基于CDEM軟巖巷道圍巖破壞機理與支護技術研究

馬騰飛

(河南理工大學 能源學院，河南 焦作 454010)

·試驗研究·

基于CDEM軟巖巷道圍巖破壞機理與支護技術研究

馬騰飛

(河南理工大學 能源學院，河南 焦作 454010)

針對河南焦作方莊煤礦-400 m水平大巷的變形破壞情況，通過分析現(xiàn)場工程條件，結果監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論分析，研究了軟巖巷大巷的破壞機理。根據(jù)其變形特點，設計了高強度預應力錨桿錨索支護方案，利用CDEM數(shù)值模擬軟件，與無支護、錨桿錨索、注漿支護、U型鋼、錨桿錨索+噴漿+U型鋼等支護進行對比研究。通過CDEM數(shù)值模擬軟件對方案進行模擬，對模擬結果進行對比分析后得出錨桿錨索+噴漿+U型鋼復合支護方案能有效控制軟巖巷道變形。

軟巖大巷；圍巖破壞機理；CDEM數(shù)值模擬；復合支護

由于我國對煤炭的長時間大量需求，開采規(guī)模不斷增大，導致我國簡單煤炭賦存區(qū)域資源量急劇減少，煤礦的開采轉向地質構造復雜的深部。與淺部開采相比，深部開采具有高地應力、高滲透壓力、高地溫極其復雜的地質構造，巖體強度低，含水量大等特征。且在深部開采中，許多巷道圍巖表現(xiàn)出明顯的軟巖特性。此類巷道用傳統(tǒng)的支護方式很難起到支護效果，且巷道圍巖極易變形，給煤礦生產(chǎn)帶來了很大困難。深部軟巖巷道支護已成為我國煤炭開采技術研究的關鍵問題[1-2].

針對軟巖巷道支護，我國學者進行了大量研究與實踐。中國礦業(yè)大學的陸世良教授等，針對大變形軟巖巷道提出了利用 U 型鋼支架進行支護的理論，建立了軟巖巷道的支架圍巖關系，給出了壁后充填支護的原理和方法。鄭雨天、馮豫、陸家梁教授等提出了聯(lián)合支護理論。在預應力錨桿錨索聯(lián)合支護方面，康紅普院士提出了擴容-穩(wěn)定理論[3-4]. 劉珂鉻，孟慶彬針對軟巖巷道的具體支護做了一定的研究[5-6].本文基于方莊一礦-400 m軟巖大巷圍巖變形問題，設計了合理的支護方案，并通過CDEM數(shù)值模擬軟件對方案進行對比分析，最終得出錨桿錨索+噴漿+U型鋼聯(lián)合支護方案能有效地控制圍巖變形。

1 工程概況

方莊一礦-400 m水平大巷為拱形巖巷，巷道埋深約為524 m，位于砂質泥巖層，該巖層上層位巖層是泥巖，下層位巖層是粉砂巖，厚度分別為：泥巖14.59 m、砂質泥巖30.11 m，粉砂巖16.32 m. 在查閱建井時期地質鉆孔的同時，又對-400 m大巷進行了鉆孔巖心取樣實驗，通過鉆孔取樣得出了-400 m巷道頂?shù)装鍘r性，見表1.

表1 巖層力學參數(shù)表

巷道圍巖中具有滑面裂隙，層理破碎，層理節(jié)理裂隙十分發(fā)育，交界面發(fā)育炭質軟弱夾層，其節(jié)理組≥3，巖體體積節(jié)理數(shù)平均為12～32條/m3，平均間距≤0.2 m，為節(jié)理化軟巖。從地應力、巷道圍巖的物化特征和節(jié)理裂隙測試結果分析得出，方莊一礦-400 m大巷具有高應力、節(jié)理化和復合型工程地質特征，變形機制復雜。

2 數(shù)值模型

CDEM是基于連續(xù)介質力學的離散元方法所研究出的一款數(shù)值模擬軟件，該軟件將有限元與離散元進行耦合，在塊體內部進行有限元計算，在塊體邊界進行離散元計算，通過塊體內部及塊體邊界的斷裂，不僅可以模擬材料在連續(xù)狀態(tài)下及非連續(xù)狀態(tài)下的變形、運動特性，更可以實現(xiàn)材料由連續(xù)體到非連續(xù)體的漸進破壞過程。本文采用CDEM 數(shù)值模擬軟件模擬了軟巖巷道開挖后的圍巖變形情況以及不同支護方式對巷道支護的效果。

根據(jù)大巷的頂?shù)装鍘r層條件，用GID軟件繪制模型圖，模型尺寸為長40 m×寬61.02 m，模型共5 822個單元體，以及3 013個結點，模型圖見圖1，模型各巖層參數(shù)參照表1. 模型左右邊界限制水平運動，底部邊界選擇進行固定。模擬埋深為524 m，根據(jù)以往方莊一礦的地應力測試結果，垂直應力為15 MPa，水平應力為7 MPa. 巖石的破壞準則采用莫爾-庫倫屈服破壞準則。

圖1 模型圖

本次加固是在開挖荷載完全釋放后進行模擬,模擬的步驟如下：

1) 計算初始地應力作用下,圍巖的內力和位移。

2) 把圍巖所有節(jié)點的初始位移,初始化為零。

3) 開挖巷道，并施加不同支護方案及參數(shù),再次求平衡，得到巷道開挖支護后的應力場和位移場,以此模擬加固效果。

3 軟巖巷道變形支護方案選擇

3.1 支護原則

隨著開采深度的增加，巷道支護技術已從被動支護(以工字鋼棚、U型鋼棚為代表)發(fā)展到主動支護(以錨桿、錨索支護為代表)。進入深部開采以后，或在地質構造區(qū)域，單純的主動支護亦無法保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)目前的研究成果，并結合方莊一礦的具體條件，巷道圍巖呈現(xiàn)軟巖特征，并經(jīng)歷了多次返修，圍巖松動范圍大，周圍地質構造復雜，有些巷道穿越斷層破碎帶，初步判斷采用主動支護與被動支護協(xié)調作用。

3.2 預應力錨桿錨索支護

3.2.1方案選擇

為了解單獨的高強預應力錨桿錨索支護能否對高應力軟巖巷道起到很好的支護，采用CDEM數(shù)值模擬軟件建立7個模型，分別為30 kN、60 kN、90 kN、120 kN、150 kN、180 kN預應力下的錨桿錨索支護以及無支護下的模型。錨桿規(guī)格d22 mm×2 400 mm高強螺紋鋼錨桿，間距700 mm：錨索采用d18.9 mm×9 000 mm，間距2 400 mm.

3.2.2巷道圍巖位移量分析

不同預應力錨桿錨索支護下圍巖最大變形量曲線圖見圖2. 由圖2可知，無支護情況下，巷道頂板最大下沉量為329.7 mm，底鼓量為321.4 mm，兩幫位移量為172.8 mm；預應力30 kN的錨桿錨索支護下巷道頂板最大下沉量為165.4 mm，底鼓量為216.1 mm，兩幫位移量為107.8 mm；預應力60 kN下巷道頂板最大下沉量為164.7 mm，底鼓量為214.5 mm，兩幫位移量為106.7 mm；預應力90 kN下巷道頂板最大下沉量為163.3 mm，底鼓量為212.5 mm，兩幫位移量為104.6 mm；預應力120 kN下巷道頂板最大下沉量為163.3 mm，底鼓量為212.5 mm，兩幫位移量為104.6 mm；預應力150 kN下巷道頂板最大下沉量為162.6 mm，底鼓量為211.5 mm，兩幫位移量為103.8 mm；預應力180 kN下巷道頂板最大下沉量為161.9 mm，底鼓量為210.9 mm，兩幫位移量為102.6 mm.

圖2 不同預應力錨桿錨索支護下圍巖最大變形量曲線圖

不同預應力下垂直方向應力分布云圖見圖3. 由圖3分析可知，高強度預應力錨桿支護下，巷道兩幫的應力集中區(qū)變小，但預應力的大小對應力分布的影響有限。

圖3 不同預應力下的垂直方向應力分布云圖

高強預應力錨桿錨索支護能夠有效地降低圍巖變形量，減小應力集中區(qū)，但隨著預應力的增加，對圍巖的控制效果無明顯的變化。可知，單獨的高強預應力錨桿錨索支護無法有效地解決大巷變形問題。

3.3 不同支護方案選擇

依據(jù)方莊一礦-400 m大巷的實際條件和支護方案，采用CDEM數(shù)值模擬軟件建立5個模型，分別為無支護、錨桿錨索、注漿支護、U型鋼、錨桿錨索+噴漿+U型鋼支護。錨桿規(guī)格d22 mm×2 400 mm高強螺紋鋼錨桿，間距700 mm，預應力為80 kN；錨索采用d18.9 mm×9 000 mm，間距2 400 mm，預應力100 kN；注漿支護注漿管采用復合注漿錨桿d25.5 mm×3 100 mm，注漿完成后可做錨桿使用；U型鋼支架為U36馬蹄形封閉支架。模擬模型見圖1.

3.4 巷道圍巖位移量分析

不同方案下的巷道圍巖最大位移量見圖4. 由圖4可知，在無支護情況下，巷道頂板最大下沉量為329.7 mm，底板最大鼓出量為321.4 mm，兩幫最大位移為172.8 mm；采用錨桿錨索支護后巷道頂板最大下沉量為164.1 mm，降低了50.23%，底板最大鼓出量為214.1 mm，降低了33.39%，兩幫最大位移為106.0 mm，降低了38.66%；注漿支護下，巷道頂板最大下沉量為235.1 mm，降低了28.7%，底板最大鼓出量為232.7 mm，降低了27.60%，兩幫最大位移為112.0 mm，降低了35.19%；U型鋼支護后，巷道頂板最大下沉量為255.7 mm，降低了22.44%，底板最大鼓出量為241.5 mm，降低了24.86%，兩幫最大位移為76.28 mm，降低了55.86%；采用錨桿錨索+噴漿+U型鋼支護，巷道頂板最大下沉量為116.7 mm，降低了64.61%，底板最大鼓出量為132.0 mm，降低了58.93%，兩幫最大位移為50.86 mm，降低了70.57%.

圖4 不同支護方案下的圍巖變形位移圖

不同方案下的巷道總位移云圖見圖5.由圖5可知，頂?shù)装宓奈灰瞥晒靶螤钕蛲鈹U散，聯(lián)合支護下，巷道開挖引起的位移變形量最小，影響范圍也最小，支護效果最優(yōu)。

圖5 不同支護方案下的圍巖總位移云圖

3.5 巷道圍巖應力分布分析

巷道開挖后，5種模型垂直應力與巷道拱頂距離之間的關系曲線見圖6. 由圖6可知，在不同支護方案下，垂直應力的分布情況較為相似，區(qū)別在于無支護條件下的垂直應力峰值為15.03 MPa，在距離拱頂26.1 m處；錨桿錨索支護下，垂直應力峰值為15.11 MPa，在距離拱頂18.1 m處；注漿支護下，垂直應力峰值為15.05 MPa，在距離拱頂24.1 m處；U型鋼支護下，垂直應力峰值為10.04 MPa，在距離拱頂24.1 m處；錨桿錨索+噴漿+U型鋼復合支護下，垂直應力峰值為15.14 MPa，在距離拱頂16.1 m處。以上結果表面，錨桿錨索+噴漿+U型鋼復合支護下，由開挖所引起的圍巖應力變化范圍最小，相對的圍巖變形也最小，支護效果最優(yōu)。

圖6 不同支護方案沿巷道拱頂方向垂直應力曲線圖

不同支護方案沿巷道拱頂方向垂直應力云圖見圖7. 由圖7可知，U型鋼支護下，應力集中，但兩幫最大壓應力為62.6 MPa，U型支架易被破壞；聯(lián)合支護下，巷道頂?shù)装鍓簯^小，且兩幫垂直應力集中區(qū)很小。因此，采用錨桿錨索+噴漿+U型鋼對-400 m軟巖大巷進行支護，支護效果最優(yōu)，能有效地控制圍巖變形與破壞。

圖7 不同支護方案垂直應力云圖

4 結 語

1) 在高應力軟巖巷道中，高強度預應力錨桿錨索支護能對圍巖的變形起到一定的控制作用，但預應力的增大，對控制圍巖變形的影響有限，不能通過對預應力的增大將圍巖變形控制在生產(chǎn)允許范圍內。

2) 提出了錨桿錨索、注漿支護、U型鋼、錨桿錨索+噴漿+U型鋼支護4種支護方案。通過CDEM數(shù)值模量結果分析，單一的支護方式只能一定程度上控制軟巖巷道變形。而錨桿錨索+噴漿+U型鋼支護下，巷道頂板最大下沉量降低了64.61%，底板最大鼓出量降低了58.93%，兩幫最大位移降低了70.57%，極大地改善了巷道變形情況，提高了巷道穩(wěn)定性。

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ResearchonFailureMechanismandSupportingTechnologyforSurroundingRockinSoftRockRoadwaysBasedonCDEMMethod

MATengfei

Based on the deformation and failure of -400 m level tunnel in Fangzhuang coal mine in Jiaozuo City, Henan Province, by site observation, data monitoring and theoretical analysis，deformation failure mechanism of deep soft rock roadway was studied in the paper．On the basis of the deformation characteristics, high strength prestressed bolt and net supporting is designed and applied together with CDEM numerical simulation software. Comparison research have been conducted with the no-support, bolt and net support, shotcrete support, U shaped steel frame support and combined support of bolt plus shotcrete plus U shaped steel frame support. The CDEM numerical simulation results shows that the comprehensive support scheme of bolt and net+whitewashing+U shaped steel frame manage the deformation of soft rock roadway.

Soft rock main roadway; Failure mechanism of surrounding rock; CDEM numerical simulation; Compound support

2017-08-01

馬騰飛(1984—)，男，河南焦作人，2010年畢業(yè)于河南理工大學，工程師，主要從事煤礦開采技術及管理方面的工作

(E-mail)526597909@qq.com

TD353

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1672-0652(2017)11-0043-05