深井軟巖巷道圍巖變形數(shù)值模擬分析及控制研究

李建永

(山西晉城煤業(yè)集團 勘察設計院有限公司，山西 晉城 048006)

針對深井軟巖巷道圍巖控制問題，從軟巖巷道的變形機理及支護方面,國內(nèi)外進行了大量研究。張振全[1]針對深部高應力軟巖巷道難以支護的問題，系統(tǒng)分析總結了該類巷道變形破壞特征，并提出了錨網(wǎng)索注聯(lián)合支護對策。文獻[2-3]提出了適用于深井軟巖的新型復合支護技術體系，使圍巖整體穩(wěn)定性得到顯著加強。文獻[4-5]采用數(shù)值模擬方法，基于實際地質(zhì)條件，模擬了軟巖巷道支護方案，得出具體的支護參數(shù)，為支護方案提供設計依據(jù)。僅從理論層面難以解決深井軟巖巷道大流變、大變形難題，需要結合現(xiàn)場實際采用多種研究手段綜合研究解決。依據(jù)山西省晉東南地區(qū)某深部礦井的實際工程地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬方法，研究深井軟巖巷道圍巖變形具體參數(shù)，并應用于現(xiàn)場實踐。

1 工程概況

該深部礦井受到深部高應力環(huán)境的影響，井下高應力軟巖巷道變形量大，且圍巖變形速度較快，嚴重地制約了巷道的正常使用。尤其是在受掘進、開采影響下，巷道圍巖變形破壞趨勢更加顯著。根據(jù)現(xiàn)場多點實測巷道斷面收縮率統(tǒng)計結果可知，巷道斷面收縮率平均值為32%，局部變形破壞嚴重的地方收縮率高達65%以上。

該礦井井下東二南采區(qū)軌道大巷存在長約60 m的某段每年圍巖位移變形量高達1.1～1.5 m，斷面收縮變形率24%～36%，每隔3個月就需要臥底一次。井下西二軌道下山段每年頂板下沉量1.5～2.0 m，斷面收縮變形率37.5%～64.75%. 東二南采區(qū)軌道大巷標高-790～-960 m，巷道圍巖局部裂隙發(fā)育，部分裂隙嚴重發(fā)育地段出現(xiàn)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，巷道圍巖整體斷面收縮，嚴重制約礦井的安全生產(chǎn)。

本文根據(jù)東二南采區(qū)軌道大巷實際地質(zhì)條件為工程背景，通過研究分析巷道圍巖變形破壞機理，以此為基礎為后續(xù)的巷道支護設計提供參考依據(jù)，進而實現(xiàn)深井軟巖巷道圍巖的良好控制，進而保障后續(xù)礦井的安全生產(chǎn)。

2 巷道圍巖變形數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)井下東二南采區(qū)軌道大巷B64地質(zhì)勘探點實際工程地質(zhì)條件，適當簡化建立FLAC3D數(shù)值模型，所建尺寸為長60 m×寬60 m×高80 m，采用Mohr-Coulomb強度準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，見表1.

表1 各主要巖層力學參數(shù)表

所建模型左、右兩側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的均布載荷替代上覆巖層的重力效果，取重力加速度為9.8 m/s2.

2.2 模擬結果分析

數(shù)值模擬研究了500 m、600 m、700 m、800 m、900 m和1 000 m等6種不同埋深情況下巷道圍巖中垂直應力和水平應力的變化規(guī)律，并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巷道圍巖頂部應力分析

對不同埋深的巷道圍巖進行數(shù)值模擬運算，其對應的巷道圍巖頂板垂直應力分布隨采深變化情況見圖1. 由圖1可知，不同埋深的巷道圍巖頂板均在巷道中心線位置處垂直應力最小，且在距離巷道中心線0～5.5 m隨著距離的遞增垂直應力逐漸增大，之后垂直應力趨于穩(wěn)定而處于原巖應力狀態(tài)，整體變化呈現(xiàn)出以巷道中心線為對稱軸的倒漏斗形狀。隨著巷道埋深的遞增，頂板中對應的垂直應力整體上也遞增。

圖1 巷道頂板垂直應力分布圖

東二南采區(qū)軌道大巷埋深800 m左右，巷道整體承受垂直應力較大，巷道左右側垂直應力近似對稱分布，兩幫向外5 m附近垂直應力集中程度最大，支護結構承受較大的集中應力作用，右?guī)痛怪睉εc左幫近似分布。在巷道頂部和底角附近形成較大的應力升高區(qū)，圍巖產(chǎn)生應力松弛，并伴隨拉應力破壞，支護結構不能有效阻止應力破壞，使巷道整體支護結構失效。

在巷道兩肩和兩底角一定距離處均出現(xiàn)剪應力集中區(qū)，且剪應力在左、右肩深部圍巖應力達到8.7 MPa，左、右側底角區(qū)域由于圍巖變形破壞嚴重，形成了剪切破壞后的低應力區(qū)，巷道頂部及兩側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)。

綜上所述可知，巷道頂板中垂直應力大小與巷道埋深呈正比例關系，且在距離巷道頂板中心線兩側5.5 m范圍內(nèi)垂直應力存在急劇變化的規(guī)律。

2.2.2巷道圍巖幫部應力分析

對不同埋深的巷道圍巖進行數(shù)值模擬運算，其對應的巷道圍巖幫部垂直應力分布隨采深變化情況見圖2. 由圖2可知，巷道幫部垂直應力在距離巷道中心線0～1.5 m隨著距離的遞增垂直應力逐漸增大，之后垂直應力趨于穩(wěn)定而處于原巖應力狀態(tài)，說明巷道兩幫0～1.5 m圍巖呈彈-塑性狀態(tài)，是需要重點控制的范圍。

圖2 巷道幫部垂直應力分布圖

由圖2可知，隨著巷道埋深的遞增，巷道圍巖幫部對應的垂直應力整體上呈遞增趨勢。根據(jù)幫部受力特點分析可知，當采深超過800 m后，應力呈現(xiàn)較大的變化，因此，800 m埋深是巷道圍巖急劇變化的臨界采深。東二南采區(qū)軌道大巷埋深平均在800～900 m，有必要針對性進行加強支護。

2.2.3巷道圍巖塑性區(qū)分析

塑性區(qū)分布范圍變化見圖3. 由圖3可知，巷道圍巖剪切破壞區(qū)、拉伸破壞區(qū)均隨著采深增加而增大，且在埋深大于800 m后急劇增大，因此800 m埋深為一拐點。東二南采區(qū)軌道大巷埋深超過800 m時，巷道表現(xiàn)為變形嚴重及維護困難，800 m為巖巷變形嚴重的臨界埋深值，因此東二南采區(qū)軌道大巷支護需要研究新的支護體系。

圖3 塑性區(qū)分布范圍變化圖

模擬結果顯示800 m埋深巷道周圍呈現(xiàn)巨大塑性破壞區(qū)，巷道頂板塑性范圍為2.6 m，左幫和右?guī)退苄詤^(qū)分別為5.2 m和5.4 m，同時巷道右側底角處出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，拉、剪復合破壞區(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6.1 m，由于巷道受應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構失效，導致巷道失穩(wěn)。

3 工程控制效果分析

根據(jù)數(shù)值分析結果，在大量實際礦壓觀測基礎上，研究得出了適合該礦軟巖巷道支護技術參數(shù)及體系，即預留圍巖變形量讓壓局部二次噴漿補強工藝技術。支護工藝參數(shù)見圖4.

圖4 東二南采區(qū)軌道大巷支護斷面示意圖

采用預留變形量讓壓局部二次補強錨網(wǎng)索聯(lián)合承載拱支護技術后，圍巖的變形過程平緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。巷道觀測點頂?shù)装逦灰屏孔畲笾禐?6 mm，兩幫位移量最大值為22 mm，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。

東二南采區(qū)軌道大巷支護方案改進前后的巷道圍巖應力環(huán)境數(shù)值模擬結果見圖5. 由圖5可知，支護方案改進后，巷道圍巖應力環(huán)境要明顯好于原有的支護方案，巷道頂板、兩幫和底板中的垂直應力集中明顯降低，有利于巷道的長久維護。

圖5 東二南采區(qū)軌道大巷支護改進前后數(shù)值模擬結果圖

4 結 論

1) 隨巷道埋深增加，巷道圍巖垂直應力分布呈圓筒狀近似對稱分布，頂板及底板出現(xiàn)拉應力區(qū)，其范圍隨采深增加而增大，埋深超過800 m時巷道塑性區(qū)破壞范圍明顯增大，變形破壞程度加大。

2) 巷道兩幫垂直應力近似對稱分布，兩幫外5 m附近出現(xiàn)較大垂直應力集中，剪應力在左、右肩深部圍巖應力達到8.7 MPa左右，在距巷道中心0～5.5 m頂部垂直應力急劇增大，且在距巷道中心6～8 m達到峰值。

3) 巷道幫部水平應力距巷道中心0～1.5 m急劇增加到最大值。800 m埋深巷道圍巖呈現(xiàn)巨大塑性破壞區(qū)，巷道頂板塑性范圍為2.6 m，左幫和右?guī)退苄詤^(qū)分別為5.2 m和5.4 m，同時巷道右側底角處出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，拉、剪復合破壞區(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6.1 m，此結果可為支護方案設計提供參考依據(jù)。

4) 結合數(shù)值模擬綜合分析，得出適合該礦軟巖巷道支護技術參數(shù)及體系，即預留圍巖變形量讓壓局部二次噴漿補強工藝技術?，F(xiàn)場支護效果及數(shù)值模擬結果表明其對巷道圍巖的支護效果良好。