某深井強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖破裂失穩(wěn)的數(shù)值模擬

安智廣 李慶國(guó) 李 勐 孫華愷 徐繼濤

（1.山東玻纖集團(tuán)股份有限公司；2.泰安景行新材料有限公司；3.泰安佳成機(jī)電科技有限公司）

隨著開(kāi)采強(qiáng)度和深度的增加，“五高兩擾動(dòng)”等急難技術(shù)問(wèn)題日益突出，深部巖體表現(xiàn)為明顯的非線性大變形等軟巖力學(xué)特性。深部強(qiáng)烈開(kāi)采擾動(dòng)下，巷道大變形、錨固失效等問(wèn)題廣泛存在，使得巷道頂板的穩(wěn)定性維控問(wèn)題日益突出。錢(qián)七虎等［1］提出深部巷道圍巖分區(qū)破裂化與空間、時(shí)間效應(yīng)密切相關(guān)，并分析了分區(qū)破裂化的主要原因。蘇海健等［2］基于黏彈塑性力學(xué)理論，分析了深部巷道圍巖應(yīng)變軟化、破裂膨脹及流變特征。Jing 等［3］總結(jié)了深部巷道圍巖損傷特性，研究了不同錨桿布置方式對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)演化特征及總體破壞規(guī)律。侯朝炯［4］證明深部巷道在高地壓作用下，巖石由脆性破壞轉(zhuǎn)為延性流變破壞，伴有較大塑形變形。黃炳香等［5］采用數(shù)值模擬研究了深井采動(dòng)作用下巷道圍巖大變形及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理，并提出了深井采動(dòng)巷道圍巖流變和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)大變形理論。某礦區(qū)段回風(fēng)巷道受強(qiáng)礦壓的長(zhǎng)期劇烈影響，巷道頂板易破碎、煤壁易片幫、底鼓劇烈，巷道維護(hù)困難，支護(hù)及擴(kuò)修成本極大，已經(jīng)嚴(yán)重制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。因此，以該礦區(qū)段回風(fēng)巷道為案例，采用FLAC3D數(shù)值模擬，分析煤層厚度、構(gòu)造應(yīng)力及區(qū)段煤柱寬度對(duì)巷道穩(wěn)定維控的影響特征，揭示典型地質(zhì)及工況條件下的深井強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖破裂損傷機(jī)制。

1 工程背景

某礦4105 回風(fēng)巷為西部典型強(qiáng)采動(dòng)巷道，巷道位置如圖1所示。工作面南部為盤(pán)區(qū)的大巷，西側(cè)為4106 工作面的設(shè)計(jì)位置，東側(cè)為4104 工作面（正開(kāi)采），工作面間大煤柱寬度為44.5 m。該工作面南部存在路家—小靈臺(tái)背斜，其中背斜的走向方位角為46°～51°。受背斜影響，工作面整體南高北低，地層坡度為1°～4°。工作面埋藏深度為711～730 m，平均埋深為718 m，側(cè)壓系數(shù)為1.8。煤層厚度為9.5～11.32 m，平均10 m，屬于特厚煤層。巷道直接頂板為厚度3.67 m 的泥巖，裂隙較為發(fā)育?；卷敒榇至Ｉ皫r、細(xì)粒砂巖和粉砂巖復(fù)合互層結(jié)構(gòu)。直接底為厚度4.6 m的鋁質(zhì)泥巖?；镜诪楹穸?4.6 m的泥巖。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)該礦受強(qiáng)礦壓的長(zhǎng)期劇烈影響，巷道頂板易破碎、煤壁易片幫、底鼓劇烈。全巷道范圍內(nèi)都存在鋼帶、鋼筋網(wǎng)破壞等現(xiàn)象。斷錨桿、索等錨固失效現(xiàn)象也頻繁發(fā)生，如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，4105回風(fēng)巷掘進(jìn)期間頂板下沉量115 mm，兩幫收縮量320 mm，影響范圍約70 m。4104 工作面開(kāi)采期間巷道頂板下沉量為438 mm，兩幫收縮量為872 mm，影響范圍約160 m。巷道變形主要發(fā)生在相鄰工作面開(kāi)采期間，為典型強(qiáng)采動(dòng)巷道，且影響距離遠(yuǎn)，變形時(shí)間長(zhǎng)，巷道破壞嚴(yán)重。這使得在本工作面開(kāi)采之前要對(duì)巷道進(jìn)行大量修復(fù)，主要包括擴(kuò)幫和鏟底，成本極高。

針對(duì)4105 回風(fēng)巷典型工程地質(zhì)條件和圍巖破壞顯現(xiàn)特點(diǎn)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析在不同煤層厚度、構(gòu)造應(yīng)力及區(qū)段煤柱寬度下的巷道圍巖破裂損傷特征，揭示典型地質(zhì)及工況條件下的深井強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖破裂損傷機(jī)制，為巷道安全穩(wěn)定控制提供參考。

2 數(shù)值模型及模擬方案

采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立的數(shù)值模型如圖3 所示。模型尺寸為300 m×60 m×80 m（長(zhǎng)×寬×高），模型采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，模型上邊界為應(yīng)力邊界，底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。模型上部加載16 MPa 應(yīng)力，水平方向加載28.8 MPa 應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)為1.8。巖層信息參數(shù)見(jiàn)表1。模擬的4105 回風(fēng)巷斷面尺寸為5.5 m×3.85 m（寬×高）。支護(hù)方案為頂板8 根φ22 mm×2 500 mm錨桿，預(yù)緊力為30 kN，排距為800 mm，8 根φ21.6 mm×8.8 m 錨索，預(yù)緊力為130 kN，排距為800 mm；幫部各5 根φ22 mm×2 500 mm 錨桿，預(yù)緊力為30 kN，排距為800 mm。模擬方案如下。（1）固定側(cè)壓系數(shù)為1.8，煤柱寬度44.5 m，分別模擬煤層厚度為5，8，10及12 m時(shí)的巷道變形破壞特征。

（2）固定煤柱寬度為44.5 m，采高為10 m，模擬側(cè)壓系數(shù)分別為1.0、1.4、1.8 及2.2 時(shí)的巷道變形破壞特征。

（3）固定側(cè)壓系數(shù)為1.8，埋深為700 m，采高為10 m，分別模擬工作面開(kāi)采后煤柱寬度為8，15，44.5，60及80 m時(shí)的巷道變形破壞特征。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 煤層厚度對(duì)巷道變形影響

3.1.1 塑性區(qū)分布規(guī)律

圖4 為不同煤層厚度下的巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況。煤厚為5 m 時(shí)，頂板和兩幫的塑性區(qū)范圍為5 m，底板為8 m，頂?shù)装? m 及兩幫2 m 范圍內(nèi)均為壓剪破壞。煤厚為8 m 時(shí)，圍巖塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，頂板塑性區(qū)范圍為7 m，兩幫為6 m，底板為9 m。煤厚為10 m 和12 m 時(shí)，兩幫及底板塑性區(qū)范圍變化不大，但壓剪破壞區(qū)域增大，頂板的塑性區(qū)范圍分別擴(kuò)大到8 m 和9 m。隨著煤層厚度的增大，巷道頂板軟弱巖層厚度增加，頂板的塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，維護(hù)難度會(huì)逐漸增大。

3.1.2 位移分布規(guī)律

圖5 為不同煤層厚度下巷道開(kāi)挖后的圍巖變形情況。巷道掘進(jìn)支護(hù)后，當(dāng)煤層厚度為5 m 時(shí)，頂?shù)装宄两底冃瘟繛?50 mm，兩幫為298 mm。當(dāng)煤層厚度為12 m 時(shí)，頂?shù)装宄两底冃瘟繛?50 mm，兩幫為380 mm。巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟侩S煤層厚度增加而增加，且頂?shù)装遄冃卧黾恿看笥趦蓭?，主要變形發(fā)生于頂板。隨著煤層厚度的增大，巷道頂煤厚度逐漸增大，煤體質(zhì)軟，擴(kuò)容特性及變形能力較強(qiáng)，因此頂板變形量增長(zhǎng)較明顯。

3.2 構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道變形影響

3.2.1 塑性區(qū)分布規(guī)律

采用側(cè)壓系數(shù)表征地層構(gòu)造應(yīng)力，模擬了不同側(cè)壓系數(shù)下的巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況，結(jié)果見(jiàn)圖6。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.0 時(shí)，頂?shù)姿苄詤^(qū)范圍為6 m，兩幫為4 m，塑性區(qū)形狀呈橢圓形。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道圍巖塑性區(qū)范圍逐漸增大，且塑性區(qū)形狀發(fā)生變化。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.8 時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭退苄詤^(qū)范圍增長(zhǎng)到10 m，其中巷道肩角和兩底角變形較大，塑性區(qū)向巷道四角處發(fā)展較多；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)增長(zhǎng)為2.2時(shí)，頂?shù)装逅苄詤^(qū)不變，兩幫塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，增大為15 m。

3.2.2 位移分布規(guī)律

如圖7所示，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.0時(shí)，頂?shù)装遄冃瘟繛?86.2 mm，兩幫為168.1 mm；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.4 時(shí)，頂?shù)装遄冃瘟繛?99 mm，兩幫為242.5 mm；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.8 時(shí)，頂?shù)装遄冃瘟繛?57 mm，兩幫為358 mm；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為2.2 時(shí)，頂?shù)装遄冃瘟繛?91 mm，兩幫為503 mm。隨著側(cè)壓系數(shù)增大，使得巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟恐饾u增大，嚴(yán)重影響巷道穩(wěn)定維控。

3.3 煤柱寬度對(duì)巷道變形影響

3.3.1 位移分布規(guī)律

模擬了不同煤柱寬度下的巷道變形規(guī)律，如圖8所示。隨著相鄰工作面開(kāi)采，當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)，頂?shù)装遄冃卧鲩L(zhǎng)量為202 mm，兩幫變形增長(zhǎng)量為205 mm；當(dāng)煤柱寬度為15 m時(shí)，頂?shù)装遄冃卧鲩L(zhǎng)量為243.4 mm，兩幫變形增長(zhǎng)量為350 mm；當(dāng)煤柱寬度為44.5 m 時(shí)，頂?shù)装遄冃卧鲩L(zhǎng)量為302 mm，兩幫變形增長(zhǎng)量為429 mm；當(dāng)煤柱寬度為60 m 時(shí)，頂?shù)装遄冃卧鲩L(zhǎng)量為206 mm，兩幫變形增長(zhǎng)量為320 mm；當(dāng)煤柱寬度為80 m 時(shí)，頂?shù)装遄冃卧鲩L(zhǎng)量為180 mm，兩幫變形增長(zhǎng)量為280 mm。由以上分析可知，隨著煤柱寬度的增加，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟砍尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且兩幫變形量大于頂?shù)装宓淖冃瘟俊?/p>

3.3.2 應(yīng)力分布規(guī)律

圖9 為不同煤柱寬度下的煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值的變化規(guī)律。隨著煤柱寬度的增加，垂直應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出與巷道變形類(lèi)似的變化規(guī)律。當(dāng)煤柱為8 m時(shí)，煤柱中部應(yīng)力最大值為12.5 MPa；煤柱為15 m時(shí)，煤柱中部最大應(yīng)力值為17.5 MPa；當(dāng)煤柱為44.5 m 時(shí)，煤柱中部應(yīng)力最大值為30 MPa；煤柱為60 m時(shí)，煤柱中部應(yīng)力最大值為20 MPa；當(dāng)煤柱為80 m時(shí)，煤柱中部應(yīng)力最大值為17.5 MPa。當(dāng)煤柱尺寸超過(guò)60 m 時(shí)，巷道圍巖分布呈現(xiàn)掘巷后的應(yīng)力分布規(guī)律，開(kāi)采對(duì)其影響減弱。

3.4 結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證可確保結(jié)果真實(shí)可靠。根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)煤層厚度、構(gòu)造應(yīng)力及煤柱寬度對(duì)巷道變形影響機(jī)制進(jìn)一步分析。

（1）厚煤層強(qiáng)采動(dòng)巷道損傷破壞機(jī)制。根據(jù)模擬結(jié)果可知，強(qiáng)采動(dòng)巷道隨著煤層厚度的增加，頂板圍巖塑性區(qū)范圍及頂板變形逐漸增大，且增加量普遍大于兩幫收斂。對(duì)于特厚煤層巷道，頂板以上的煤層厚度通常超過(guò)4 m，這使得頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)大部分布置在煤層中。煤的抗剪強(qiáng)度小，且原生裂隙發(fā)育較多。當(dāng)頂煤受采掘工程擾動(dòng)影響時(shí)，微觀上表現(xiàn)為煤體中大量發(fā)育的節(jié)理裂隙張開(kāi)、擴(kuò)展和錯(cuò)動(dòng)變形，宏觀上表現(xiàn)為厚頂煤內(nèi)離層破壞和延展變形。使得巷道頂板圍巖的塑性破壞圈層尺寸遠(yuǎn)大于常規(guī)巷道。常規(guī)支護(hù)結(jié)構(gòu)受限于剛性材質(zhì)，錨桿長(zhǎng)度受到限制，錨桿支護(hù)范圍仍然處于圍巖塑性區(qū)內(nèi)。因此，隨著煤厚的增加需要錨桿支護(hù)的淺部基礎(chǔ)承載結(jié)構(gòu)的錨固深度越長(zhǎng)，通常建議采用柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以使桿體不受巷道高度限制，錨固深度大大提高?？捎行岣邍鷰r控制效果。

（2）構(gòu)造應(yīng)力對(duì)強(qiáng)采動(dòng)巷道穩(wěn)定性影響。該礦4106 回風(fēng)巷受路家—小靈臺(tái)背斜的影響，存在明顯的構(gòu)造應(yīng)力，應(yīng)力集中系數(shù)為1.8，同時(shí)隨著深度的下延，該構(gòu)造影響會(huì)更加劇烈。根據(jù)模擬結(jié)果可知，巷道的失穩(wěn)及變形破壞現(xiàn)象受構(gòu)造應(yīng)力影響較大，隨巷道原始構(gòu)造應(yīng)力的增大，巷道最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值逐漸增大，圍巖應(yīng)力環(huán)境發(fā)生根本性改變，偏應(yīng)力作用效果逐漸明顯，使得巷道圍巖在較大偏應(yīng)力作用下持續(xù)擴(kuò)容變形，巷道變形及應(yīng)力集中區(qū)逐漸向幫部深處和底板轉(zhuǎn)移。

（3）煤柱寬度對(duì)巷道穩(wěn)定性影響。區(qū)段煤柱的合理留設(shè)不僅關(guān)乎巷道圍巖穩(wěn)定控制，更是影響煤炭資源合理開(kāi)發(fā)利用。根據(jù)模擬結(jié)果可知，隨著煤柱尺寸的增大，工作面開(kāi)采對(duì)巷道圍巖應(yīng)力影響為先增大后減小，煤柱寬度的變化會(huì)導(dǎo)致側(cè)向水平應(yīng)力分布變化，使得巷道變形先增大后減小。從上述分析可知。當(dāng)前的44.5 m的煤柱尺寸設(shè)置不合理，使得開(kāi)采后煤柱區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，巷道維護(hù)困難，應(yīng)增大煤柱尺寸或減小煤柱尺寸，但增大煤柱尺寸會(huì)增加資源浪費(fèi)，因此應(yīng)采取小煤柱護(hù)巷減小煤柱應(yīng)力峰值，減小巷道變形量，提高巷道維護(hù)效果。

4 結(jié)論

（1）隨著煤層厚度的增大，巷道頂板的塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，而兩幫及底板的破壞程度變化不大。隨著煤層厚度的增大，巷道頂煤厚度逐漸增大，煤體質(zhì)軟，擴(kuò)容特性較強(qiáng)，因此頂板變形量增長(zhǎng)較明顯。

（2）隨著構(gòu)造應(yīng)力水平增大，巷道最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值逐漸增大，使得巷道圍巖在較大偏應(yīng)力作用下持續(xù)擴(kuò)容變形，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟恐饾u增大，應(yīng)力集中區(qū)逐漸向幫部深處和底板轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中程度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，巷道重點(diǎn)維護(hù)區(qū)域逐漸從兩幫轉(zhuǎn)為底板。

（3）隨著煤柱寬度的增加，工作面開(kāi)采對(duì)煤柱應(yīng)力影響為先增大后減小，也使得巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟砍尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)前煤柱尺寸設(shè)置不合理，使得開(kāi)采后煤柱區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，巷道維護(hù)困難，應(yīng)減小煤柱尺寸，降低應(yīng)力峰值，提高巷道維護(hù)效果。