τxz=0.03 MPa,τyz=0.27 MPa。結合巷道方位角和傾角得到截面的應力狀態為:σx=29.72 MPa,σy=27.11 MPa,τx y=0.50 MPa。

采用均勻設計表設計5 組不同水平的參數條件,將5組參數分別賦予兩條巷道模型中進行變形計算,提取圍巖在不同參數條件下的變形量(見表3),由此可分別得到5組學習樣本。把圍巖變形量作為輸入變量,圍巖力學參數作為輸出變量,分別將5組學習樣本帶入到支持向量回歸模型中進行訓練,然后對訓練過的模型進行評分,根據評分結果對模型參數調優,最終獲得最優模型。將每個斷面圍巖變形量作為輸入變量帶入到最優模型中,輸出的圍巖力學參數即為該斷面圍巖力學參數反演值(見表4)。

表3 東區巷道在模擬不同圍巖力學參數條件下的變形量

表4 巷道圍巖力學參數反演值

把最優圍巖力學參數賦值到模型中再次進行變形計算,將變形量反演值與變形量實測值進行對比分析(見圖7和圖8),可以看到實測值與反演值基本保持一致,誤差都在10%以內,說明圍巖力學參數反演值具有很高的可靠度。

圖7 軌道大巷各測點圍巖變形量實測值與反演值

圖8 回風大巷各測點圍巖變形量實測值與反演值

3 結論

(1) 現場測試了全礦區自13-1 煤頂板到1 煤底板共計8層地層的圍巖力學參數,研究了圍巖力學參數反演計算模型,設計了圍巖力學參數反演流程。

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

(3) 根據地質條件和巷道設計分別對東區北翼11-2軌道大巷和11-2回風大巷進行反演,將變形量反演值與變形量實測值進行對比分析,得出實測值與反演值基本保持一致的結論,誤差在10%以內,說明圍巖力學參數反演值具有很高的可靠度。