復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖穩(wěn)定控制與數(shù)值模擬研究

刁明富

（山東神能煤電投資有限公司，山東 肥城 271608）

復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖穩(wěn)定控制與數(shù)值模擬研究

刁明富

（山東神能煤電投資有限公司，山東 肥城 271608）

在剖析復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下巷道圍巖穩(wěn)定影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定控制機(jī)理進(jìn)行了探討，提出了支護(hù)方案的設(shè)計(jì)思路，并給出了兩種選擇方案。

復(fù)雜地質(zhì)；穩(wěn)定機(jī)理；探討；數(shù)值模擬

1 巷道概況

楊營(yíng)煤礦3100采區(qū)水倉(cāng)位于采區(qū)下部車(chē)場(chǎng)左側(cè)，位于泥巖、炭質(zhì)泥巖和粉砂巖層位。水倉(cāng)設(shè)計(jì)標(biāo)高為-753m～-751m，附近有F8斷層帶及SDF13斷層，由于受附近斷層構(gòu)造、沖刷邊界及埋深的影響，圍巖松軟破碎，屬于典型的軟巖巷道。另外，3100采區(qū)水倉(cāng)與采區(qū)泵房、變電所及采區(qū)三條下山集中布置。

2 水倉(cāng)圍巖穩(wěn)定影響因素分析

（1）圍巖性質(zhì)。根據(jù)地質(zhì)資料知，3100采區(qū)水倉(cāng)圍巖較破碎，含有大量的泥巖、砂質(zhì)泥巖成分，強(qiáng)度較低，直接底為砂質(zhì)泥巖，如果對(duì)水倉(cāng)底板不采取有效的支護(hù)措施，當(dāng)頂幫壓力傳遞到底板時(shí)，會(huì)容易導(dǎo)致底板產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形而底鼓，進(jìn)而會(huì)影響水倉(cāng)頂幫的穩(wěn)定；（2）應(yīng)力環(huán)境。水倉(cāng)形狀為直墻半圓拱，掘進(jìn)斷面設(shè)計(jì)為12m2，巷道斷面較大，相應(yīng)的圍巖松動(dòng)圈就大。另外，水倉(cāng)附近的一些輔助巷道，泵房、配水井、吸水井、變電所、變電所回風(fēng)巷、管子道、3100軌道下山、膠帶下山、回風(fēng)下山及聯(lián)絡(luò)巷等與之形成了復(fù)雜的巷硐群，水倉(cāng)圍巖存在多重應(yīng)力疊加，處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中。F8斷層帶及SDF13斷層的存在又會(huì)加大水倉(cāng)圍巖與支護(hù)體的荷載和應(yīng)力集中程度；（3）支護(hù)形式。水倉(cāng)支護(hù)方案要保證支護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠的承載能力，確保靜動(dòng)壓下的穩(wěn)定，應(yīng)盡可能采取主動(dòng)支護(hù)措施，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，大大提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力和適應(yīng)性。

3 水倉(cāng)圍巖穩(wěn)定控制分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件提出兩種支護(hù)方案：

方案Ⅰ：一次錨網(wǎng)噴+二次混凝土砌碹支護(hù)。其中，錨桿采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，規(guī)格為Φ20×2100mm，間排距為700mm×700mm；初噴厚度為100mm；混凝土碹體厚度為300mm，水泥標(biāo)號(hào)為C30；底板混凝土澆筑400mm。

方案Ⅱ：一次錨網(wǎng)索噴+二次錨網(wǎng)索噴+底板鋼梁澆注支護(hù)。其中，一次支護(hù)時(shí)：錨桿規(guī)格為Φ20×2400mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，間排距為800mm×800mm；錨索規(guī)格為Φ17.8×6300mm，間排距為1600mm×1600mm；噴漿厚度150mm。二次支護(hù)時(shí)：錨桿規(guī)格為Φ20×2400mm等強(qiáng)錨桿，間排距為1000mm×1000mm；錨索規(guī)格為Φ17.8×6300mm，間排距為2000mm×1000mm。底板打設(shè)規(guī)格為Φ20×2000mm等強(qiáng)錨桿，間排距為1000mm×1000mm；底梁由11#工字鋼加工而成。

4 數(shù)值模擬

為了深入了解水倉(cāng)圍巖的變形情況，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值分析軟件對(duì)上述兩種方案支護(hù)狀態(tài)下巷道的變形情況進(jìn)行了模擬。本構(gòu)模型采用Column-mohr模型，平面應(yīng)變模型（寬×長(zhǎng)×厚=60m×60m×1m）。邊界條件：左右邊界水平約束，上邊界承受豎直應(yīng)力19.75MPa，水平內(nèi)力為19.75MPa（側(cè)壓系數(shù)λ設(shè)為1），底邊界為水平和豎直方向約束，模型前后方向?yàn)樗郊s束。

4.1 圍巖位移

通過(guò)對(duì)上述兩種支護(hù)方案的模擬，從圍巖位移等值線云圖可以看出：方案Ⅱ與方案Ⅰ相比，巷道底鼓量有明顯降低，且頂幫位移量有所減少，位移梯度有所增加；從等值線整體分布情況來(lái)看，方案Ⅱ支護(hù)狀態(tài)下圍巖位移等值線分布較平滑，特別是巷道底板附近，這說(shuō)明方案Ⅱ與方案Ⅰ相比巷道圍巖受力均勻，應(yīng)力集中程度較小。

方案Ⅱ支護(hù)狀態(tài)下，水倉(cāng)頂板下沉量為148.2mm，底鼓量155.2mm，幫部（單側(cè)）移近量為115.6mm。這充分說(shuō)明應(yīng)用方案Ⅱ支護(hù)結(jié)構(gòu)后，水倉(cāng)圍巖的承載能力增強(qiáng)，圍巖尤其是巷道底板的強(qiáng)度得到了較好強(qiáng)化，理論上方案Ⅱ能夠滿足水倉(cāng)圍巖變形控制要求。

4.2 圍巖應(yīng)力與塑性區(qū)分布

最大主應(yīng)力σmax峰值和最小主應(yīng)力σmin分布是巷道圍巖完整性的重要指標(biāo)，主應(yīng)力峰值離巷道表面距離越遠(yuǎn)，說(shuō)明巷道圍巖的松動(dòng)范圍越大。從主應(yīng)力分布云圖可以看出，方案Ⅱ與方案Ⅰ相比圍巖的主應(yīng)力峰值更接近巷道表面。

為了更加直觀地反映圍巖主應(yīng)力的分布情況，同樣在巷道頂板、底板和右?guī)头謩e設(shè)置測(cè)線，并提取相關(guān)數(shù)據(jù)繪制位移曲線。

兩種支護(hù)狀態(tài)下拱頂測(cè)線最大主應(yīng)力σmax的位置：方案Ⅰ支護(hù)狀態(tài)下，25.83MPa，距巷道表面1.22m；方案Ⅱ支護(hù)狀態(tài)下，24.93MPa，距巷道表面1.13m；這說(shuō)明隨支護(hù)能力的提高，圍巖最大主應(yīng)力σmax峰值向巷道表面移動(dòng)。兩種支護(hù)狀態(tài)下底板測(cè)線最大主應(yīng)力σmax的位置：方案Ⅰ支護(hù)狀態(tài)下，26.16MPa，距巷道表面3.73m；方案Ⅱ支護(hù)狀態(tài)下，26.53MPa，距巷道表面3.21m；方案Ⅱ與方案Ⅰ相比圍巖最大主應(yīng)力σmax峰值向巷道表面移動(dòng)了0.52m，有效控制了底板的變形。兩種支護(hù)狀態(tài)下右?guī)蜏y(cè)線最大主應(yīng)力σmax的位置：方案Ⅰ支護(hù)狀態(tài)下，27.18MPa，距巷道表面1.67m；方案Ⅱ支護(hù)狀態(tài)下，27.57MPa，距巷道表面1.90m；兩種支護(hù)方案下，巷道幫部的應(yīng)力分布基本一致。

方案Ⅱ與方案Ⅰ相比圍巖最小主應(yīng)力σmin從巷道周邊到圍巖深部都有所增大，這表明方案Ⅱ支護(hù)狀態(tài)下巷道圍巖受力更加均勻、合理，其巷道周邊塑性區(qū)范圍尤其是底板大幅度減小。

綜上，方案Ⅰ不能有效地控制采區(qū)水倉(cāng)圍巖的位移和塑性區(qū)的分布范圍，特別是底板無(wú)任何加固措施，會(huì)導(dǎo)致底板變形嚴(yán)重，影響水倉(cāng)的正常使用；方案Ⅱ這種主動(dòng)支護(hù)方式可以充分發(fā)揮圍巖的自承能力，有效控制頂幫圍巖，底板鋼梁加錨桿支護(hù)降低了硐室的底鼓程度。

5 工程應(yīng)用效果

根據(jù)分析，選定方案Ⅱ作為采區(qū)水倉(cāng)支護(hù)方案并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。為了掌握水倉(cāng)圍巖的變形情況，采用十字交叉法對(duì)水倉(cāng)變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)記錄，在斷面收斂測(cè)試期（3個(gè)月）內(nèi)，兩幫收斂量為180mm，頂?shù)装迨諗苛繛?00mm，巷道斷面收斂率為10.9％，巷道圍巖整體變形量不大。在支護(hù)完成第80天左右，巷道變形基本趨于穩(wěn)定，日收斂速率平均為0.05mm/d，支護(hù)效果良好。

6 結(jié)論

聯(lián)合支護(hù)、綜合治理是軟巖巷道支護(hù)的基本原則，要通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)改善水倉(cāng)圍巖的力學(xué)性能，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，促進(jìn)圍巖穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)。結(jié)合楊營(yíng)煤礦3100采區(qū)水倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)條件，應(yīng)用“一次錨網(wǎng)索噴+二次錨網(wǎng)索噴+底板鋼梁澆注”支護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)了巷道的穩(wěn)定。

[1]韋四江，馬建宏，李小軍.返修大斷面硐室加固及數(shù)值模擬研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009,26(2)：217-224。

刁明富(1961-)，男，畢業(yè)于山東科技大學(xué)采礦工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事采礦技術(shù)工作。