深部巷道圍巖變形數(shù)值分析及控制研究

李 鑫

（潞安集團余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103）

潞安集團余吾煤礦深井開采期間，井下巷道變形量很大，且圍巖變形速度較快，嚴重地制約了巷道正常的生產(chǎn)、運輸使用。本文依據(jù)實際工程地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬方法，研究了深部巷道圍巖變形具體參數(shù)，并應(yīng)用于現(xiàn)場實踐，有效地控制了巷道圍巖的強烈變形，取得較好的支護效果，為類似條件巷道支護提供了借鑒的基礎(chǔ)。

1 工程概況

山西省長治地區(qū)潞安集團余吾煤礦北風(fēng)井東翼采區(qū)N2105工作面開采期間，1#回風(fēng)大巷存在長約60m的巷道破壞段。該巷道段年平均圍巖位移變形量高達1.1～1.5m，巷道斷面收縮變形率接近24%～36%左右，每隔三個月就需要臥底一次。巷道圍巖局部裂隙發(fā)育，甚至部分裂隙嚴重發(fā)育地點出現(xiàn)了短期滴水的現(xiàn)象，頂板嚴重下沉，兩幫嚴重收縮，底鼓量也大，巷道圍巖整體斷面嚴重收縮，嚴重制約礦井的安全生產(chǎn)。

2 巷道圍巖變形數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)東翼采區(qū)1#回風(fēng)大巷實際工程地質(zhì)條件，適當(dāng)簡化地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，所建Flac3D數(shù)值模型的尺寸為長×寬×高=60m×60m×80m，大巷尺寸為寬×高=4.8m×4.0m，采用Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則作為煤巖體材料的屈服判據(jù)。模型中各巖層參數(shù)根據(jù)實驗室測定數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況加以修正確定后，如表1所示（從下向上依次為底板至頂板）。

表1 各主要巖層力學(xué)參數(shù)

所建模型左、右兩側(cè)邊界采用水平位移約束，底部邊界水平和豎直方向約束，在模型上部邊界根據(jù)不同埋深情況施加相對應(yīng)的均布載荷替代上覆巖層的重力效果，取重力加速度為9.8m/s2。

2.2 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬研究了500m、600m、700m、800m、900m和1000m等6種不同埋深情況下巷道圍巖中垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的變化規(guī)律，計算得到了巷道圍巖中變形破壞的塑性區(qū)范圍變化情況。

2.2.1 巷道圍巖頂部應(yīng)力分析

由圖1可知，隨著煤層開采深度的遞增，巷道圍巖垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)出以頂板中心軸為基準(zhǔn)的對稱式分布規(guī)律。且隨著煤層開采深度的遞增，其圍巖中垂直應(yīng)力值也相應(yīng)的地增大。東翼采區(qū)上山大巷平均埋深500m左右，巷道整體承受垂直應(yīng)力較大，巷道左右側(cè)垂直應(yīng)力近似對稱分布，兩幫向外5m附近出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中程度最大，支護結(jié)構(gòu)承受較大的集中應(yīng)力作用，右?guī)痛怪睉?yīng)力與左幫近似分布。在巷道頂部和底角附近形成較大的應(yīng)力升高區(qū)，圍巖產(chǎn)生應(yīng)力松弛，并伴隨拉應(yīng)力破壞，支護結(jié)構(gòu)不能有效阻止應(yīng)力破壞，使巷道整體支護結(jié)構(gòu)失效。在巷道的兩肩和兩底角一定距離處均出現(xiàn)剪應(yīng)力集中區(qū)，且剪應(yīng)力在左、右肩深部圍巖應(yīng)力達到8.7MPa，左、右側(cè)底角區(qū)域由于圍巖變形破壞嚴重，形成了剪切破壞后的低應(yīng)力區(qū)，巷道頂部及兩側(cè)底角處成為支護最薄弱處，巷道由底角破壞引發(fā)整體失穩(wěn)。

圖1 巷道頂板垂直應(yīng)力分布圖

由圖1還可知，當(dāng)煤層上山大巷開挖后，頂板中垂直應(yīng)力隨著遠離巷道中心線而出現(xiàn)遞增的變化趨勢。在距離巷道中心線0～4.0m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力呈急劇增大趨勢，并且在距離巷道中心線4～5.5m位置處達到應(yīng)力峰值，隨后5.5m之外范圍內(nèi)應(yīng)力值基本保持不變。

2.2.2 巷道圍巖兩幫應(yīng)力分析

由圖2可知，隨著煤層開采深度的遞增，巷道圍巖垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)出以幫部中心軸為基準(zhǔn)的對稱式分布規(guī)律。且隨著煤層開采深度的遞增，其圍巖中垂直應(yīng)力值也相應(yīng)的增大。巷道兩幫部垂直應(yīng)力在距巷道中心軸0～1.5m范圍內(nèi)急劇增至最大值，可見中心軸上下1.5m范圍內(nèi)的幫部圍巖呈彈～塑性狀態(tài)，是需要重點控制的范圍。根據(jù)幫部受力特點分析可知，當(dāng)采深超過800m時，幫部圍巖中應(yīng)力呈現(xiàn)出較大的變化特征，因此，800m是幫部圍巖急劇變化的臨界采深。

圖2 巷道幫部垂直應(yīng)力分布圖

2.2.3 巷道圍巖塑性區(qū)分析

圖3所示數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)巷道埋深在800m時，其圍巖中呈現(xiàn)出巨大的塑性破壞區(qū)。此時，巷道圍巖頂板中塑性范圍為2.6m，左幫和右?guī)椭兴苄詤^(qū)分別為5.2m和5.4m。同時巷道右側(cè)底角處出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，拉、剪復(fù)合破壞區(qū)大范圍擴展造成了巷道的破壞，巷道底板塑性破壞達到最大值為6.1m，由于巷道受應(yīng)力和滲流水影響相互疊加作用，使塑性區(qū)大范圍擴展，巷道幫頂及底板區(qū)域均具有破壞性質(zhì)，進而造成巷道支護結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)。巷道圍巖剪切破壞區(qū)、拉破壞區(qū)均隨著采深增加而增大，且在埋深大于800m后急劇增大，800m埋深為一拐點。此時巷道表現(xiàn)為變形嚴重及維護困難，大巷支護需要研究新的支護體系。數(shù)值模擬結(jié)果可為支護體系參數(shù)選擇及支護方案設(shè)計提供參考依據(jù)。

3 工程控制效果分析

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，并在大量現(xiàn)場實際礦壓觀測基礎(chǔ)上，研究得出了適合該東翼采區(qū)上山大巷的具體支護技術(shù)方案，即預(yù)留圍巖變形量讓壓再局部二次噴漿補強工藝技術(shù)。支護工藝參數(shù)見圖4所示。

圖3 塑性區(qū)分布范圍變化圖

圖4 東翼采區(qū)上山大巷支護斷面示意圖

當(dāng)采用上述支護技術(shù)方案后，巷道觀測點頂?shù)装逦灰屏孔畲笾禐?6mm，兩幫位移量最大值為22mm，巷道整體呈現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，變形極為緩慢，頂?shù)着c兩幫的變形量都在可控范圍之內(nèi)，巷道斷面可以滿足正常使用要求，保證礦井安全運輸及高效開采。

4 結(jié)論

（1）隨著巷道埋深遞增，巷道圍巖頂板和兩幫中分別呈現(xiàn)出以頂板和幫部中心軸為基準(zhǔn)的對稱式分布規(guī)律。且其垂直應(yīng)力值隨著開采深度增加而增大，當(dāng)埋深超過800m時巷道圍巖中應(yīng)力呈現(xiàn)出較大的變化特征，變形破壞程度加大。

（2）當(dāng)埋深在800m時巷道圍巖呈現(xiàn)出巨大的塑性破壞區(qū)，巷道頂板塑性區(qū)范圍為2.6m，左幫和右?guī)退苄詤^(qū)分別為5.2m和5.4m。同時巷道右側(cè)底角處出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，拉、剪復(fù)合破壞區(qū)的大范圍擴展造成了巷道的破壞，巷道底板塑性破壞達到最大值為6.1m，此結(jié)果可為支護方案設(shè)計提供參考依據(jù)。

（3）結(jié)合數(shù)值模擬綜合分析得出巷道幫頂處圍巖的惡化是導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞的主要因素，此處圍巖破碎，受到裂隙水和構(gòu)造應(yīng)力影響，圍巖泥化致使自身承載力喪失，應(yīng)力在此處釋放，造成支護結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生不規(guī)則變形，承載性能大大降低。