深部巷道圍巖變形破壞規(guī)律的數(shù)值模擬研究

陳國超， 余明浩， 曹文豪， 季憲軍， 李書慶， 張 昂， 朱付祥

(南陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院 河南 南陽 473000)

0 引言

近年來，隨著我國煤化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，煤炭需求量日益增加，淺部煤炭資源的開采已不能滿足國內(nèi)市場的需求，深部開采已逐漸成為我國面臨的重要課題。就現(xiàn)在發(fā)展的采礦技術(shù)和安全開采的需求而言，我國將深部開采的范圍在700 m以下[1,2]。

隨著開掘深度的不斷增加，深部巷道圍巖不僅要受到圍巖應(yīng)力重分布后的二次靜力作用，還要受到爆破擾動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)等多方面的影響，簡稱“三高一擾動(dòng)”，加之深部巷道實(shí)際施工作業(yè)的地質(zhì)條件難以準(zhǔn)確預(yù)測且不斷變化，導(dǎo)致深部巷道圍巖在開掘后的力學(xué)行為較為復(fù)雜，其變形破壞的機(jī)理相比于淺部圍巖來要復(fù)雜得多[3-5]。

學(xué)者對深部巷道的圍巖變形破壞及機(jī)理進(jìn)行了研究。如通過物理模型試驗(yàn)對圍巖破壞發(fā)生的過程及現(xiàn)象進(jìn)行了研究[6]，并對圍巖變形破壞機(jī)理進(jìn)行了探討。深埋巷道圍巖的側(cè)壓力系數(shù)非常重要，他對圍巖在靜力條件下或者受動(dòng)力擾動(dòng)后的變形破壞和穩(wěn)定性都起到至關(guān)重要的作用[7]。

為更深入地掌握深部巷道圍巖變形規(guī)律，可以根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬和相似模擬，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。本研究以淮南礦區(qū)的13-1煤井的巷道作為研究對象，對巷道圍巖之間的力學(xué)參數(shù)的測試以及巷道的地應(yīng)力之間的參數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)而采用FLAC3D軟件，模擬淮南地區(qū)的13-1煤井的深部巷道圍巖變化規(guī)律。

1 工程概況及地質(zhì)條件

淮南礦區(qū)的13-1煤層埋深約800 m左右，為典型深部煤層開采[8]，其中從頂板到底板依次是粉砂巖、泥質(zhì)砂巖、煤層和粉砂巖，各巖層的厚度依次為6.0 m、0.7 m、5.0 m、4.0 m。各巖層的物理力學(xué)參數(shù)主要包含了體積模量、剪切模量、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角以及密度等(如表1)。

表1 各巖層物理參數(shù)

礦區(qū)巖巷工程巖層通常主要為頁巖、泥巖、泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖等，其單向抗壓強(qiáng)度通常小于30 MPa。盡管一些高地巖石的強(qiáng)度很高，但由于構(gòu)造和節(jié)理裂隙等因素，碎石的強(qiáng)度很低。

深部軟巖巷道開挖長期處于大變形率條件下，維護(hù)周期很短。邊坡底部的超修往往導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)一步加劇了邊坡的變形。

2 FLAC3D模型建立

FLAC3D是一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)值模擬工具，在研究巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。通過FLAC3D軟件建立一個(gè)x、y、z軸的坐標(biāo)系，建立x軸、y軸、z軸。設(shè)置坐標(biāo)系的原點(diǎn)為P0(0，0，0)，設(shè)置各個(gè)模型對稱軸的交點(diǎn)為xyz，坐標(biāo)系水平向右為x軸，z軸為坐標(biāo)系豎直方向，y軸是坐標(biāo)系中的分析平面方向。本次所構(gòu)建的模型土體邊界的方向尺寸為長×寬×高為20 m×20 m×15.7 m，如圖1所示。

圖1 初始模型

圖2 巷道開挖模型圖

FLAC3D采用的本構(gòu)模型有空模型和摩爾庫倫模型。然后對各巖層進(jìn)行參數(shù)賦值，常用的參數(shù)主要有體積模量、剪切模量、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和密度等。設(shè)置邊界條件，本次模型由于條件的因素選用的是固定邊界，x軸的范圍是-10～10、y軸的范圍是0～20、并將z軸固定在坐標(biāo)原點(diǎn)，取重力加速度為9.8 m/s2，方向豎直向下。施加應(yīng)力，在進(jìn)行參數(shù)改變前都需要進(jìn)行一個(gè)初始應(yīng)力的平衡。分別向x、y、z方向施加應(yīng)力，使其達(dá)到一種平衡狀態(tài)，巷道開挖尺寸：寬3.2 m，高2.4 m(見圖2)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

3.1 模擬結(jié)果及位移云圖

巷道在開挖后不進(jìn)行支護(hù)措施，在應(yīng)力及自重作用下會(huì)在垂直方向和水平方向上產(chǎn)生很大的位移變形。巷道在不進(jìn)行支護(hù)的前提下其各方的位移變化如圖3和圖4所示。

圖3 z方向位移云圖

圖4 x方向位移云圖

由圖3至圖4可得知，在應(yīng)力作用下，若無支護(hù)措施會(huì)產(chǎn)生大的變形量。其中在巷道頂板產(chǎn)生了高達(dá)144 mm的下沉變形量，在巷道底部產(chǎn)生了將近15 mm拱起變形量，在巷道左幫產(chǎn)生了104 mm左右且向右側(cè)拱起的變形量，而在巷道右?guī)蛣t產(chǎn)生了104 mm左右且向左側(cè)拱起的變形量。由此可見，若巷道不進(jìn)行支護(hù)，巷道四周都將會(huì)產(chǎn)生一定的變形，長久下去對巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，甚至不利于施工安全，在隧道開挖后地表、拱頂、拱底、隧道兩側(cè)也發(fā)生了一定程度的變形，進(jìn)而造成災(zāi)害發(fā)生。地表及拱頂變形較大，拱底變形相對較小，隧道兩側(cè)變形大體相當(dāng)，呈左右對稱趨勢。變形最大的位置發(fā)生在拱頂，地表的變形量相對拱頂較小。

深部巷道的老頂比較堅(jiān)固，它的完整性相比其他面比較完好。在巷道剛開始開挖，工作面開始開采的時(shí)候，老頂?shù)姆€(wěn)定性會(huì)成為巷道圍巖之間穩(wěn)定控制的核心。巷道開挖以后，巷道的正上面垂直于頂板之間的應(yīng)力到得緩解釋放，朝著煤幫的深部移動(dòng)，煤幫之間的應(yīng)力比較集中，在掘進(jìn)面向前慢慢推進(jìn)的時(shí)候，在掘進(jìn)面后面巷道的四周應(yīng)力也慢慢地穩(wěn)定下來。

3.2 應(yīng)力云圖

在應(yīng)力作用下除了會(huì)產(chǎn)生大的變形量，還會(huì)在巷道周圍產(chǎn)生一些拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，影響巷道穩(wěn)定性，其云圖如圖5至圖7所示。

圖5 Z方向應(yīng)力云圖

圖6 Y方向應(yīng)力云圖

圖7 X方向應(yīng)力云圖

由于巷道開挖后，無支護(hù)狀態(tài)下巷道會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力重新分布，其中，巷道的頂部和底部會(huì)產(chǎn)生較大的豎直拉應(yīng)力，最大值可達(dá)0.12 MPa，巷道的兩幫會(huì)產(chǎn)生較大的水平拉應(yīng)力，最大值可達(dá)0.04 MPa，說明矩形巷道的中間位置拉應(yīng)力最大，需要做好支護(hù)，防止巷道進(jìn)一步變形。

3.3 監(jiān)測點(diǎn)走向云圖

本文中巷道的斷面尺寸為3200 mm×2400 mm，監(jiān)測點(diǎn)每800 mm設(shè)置一個(gè)，故一個(gè)斷面尺寸共有18個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，巷道上下板各5個(gè)，兩幫各4個(gè)，在施加應(yīng)力且無支護(hù)的情況下，各監(jiān)測點(diǎn)的位移走向如圖8所示。

圖8 巷道頂板監(jiān)測點(diǎn)位移走向云圖

由圖8可知巷道開挖之后，在巷道頂板監(jiān)測點(diǎn)3，坐標(biāo)(0，10，2.4)的變化最大，其最終下沉量在144 mm左右，而監(jiān)測點(diǎn)2和4的位移走向相同，下沉量也相近，大約下沉了138 mm。至于監(jiān)測點(diǎn)1和5，因?yàn)檫@兩點(diǎn)在巷道的直角處，故其下沉量相對于其他監(jiān)測點(diǎn)來說較少，大約為82 mm。

圖9 巷道底部監(jiān)測點(diǎn)位移走向云圖

由圖9可知在巷道底板上，監(jiān)測點(diǎn)16的拱起量最大為15 mm左右，而底板的直角處拱起量最小，大約為3.4 mm，監(jiān)測點(diǎn)15、17相較監(jiān)測點(diǎn)16的拱起量稍微小一些，數(shù)值為14 mm，監(jiān)測點(diǎn)14、18較為平穩(wěn)，其拱起量為7 mm。這與圖3和圖4中位移云圖的顯示基本相同。通過分析顯示，在尺寸的中央，不管是下沉量還是拱起量，其變化范圍都比其他位置要大。

圖10 巷道左幫監(jiān)測點(diǎn)位移走向云圖

由圖10可知道，巷道開挖之后，在巷道左幫的監(jiān)測點(diǎn)會(huì)向左側(cè)拱起，其拱起變形量的范圍在0～104 mm之間，在左幫上側(cè)的直角處監(jiān)測點(diǎn)6的變形量最小，最終穩(wěn)定在4 mm左右，在水平方向上基本上不產(chǎn)生變形，而中間的變形量最大，大約是18 mm的變形量；監(jiān)測點(diǎn)6、7、8、9拱起量數(shù)值分別為4 mm、98 mm、104 mm、42 mm。

由圖11顯示右?guī)捅O(jiān)測點(diǎn)的走向是向左側(cè)拱起，其變化范圍與左幫的基本一致。監(jiān)測點(diǎn)10、11、12、13下沉量數(shù)值分別為4 mm、98 mm、104 mm、44 mm(見表2)。

圖11 巷道右?guī)捅O(jiān)測點(diǎn)位移走向云圖

表2 各監(jiān)測點(diǎn)位移變形量(拱起量，下沉量)數(shù)值

4 結(jié)論

本文主要采用FLAC3D對深部巷道圍巖變形破壞進(jìn)行數(shù)值分析研究。主要的研究內(nèi)容與結(jié)論如下：

(1)在無支護(hù)狀態(tài)下，巷道頂部、底部、兩幫均產(chǎn)生了較大的變形，變形量分別為144 mm、15 mm、104 mm、104 mm。最大變形位于頂板中心位置，因此，支護(hù)時(shí)需重點(diǎn)考慮加強(qiáng)頂部支護(hù)。

(2)巷道開挖之后，巷道應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生二次分布，其中頂?shù)撞繒?huì)產(chǎn)生最大0.12 MPa的拉應(yīng)力，兩幫會(huì)產(chǎn)生最大0.04 MPa的拉應(yīng)力，為防止巷道進(jìn)一步收縮，需進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。