大埋深大斷面硐室圍巖變形規(guī)律研究

郭順新

（內(nèi)蒙古昊盛煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

我國(guó)西部煤炭資源豐富，礦井生產(chǎn)規(guī)模大，對(duì)應(yīng)的巷道斷面尺寸越來(lái)越大，開(kāi)采深度越來(lái)越深，巷道和硐室圍巖變形嚴(yán)重難以控制，給生產(chǎn)帶來(lái)諸多不利影響。井底車(chē)場(chǎng)和硐室開(kāi)拓空間大，圍巖壓力大，極易發(fā)生冒頂事故[1-2]，大斷面硐室使用年限長(zhǎng)，支護(hù)難度大，對(duì)于礦井來(lái)說(shuō)，掌握硐室圍巖變形的規(guī)律，采取合理有效的支護(hù)技術(shù)十分必要[3-4]。

1 工程地質(zhì)條件

石拉烏素煤礦礦井埋藏較深，井底車(chē)場(chǎng)布置在2-2煤層底板往下10～15m處，井底車(chē)場(chǎng)的埋藏深度在690m左右。本文以石拉烏素煤礦膠輪車(chē)硐室的支護(hù)為工程背景，研究以該巷道為代表的深井大斷面硐室的變形規(guī)律。

膠輪車(chē)硐室上覆巖層以粗中粒砂巖為主，巖層內(nèi)部層狀節(jié)理發(fā)育，節(jié)理間的間距一般在50～100mm左右。硐室圍巖以中、細(xì)砂巖為主，含薄層砂質(zhì)泥巖，巷道頂部巖層較軟，巖層內(nèi)部節(jié)理較多，巖體較破碎，強(qiáng)度較低；中部偏上位置巖體較完整，硬度較大；巷道下部分巖體較堅(jiān)硬，但含節(jié)理較多。膠輪車(chē)存放硐室為半圓拱形巷道，巷道尺寸如圖1所示。

圖1 膠輪車(chē)存放硐室斷面圖（mm）

2 理論分析研究

硐室埋深較深，對(duì)于此類型硐室所處的地應(yīng)力條件，簡(jiǎn)化為靜水壓力條件，巷道力學(xué)模型簡(jiǎn)化為雙向等壓圓孔受力分析。巖體力學(xué)理論可知，巷道周?chē)畲髴?yīng)力為切應(yīng)力，巷道自由面處于切向壓力狀態(tài)，巷道深部則逐漸變成三相圍壓狀態(tài)。

巷道維護(hù)的關(guān)鍵在于改變巷道表面附近圍巖的受力狀態(tài)，增強(qiáng)其承載強(qiáng)度，同時(shí)將壓力向深部轉(zhuǎn)移，使巷道表面附近處于低壓區(qū)，因而必須首先研究巷道的極限平衡區(qū)范圍。

根據(jù)巖體力學(xué)結(jié)論，靜水壓力條件下，圓形巷道周?chē)臉O限平衡區(qū)半徑為

式中：

R-圓形巷道周?chē)鷺O限平衡區(qū)半徑，m；

r-巷道半徑，m；

γ-巖層平均體積力，25kN/m3；

H-巷道埋深，690m；

C-巖層內(nèi)聚力，2.4MPa；

φ-巖層內(nèi)摩擦角，33°。

取膠輪車(chē)存放硐室斷面半徑為3.95m，則其破壞寬度為2.07m。

彈性應(yīng)力條件下，巷道周?chē)鷳?yīng)力與圍巖的彈性模量和泊松比無(wú)關(guān)，但與原巖應(yīng)力分布和巷道形狀密切相關(guān)。對(duì)于非圓形孔，其拐角處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，故非圓形巷道在拐角處更容易產(chǎn)生破壞；因石拉烏素礦膠輪車(chē)存放硐室為半圓拱形巷道，故應(yīng)力集中導(dǎo)致容易破壞的現(xiàn)象產(chǎn)生在巷道兩個(gè)底角處。而較長(zhǎng)的直線邊上容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，對(duì)應(yīng)到本次研究對(duì)象，則表現(xiàn)為底板易出現(xiàn)拉應(yīng)力，有可能產(chǎn)生底鼓。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

本次模擬采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，模擬對(duì)象為膠輪車(chē)硐室。選用摩爾庫(kù)倫模式進(jìn)行計(jì)算，巖層軟化系數(shù)取0.7。模擬過(guò)程中使用Cable結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿、錨索，Liner結(jié)構(gòu)單元模擬網(wǎng)噴支護(hù)，巷道開(kāi)挖后對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距900×900mm，錨索間排距2000×1600mm，噴漿厚度15mm。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 圍巖破壞特征

如圖2所示，巷道無(wú)支護(hù)時(shí)（a），巷道開(kāi)挖后，破壞區(qū)域向兩幫、拱肩和頂?shù)装鍞U(kuò)展，但巷道兩底角未發(fā)生破壞，頂板破壞深度最大達(dá)到9.3m，底板破壞區(qū)厚度達(dá)8.5m。錨噴支護(hù)時(shí)（b），巷道破壞規(guī)律與無(wú)支護(hù)時(shí)基本一致，兩底角同樣始終未出現(xiàn)破壞，但是破壞深度相對(duì)較小，巷道頂板和底板剪切破壞區(qū)分別只有7.5m和6.2m，巷道底鼓現(xiàn)象也相對(duì)緩和。由此可知，本次支護(hù)大大減小了頂?shù)装宓钠茐膮^(qū)，有效減少了底鼓量。

圖2 巷道開(kāi)挖塑性區(qū)破壞情況

3.2.2 圍巖變形特征

圖3 巷道開(kāi)挖位移變化情況

圖4 巷道開(kāi)挖位移矢量圖

如圖3所示，巷道無(wú)支護(hù)時(shí)（a），頂?shù)装逦灰瞥^(guò)10mm區(qū)域（巷道周?chē)鸁o(wú)色部分）的厚度均達(dá)8m左右，而兩幫則達(dá)6.3m。巷道支護(hù)情況下（b），巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏看蟠蠼档?，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰拼笥?0mm的區(qū)域厚度分別只有4.4m、7.3m和4.7m。巷道開(kāi)挖后，以位移等值線為表征的巷道變形影響區(qū)域邊界，由以巷道為中心的近似圓形逐漸向上擴(kuò)展為長(zhǎng)軸在豎直方向的橢圓形，逐漸形成開(kāi)放的鐘形曲線。巷道正下方位移小于兩側(cè)。支護(hù)后的巷道，變形量比無(wú)支護(hù)巷道小得多，而對(duì)深部巖體的影響范圍則比無(wú)支護(hù)時(shí)小得多。

由圖4可知，巷道基本穩(wěn)定以后，最大水平位移出現(xiàn)在巷道拱形與直墻交接處，而最大豎直位移出現(xiàn)在巷道頂板圓拱最高點(diǎn)。巷道位移最小處為兩個(gè)底角。支護(hù)以后，相同位置位移，無(wú)論水平分量還是豎直分量，都比支護(hù)以前明顯減小。

4 實(shí)測(cè)研究

圖5 巷道圍巖變形量及變形速率

巷道自開(kāi)挖后，巷道變形（頂板、弧形區(qū)、兩幫）速率由快到慢，最終趨近于0；巷道累計(jì)變形量依次為20.9mm、22.0mm、24.1mm，最大變形速率依次為 3.8mm/d，3.9mm/d，4.6mm/d。

受到掘進(jìn)影響，巷道圍巖處于變動(dòng)狀態(tài)，硐室表面位移變形量小，巷道圍巖得到較好的控制。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)理論分析計(jì)算得出巷道圍巖一側(cè)破壞寬度1.92m。

（2）巷道開(kāi)挖后，破壞區(qū)域向兩幫、拱肩和頂?shù)装鍞U(kuò)展，但巷道兩底角未發(fā)生破壞。巷道無(wú)支護(hù)時(shí)，頂板破壞深度和底板破壞區(qū)厚度最大達(dá)到9.3m、8.5m，錨噴支護(hù)時(shí)，破壞區(qū)分別僅7.5m和6.2m。

（3）巷道無(wú)支護(hù)時(shí)，頂?shù)装逦灰瞥^(guò)10mm區(qū)域的厚度均達(dá)8m左右，兩幫則達(dá)6.3m，支護(hù)后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏看蟠蠼档停锏理數(shù)装搴蛢蓭臀灰拼笥?0mm的區(qū)域厚度分別只有4.4m、7.3m和4.7m。

（4）支護(hù)大大減小了頂?shù)装宓钠茐膮^(qū)，減小巷道累計(jì)表面位移，經(jīng)實(shí)測(cè)顯示支護(hù)效果較好，巷道累計(jì)變形量依次為20.9mm、22.0mm、24.1mm，滿足工程要求。