巷道圍巖破壞特征數(shù)值模擬研究

王 杰

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048027）

巷道掘進(jìn)之前各巖層應(yīng)力處于相對(duì)平衡狀態(tài)，隨著掘進(jìn)工作面的持續(xù)推進(jìn)，巖層原始應(yīng)力平衡狀態(tài)將被打破，巷道周圍巖體應(yīng)力將會(huì)發(fā)生重新分布。由于深部巖體所受應(yīng)力相對(duì)復(fù)雜，掘巷后圍巖體由原來(lái)的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖體結(jié)構(gòu)會(huì)減弱，成巷后巷道將處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)中。本文以莒山礦3號(hào)煤層2采區(qū)運(yùn)輸巷為工程背景，采用數(shù)值模擬對(duì)巷道應(yīng)力破壞情況進(jìn)行分析，為錨桿支護(hù)提供參考。

1 工程概況

山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司二采區(qū)運(yùn)輸巷沿3#煤層底板掘進(jìn)，屬全煤巖巷道。巷道東北面為3#煤運(yùn)輸大巷、回風(fēng)大巷保安煤柱，西南面為原二采區(qū)運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷保安煤柱及原202刀柱工作面，西北面為3#煤井底車場(chǎng)及礦區(qū)保安煤柱，東南面為原201分層工作面（已回采）。

巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，掘進(jìn)寬度4.4m，高3.2m，巷道凈寬4.2m，凈高3.0m。采用錨網(wǎng)支護(hù)。巷道頂?shù)装逄卣魅绫?所示。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

采用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬二采區(qū)運(yùn)輸巷在開挖后的應(yīng)力分布規(guī)律及破壞規(guī)律。模型的尺寸為60m×60m×60m，采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，模型底板限制豎向位移，前后左右限制水平位移，頂部為自由面。各煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 巷道圍巖應(yīng)力分析

圖1為二采區(qū)運(yùn)輸巷道垂直應(yīng)力云圖。由圖可知，掘進(jìn)完成后，巷道圍巖所受垂直應(yīng)力表現(xiàn)為高應(yīng)力區(qū)主要集中于巷道兩幫，最大應(yīng)力值為28MPa，巷道頂?shù)装逅軕?yīng)力較小，約為2～4MPa。巷道頂?shù)装逯胁看嬖诹銘?yīng)力區(qū)，表明巷道在掘進(jìn)過(guò)程中巖層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，隨著巷道的成形，上覆巖層應(yīng)力發(fā)生重新分布：垂直應(yīng)力向兩側(cè)擴(kuò)散，導(dǎo)致巷道幫部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力急劇減小，甚至出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。

圖1 巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖

圖2為數(shù)值模擬所得巷道圍巖水平應(yīng)力云圖。分析可知，二采區(qū)運(yùn)輸巷道圍巖所受水平應(yīng)力相對(duì)較小，應(yīng)力特征表現(xiàn)為：巷道頂?shù)装逅軕?yīng)力大于兩幫，頂板所受高應(yīng)力為0.8～1.2MPa，位于巷道頂?shù)装逯胁浚粌蓭退軕?yīng)力為2～8MPa，此外，兩幫區(qū)域隨著向巖層深部擴(kuò)展，所受水平應(yīng)力逐漸增大，由巷道表面幫部的2MPa增加至8MPa。

圖2 巷道圍巖水平應(yīng)力云圖

對(duì)比分析圖1及圖2可知，巷道掘進(jìn)后，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，主要表現(xiàn)在頂板及底板承載著較高的水平應(yīng)力，兩幫承載著較高的垂直應(yīng)力。在水平及垂直集中應(yīng)力作用下巷道表面巖層結(jié)構(gòu)容易發(fā)生破壞，圍巖體物理力學(xué)性質(zhì)變差。由此可知在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中巷道頂板破壞變形及底鼓破壞主要受水平應(yīng)力的影響，而巷道兩幫的破壞變形主要受垂直應(yīng)力影響。

2.3 巷道圍巖變形分析

表3為數(shù)值模擬所得巷道圍巖垂直及水平變形統(tǒng)計(jì)。分析可知變形特征主要表現(xiàn)為頂板下沉量＞兩幫＞底板，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中頂巷道掘進(jìn)后頂板最大下沉量為38.12mm，兩幫最大水平移近量為35.72mm，底板底鼓量為15.61mm。在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)維護(hù)頂板及兩幫，使其變形能滿足煤炭運(yùn)輸要求。

表3 不同埋深時(shí)巷道圍巖位移數(shù)值

2.4 巷道圍巖破壞特征分析

圖3為巷道圍巖塑性破壞特征圖。分析可知巷道掘進(jìn)后頂板附近巖層主要發(fā)生剪切破壞及拉伸破壞，以拉伸破壞為主，破壞深度約1.6m，兩幫巖體主要發(fā)生剪切破壞，破環(huán)深度為1.8m；底板巖層主要發(fā)生拉伸和剪切破壞，以拉伸破壞為主，破壞深度約為1.8m；頂角及幫角主要發(fā)生拉伸和剪切復(fù)合破壞。

由上述分析可知，在巷道實(shí)際支護(hù)過(guò)程中錨桿支護(hù)長(zhǎng)度應(yīng)不小于巷道圍巖破壞深度：頂板錨桿長(zhǎng)度不小于1.6m，兩幫錨桿長(zhǎng)度不小于1.8m；巷道幫角及底角區(qū)域?yàn)閺?fù)合破壞區(qū)域，應(yīng)注意加強(qiáng)支護(hù)。由于底部發(fā)生一定深度的破壞，巷道掘進(jìn)完成后應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)底板進(jìn)行處理，對(duì)破壞區(qū)域進(jìn)行注漿，以改善巷道底板力學(xué)性質(zhì)，此外，由于巷道服務(wù)年限較長(zhǎng)，建議對(duì)巷道底板進(jìn)行混凝土硬化處理。

圖3 巷道圍巖塑性特征圖

3 結(jié)論

（1）莒山礦3號(hào)煤層2采區(qū)運(yùn)輸巷開挖后垂直應(yīng)力主要集中于巷道兩幫，最大垂直應(yīng)力為28MPa；水平應(yīng)力主要集中于巷道頂板及底板，最大水平應(yīng)力為8MPa，位于巷道頂?shù)装逯胁俊?/p>

（2）巷道頂板最大下沉量為38.12mm，兩幫最大水平移近量為35.72mm，底板底鼓量為15.61mm，頂板下沉量＞兩幫移近量＞底板變形量。

（3）巷道頂?shù)装迤茐纳疃确謩e為1.6m和1.8m，主要表現(xiàn)為拉伸破壞；兩幫破壞深度為1.8m，主要表現(xiàn)為剪切破壞。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果表明，在巷道實(shí)際支護(hù)過(guò)程中頂板錨桿參數(shù)不小于1.6m，兩幫支護(hù)長(zhǎng)度不小于1.8m，同時(shí)注意對(duì)底板進(jìn)行硬化處理。