硐室斷面尺寸效應(yīng)對圍巖穩(wěn)定性影響因素數(shù)值模擬研究

王廣偉 王 鵬 田中磊

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 巨野 274900）

1 引言

近些年來，錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為煤巷支護(hù)的主要方式，但就大斷面巷道支護(hù)問題所進(jìn)行的理論研究和成功的實踐工程有限，尤其是超大斷面硐室，由于其斷面、埋深較大，圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)顯著增大，傳統(tǒng)支護(hù)技術(shù)難以滿足硐室圍巖穩(wěn)定需要。為此，本文針對山東新巨龍能源有限責(zé)任公司膠帶輸送機(jī)巷超大斷面機(jī)頭硐室圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)展開相關(guān)研究，且本次研究成果可為類似條件超大斷面硐室的圍巖穩(wěn)定性控制提供借鑒參考。

2 研究區(qū)域地質(zhì)概況

山東新巨龍能源有限責(zé)任公司主采煤層為3#煤層，平均厚度為6.77m，傾角為0～7°，以亮煤為主，節(jié)理較發(fā)育，煤層強(qiáng)度較低，為松軟煤層，f=0.7。煤層埋深445 ～484m，平均467m。距煤層底板1.4m有0.2m 厚的夾矸，夾矸為炭質(zhì)泥巖。煤層之上為0.9m 厚的泥巖偽頂，偽頂之上為細(xì)粒砂巖—粉砂巖直接頂，厚度1.46m，均勻?qū)永頌橹?，水平紋理次之，小型交錯層理，夾薄層泥巖，厚度0.90m。粉砂巖直接頂中粒砂巖—泥巖—砂質(zhì)泥巖—泥巖—細(xì)粒砂巖—泥巖構(gòu)成的老頂，厚度為16.5m。煤層之下直接底為厚度0.72m 的泥巖和厚度2.04m 的砂巖。直接底下為砂質(zhì)泥巖老底，厚度為3.76 m，灰色，厚層狀，波狀層理，夾泥質(zhì)包體，而其北翼膠帶大巷沿煤層掘進(jìn)。

3 硐室斷面尺寸效應(yīng)對圍巖穩(wěn)定性的影響

3.1 構(gòu)建數(shù)值計算模型

本次數(shù)值模擬研究選取摩爾—庫倫模型進(jìn)行計算，并根據(jù)實際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。建立的模型尺寸為長×寬×高=60m×50m×60m，對模型下部和兩邊邊界進(jìn)行約束。上部邊界為自由邊界，其施加的力等同于上覆巖層的重量，則垂直應(yīng)力按深度480m、容重25kN/m3計算，得出為12MPa，水平側(cè)壓系數(shù)為0.8。模擬采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。此次模擬中所選取的主要物理力學(xué)參數(shù)表如表1 所示。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

數(shù)值計算模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值計算模型示意圖

3.2 硐室斷面面積對圍巖穩(wěn)定性影響分析

硐室圍巖穩(wěn)定性存在明顯的尺寸效應(yīng)，為研究硐室斷面尺寸對圍巖變形、應(yīng)力及塑性區(qū)分布特征規(guī)律的影響，共建立4 個矩形硐室模型。硐室尺寸如表2 所示。

表2 硐室模擬尺寸

為分析巷道開挖后巷道圍巖塑性區(qū)分布及位移變化，只考慮巷道開挖后沒有支護(hù)情況下巷道斷面變化對巷道穩(wěn)定性的影響。

3.3 圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律研究

硐室周邊圍巖在開挖初期，或后期變形過程中，產(chǎn)生了新的裂隙以及離層破碎，導(dǎo)致硐室圍巖體處于較小承載狀態(tài)的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，圍巖逐漸處于屈服、破碎甚至松散的狀態(tài)，淺部圍巖在屈服后產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)。不同硐室斷面情況下圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律如圖2 所示。

圖2 不同斷面硐室圍巖塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律

由圖2（a）～（d）可知：巷道開挖后頂?shù)装寮皟蓭蜏\部圍巖首先發(fā)生破壞，破壞形式主要以剪切破壞為主，淺部圍巖出現(xiàn)拉伸破壞。不同尺寸下硐室圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)基本一致，整體上呈現(xiàn)出兩幫大于頂?shù)装宓姆植紶顟B(tài)。隨著硐室尺寸的增大，硐室周圍塑性區(qū)的分布范圍和擴(kuò)展深度逐漸增大。其中方案一頂、底板及兩幫塑性區(qū)擴(kuò)展深度為0.5m、1.0m 和1.5m；方案二頂、底板及兩幫塑性區(qū)發(fā)育深度為1.0m、1.0m 和2.0m，并且在巷道幫部出現(xiàn)拉伸破壞；由于巷道在煤層中沿頂板掘進(jìn)，頂板為相對堅硬的巖層，方案三和方案四塑性區(qū)擴(kuò)展深度變化不大，且兩頂角塑性區(qū)相對于中心區(qū)域較發(fā)育。兩幫的塑性區(qū)發(fā)育深度隨著巷道尺寸的增大而逐步增加，方案三和方案四的塑性區(qū)發(fā)育深度分別為2.5m 和3.0m。其中拉破壞的范圍也逐漸增加，兩幫拉伸破壞范圍要大于頂?shù)装濉?/p>

3.4 圍巖應(yīng)力分布規(guī)律研究

硐室開挖與圍巖變形均是圍巖體釋放應(yīng)力的過程，硐室淺部圍巖在開挖與變形過程中不可避免地釋放了部分能量。變形量越大，釋放能量越多，導(dǎo)致巖體殘存應(yīng)力越低，即圍巖殘余強(qiáng)度越低，巖體自承載能力越差。因此，硐室圍巖中低應(yīng)力區(qū)域的大小能夠很大程度上反映圍巖的穩(wěn)定性狀況。低應(yīng)力區(qū)范圍越大，應(yīng)力集中區(qū)距離巷道表面越遠(yuǎn)，代表越深的圍巖發(fā)生了變形，可能是產(chǎn)生了新的裂隙，或是巖層結(jié)構(gòu)遭到了破壞。不同硐室斷面情況下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律如圖3 所示。

圖3 不同斷面硐室圍巖應(yīng)力分布

由圖3 可知，硐室開挖之后淺部圍巖出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)域，不同的硐室斷面應(yīng)力降低區(qū)域的范圍不同。方案一到方案四頂板應(yīng)力降低區(qū)深度分別為1.2m、1.4m、1.7m 和2.3m 左右，兩幫應(yīng)力降低區(qū)深度分別為1.0m、1.3m、1.7m 和2.1m 左右，應(yīng)力降低區(qū)域的面積逐漸增大。應(yīng)力在兩幫較深處和巷道的四個角形成應(yīng)力集中區(qū)域，且應(yīng)力值不斷增加。通過垂直應(yīng)力分布狀況可以看出，隨著硐室斷面的增加，兩幫形成的應(yīng)力集中區(qū)域的范圍和應(yīng)力集中程度逐漸增大，但增幅逐漸減小，高應(yīng)力集中區(qū)逐漸向硐室兩幫深處轉(zhuǎn)移。

3.5 圍巖位移變化規(guī)律研究

硐室開挖后，硐室圍巖會發(fā)生位移變化，而硐室面積的大小不同，圍巖移近量也有較大差異。不同斷面尺寸下，硐室圍巖移近量的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同斷面尺寸硐室位移變化

由圖4 可知，隨著巷道斷面積的增大，硐室頂?shù)装宓囊平亢蛢蓭偷囊平烤饾u增大，且兩幫移近量始終大于頂板變形量。當(dāng)巷道斷面積小于25m2時，巷道頂板和兩幫的位移量相差很小；巷道尺寸超過25m2以后，兩幫淺部圍巖的位移量出現(xiàn)大幅增長，表明此時容易發(fā)生煤壁片幫等大變形圍巖失穩(wěn)情況。

4 主要結(jié)論

本文以山東新巨龍能源有限責(zé)任公司膠帶輸送機(jī)巷超大斷面機(jī)頭硐室圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)展開相關(guān)研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）硐室圍巖穩(wěn)定性以及承載能力與硐室斷面大小有直接關(guān)聯(lián)。

（2）采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬研究不同斷面情況下硐室圍巖的塑性區(qū)、應(yīng)力場以及位移場分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：硐室圍巖穩(wěn)定性有明顯的尺寸效應(yīng)，隨著硐室斷面尺寸的增大，硐室周圍塑性區(qū)分布范圍、兩幫形成的應(yīng)力集中區(qū)域的深度和應(yīng)力集中程度都呈現(xiàn)增大趨勢，頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟恳仓饾u增加，同時硐室跨度對頂?shù)装逵酗@著影響，硐室高度對硐室兩幫影響顯著。

（3）硐室斷面越大，圍巖穩(wěn)定性越小，支護(hù)難度也就越大，為此要加強(qiáng)大斷面硐室的支護(hù)強(qiáng)度及力度，以確保硐室圍巖穩(wěn)定性。