深部巷道圍巖變形試驗與數(shù)值模擬研究

張成輝，石 崇，查文華，陳登紅

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京210098；2. 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽淮南 232001)

深部巷道圍巖變形試驗與數(shù)值模擬研究

張成輝1，石 崇1，查文華2，陳登紅2

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京210098；2. 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽淮南 232001)

為了研究深部軟巖巷道的變形破壞特性，以淮南礦區(qū)某煤礦13-1煤回采巷道為例，在現(xiàn)場調(diào)查回采巷道工程概況的基礎(chǔ)上，開展了室內(nèi)深部回采巷道圍巖變形特性相似模擬試驗，并基于塊體離散元法，建立了深部回采巷道圍巖的數(shù)值模型，模擬了開挖過程中圍巖的變形特性。相似模擬試驗和數(shù)值模擬試驗結(jié)果表明，深部巷道圍巖的典型特征為：巷道底臌量＞兩幫移近量＞頂板下沉量，巷道不同圍巖受開挖擾動的位移影響范圍不同，底板為3.5 m，頂板為2.45 m，兩幫為5.5 m。

深部巷道；相似模擬試驗；塊體離散元；數(shù)值模擬；變形特性

深部巖體在特有的“三高一擾動”賦存環(huán)境下，巖體的穩(wěn)定性差，巷道圍巖變形異常嚴(yán)重，巷道支護難度大，支護成本高，深部巷道圍巖變形控制已成為我國煤炭資源向深部開采的關(guān)鍵性問題之一。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對深部巷道圍巖的變形與控制進行了大量的研究。劉泉生等[1-7]分析了深部圍巖的變形機理，得出深部圍巖的穩(wěn)定性受高地應(yīng)力、高滲透壓力和溫度梯度的影響；康紅普等[8-10]開發(fā)出特有的錨桿支護系統(tǒng)，并在深井巷道中得到成功應(yīng)用；常聚才等[11-13]通過有限差分軟件FLAC，模擬了深部巷道開挖前后，圍巖的應(yīng)力位移變化特征，提出了圍巖支護加固措施；李為騰等[14-16]采用室內(nèi)相似模型試驗，分析了深部巷道圍巖變形破壞機制及巷道穩(wěn)定性影響因素；Gao[8，17-19]等采用二維離散元程序UDEC分析了巷道掘進過程中開挖擾動對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。由于深部巷道地質(zhì)賦存條件的復(fù)雜性，上述研究方法中，現(xiàn)場試驗實施比較困難，未知因素多，危險性高。目前的數(shù)值模擬手段多限于有限元及二維離散元，很難真實地模擬深部巷道圍巖的變形破壞過程。針對以上問題，本文以淮南礦區(qū)某煤礦13-1煤回采巷道為工程實例，在現(xiàn)場調(diào)研工程概況的基礎(chǔ)上，開展了室內(nèi)深部回采巷道圍巖變形特性相似模擬試驗，并基于塊體離散元法，建立了深部回采巷道圍巖的數(shù)值模型，模擬了開挖過程中圍巖的變形特性。

1 工程概況

淮南礦區(qū)某煤礦13-1煤回采巷道煤層賦存較穩(wěn)定，主采煤層為13-1煤，煤層平均厚度為4.0 m，屬于近水平煤層。13-1煤層上方偽頂缺失，直接頂由泥巖、砂質(zhì)泥巖和13-2煤組成，老頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度12.0 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.5 m，如圖1所示。

該煤礦13-1煤層巷道斷面形狀為矩形，幾何尺寸為：5.5 m（長）×3.5 m（寬），采用錨梁網(wǎng)支護，幫部選用φ22 mm、長度為2.5 m的IV級左旋螺紋鋼超高強預(yù)拉力錨桿，頂板選用φ22 mm、長度為2.8 m的IV級左旋螺紋鋼超高強預(yù)拉力錨桿，錨索規(guī)格和長度為：φ17.8 mm×6.3 m。

2 巷道圍巖變形特性的相似模擬試驗

為研究深部回采巷道圍巖的變形特性及破壞機理，特開展深部回采巷道圍巖變形特性的相似模擬試驗研究，本相似模擬試驗是在煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室進行。

圖1 煤層柱狀圖Fig.1 The coal seam columnar section

2.1 相似模擬試驗概況

根據(jù)淮南礦區(qū)13-1煤的地質(zhì)賦存條件，取巷道圍巖的實際尺寸為：50 m×35 m×20 m，設(shè)計模型的尺寸為2 m×1.4 m×0.8 m，模型幾何相似比Cl為1：25，容重相似比Cr為1.67，應(yīng)力相似比為：Cσ=Cl×Cr=41.75，相似模擬試驗的模型圖見圖2(a)。

圖2 相似模擬試驗的模型圖及監(jiān)測點布局圖Fig.2 The model graph and monitoring point layout of similar simulation experiment

2.2 相似模擬試驗過程

根據(jù)相似模擬試驗的相似比及地質(zhì)柱狀圖，計算模型中各巖層所需材料的配比及重量。鋪設(shè)好相似模型架后，按順序依次將稱重后的材料加進攪拌機進行充分?jǐn)嚢?，攪拌均勻后分層平鋪到模型架中，并進行壓實。試驗中，各巖層的骨料選用砂子，膠結(jié)材料選用石灰、石膏和水泥，巖層分層材料選用云母粉。模型制作結(jié)束后，需要在模型上方增加補償荷載，以等效于實際上覆巖層的重量，此試驗中以加壓板形式加載。

模擬試驗中，巷道的斷面設(shè)計為矩形，采用錨索支護，錨索選用φ0.9 mm長度250 mm的鋁絲三股繞制而成，尾部用φ1.6 mm的墊片、螺母固定，巷道的開挖采用電鉆開挖。

2.3 試驗結(jié)果處理與分析

模擬試驗中圍巖的變形檢測系統(tǒng)采用XL2010G-80系列靜態(tài)應(yīng)變儀，應(yīng)變片型號為：BA120-5AA，沿著巷道掘進方向，每0.4 m（實際10 m）布置1組圍巖位移監(jiān)測點，第一組布置在巷道支護前，其后兩組布置在巷道支護后，共布置3組，每組采用1/4橋路連接的應(yīng)變片布置于回采巷道頂板、兩幫、和底板，如圖2(b)所示。

從圖3監(jiān)測結(jié)果可以看出，三組監(jiān)測點均呈現(xiàn)出一致的結(jié)果，即：巷道底臌量＞兩幫變形量＞頂板下沉量，巷道底臌量和兩幫變形量是巷道圍巖變形的主要部分。巷道圍巖的變形量與時間的關(guān)系曲線，大致可以分為三個階段：變形滯后、變形劇烈和變形平穩(wěn)階段。在變形滯后階段，巷道開始掘進時，圍巖并沒有產(chǎn)生變形，而是滯后巷道掘進一段時間才產(chǎn)生明顯的變形；在變形劇烈階段，巷道圍巖的移近量隨著時間的增加而不斷增加，并且巷道底板的變形速率明顯高于巷道兩幫及頂板；在變形平穩(wěn)階段，巷道圍巖的變形量趨于平穩(wěn)，底板的底臌量穩(wěn)定于215 mm左右，兩幫的變形量穩(wěn)定于106 mm左右，頂板的下沉量穩(wěn)定于89 mm左右。

圖3 巷道圍巖變形監(jiān)測圖Fig.3 The monitoring graph of deformation of the surrounding rock in roadway

3 基于塊體離散元的數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型參數(shù)的選取

數(shù)值模型中，各巖層的物理力學(xué)參數(shù)可以通過現(xiàn)場對巷道圍巖鉆孔取芯得到，巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，巷道支護結(jié)構(gòu)錨索單元的材料屬性如表2所示。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 The physical and mechanical parameters of surrounding rock

表2 錨索單元材料屬性Tab.2 The material property of plain strand cable

3.2 巷道圍巖數(shù)值模型的建立

采用三維塊體離散元程序3DEC模擬深部巷道圍巖變形破壞特征。根據(jù)淮南礦區(qū)某煤礦13-1煤回采巷道的地質(zhì)賦存條件，模型的幾何尺寸設(shè)計為：50 m（長）×40 m（寬）×32 m（高），即對在厚度為32 m的覆巖結(jié)構(gòu)中掘進40 m的煤巷進行數(shù)值模擬，并在巷道開挖后進行錨索支護。如圖4所示，模型自上而下共分為5層，為了提高計算效率，對模型進行網(wǎng)格劃分。模型采用 Mohr -Coulomb屈服準(zhǔn)則來判斷巖體的破壞程度。模型的約束條件為：模型左右兩側(cè)邊界限制水平移動，底部邊界設(shè)置為全約束，頂部邊界為自由面，并施加豎直向下的均布載荷來模擬模型范圍之外的上覆巖層重量，大小為18.1 MPa。

圖4 巷道圍巖數(shù)值模型圖Fig.4 The numerical model graph of surrounding rock

3.3 圍巖位移變化特征數(shù)值分析

圖5為巷道圍巖變形量隨巷道掘進距離的變化曲線?？梢姡锏谰蜻M工作面后方1 m處，巷道圍巖開始發(fā)生變形，之后，巷道圍巖的變形量隨著掘進工作面的推進不斷增加，巷道底臌量明顯大于兩幫移近量和頂板下沉量，達到376 mm，說明該煤層巷道的主要破壞形式是巷道底臌，在施工過程中應(yīng)該注意加強巷道底板的支護與加固；頂板下沉量最大為31 mm，屬于可控范圍；巷道左幫移近量和右?guī)鸵平?，變化趨勢及范圍基本一致，圖6亦可得到驗證。最后移近量穩(wěn)定于225 mm左右。

圖5 圍巖變形隨掘進距離的變化曲線Fig.5 The variation curve of surrounding rock deformation with digging distance

圖6 巷道兩幫水平位移云圖Fig.6 The cloud picture of horizontal displacement of two sides of roadway

比較圖3和圖5，模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果中巷道圍巖的變形規(guī)律基本一致，具體表現(xiàn)為巷道開挖后，巷道圍巖的變形隨著巷道掘進距離或者開挖時間的增加而不斷增加。對比發(fā)現(xiàn)，巷道變形穩(wěn)定后，對于巷道底臌量和兩幫移近量，模型試驗結(jié)果明顯小于數(shù)值模擬結(jié)果，其原因是模型試驗，模型上方增加補償載荷時，是以鐵質(zhì)承壓板形式加載的，存在較大的誤差，不能精確滿足巷道實際上覆巖層的重量；而對于頂板下沉量，模型試驗的結(jié)果卻大于數(shù)值模擬結(jié)果，這是由于模型試驗時，巷道開挖后，巷道頂板支護比較困難，支護效果不理想造成的。

圖7為巷道圍巖不同深部位移變化曲線?？芍?，圍巖變形量與R/D表現(xiàn)出明顯的非線性，R/D越大，圍巖變形量S越小，即距離巷道壁越近，圍巖變形量越大；距離巷道壁越遠，圍巖變形量越小。以巷道兩幫圍巖水平向變形為例，在巷道兩幫處，圍巖變形量達到280 mm，隨著距離巷道壁R的增大，巷道圍巖變形量越來越小，當(dāng)R/D=1.5時，巷道圍巖的變形量已經(jīng)很小，僅僅為10 mm，之后，圍巖變形量更小，直至圍巖未收巷道掘進擾動影響，處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 圍巖不同深度位移變化曲線Fig.7 The displacement curves of different depth of surrounding rock

巷道底板圍巖變形主要發(fā)生在R/D為0～0.8之間，即距離底板2.8 m范圍內(nèi)，當(dāng)R/D為1.0時，即距離底板3.5 m時，巷道底臌量很小，僅為50 mm；巷道頂板圍巖位移主要發(fā)生在R/D為0～0.7之間，即距離頂板2.45 m范圍內(nèi)，當(dāng)R/D為1.0時，即距離頂板3.5 m時，巷道頂板下沉量僅為9 mm。究其原因，巷道所處巖層為13-1煤層，其直接底厚度為3.0 m的泥巖，變形較大，間接底為砂巖，變形較?。幌锏乐苯禹敒椴糠置簩雍湍鄮r，總厚度為2.5 m，變形較大，間接頂為砂質(zhì)泥巖，變形較小，在巖性交界面產(chǎn)生離層破壞分界面。

4 結(jié)論

1)在深部巷道開挖過程中，巷道圍巖變形隨著開挖時間或掘進距離的增加而不斷增加，最后趨于變形穩(wěn)定狀態(tài)。在巷道圍巖的變形過程中，巷道底板變形速率高于巷道頂板和兩幫的變形速率，開挖對巷道底板的變形影響劇烈。

2)深部巷道圍巖的變形破壞主要有2個特征：巷道底板變形最為嚴(yán)重，表現(xiàn)出“底臌”；巷道頂?shù)装咫x層變形破壞嚴(yán)重。其產(chǎn)生機制在于：巷道直接頂和直接底為泥巖或者砂質(zhì)泥巖，變形模量小，自穩(wěn)能力差，造成直接頂（底）和老頂（底）之間產(chǎn)生離層，支護困難。

3)數(shù)值模擬計算了深部巷道開挖過程中圍巖的變形規(guī)律，與模型試驗結(jié)果基本吻合，作為相似模擬試驗的有益補充，驗證了模型試驗的可靠性。

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Test and numerical simulation study of deformation of surrounding rock in deep roadway

ZHANG Chenghui1，SHI Chong1，ZHA Wenhua2，CHEN Denghong2
(1. Research Institute of Geotechnical Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2. OE Key Laboratory of Coal Mine Safety and High Ef fi ciency Mining，Anhui University of Science and Technology，Anhui，Huainan 232001 China)

In order to study the deformation and failure characteristics of deep soft rock roadway，taking the 13-1 coal mining roadway in some coal mine in Huainan mining area as an example，the similar simulation experiment of the deformation behavior of surrounding rock of deep excavation roadway is carried out. Based on the Block discrete element method，the numerical model of the surrounding rock of the deep mining roadway is established，and the deformation characteristics of the surrounding rock during the excavation are simulated. The results of the similar simulation experiment and numerical simulation show that the typical characteristics of the surrounding rock are as follows：opening fl oor heave＞two sides move quantity＞roof convergence. The influence of displacement of the surrounding rock under excavation disturbance is different，and the bottom plate is 3.5m，the roof is 2.45m，the two are 5.5m.The results of deformation control of deep roadway surrounding rock have important reference meaning.

deep roadway；surrounding rock；similar simulation experiment；block discrete element；numerical simulation；deformation characteristics.

TD 313

A

1673-9469（2017）04-0027 -05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.007

2017-07-21

國家自然科學(xué)基金面上項目(51679071)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2015CB057903)；國家自然科學(xué)基金青年基金(51309089)；江蘇省基礎(chǔ)研究計劃(自然科學(xué)基金)(BK20130846)

張成輝(1993-)，男，安徽阜陽人，碩士，主要從事巖土力學(xué)與工程方面的研究工作。