基于UDEC模擬的弱膠結(jié)軟巖巷道變形失穩(wěn)規(guī)律研究

李天龍

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長治 046031)

隨著西部開發(fā)戰(zhàn)略的執(zhí)行，西部煤炭的開采已經(jīng)成為我國煤炭開采的主力[1]。主要分布在西部侏羅系地層中的弱膠結(jié)軟巖，具有不同于一般軟巖的物理力學(xué)性質(zhì)和特征，導(dǎo)致巷道圍巖產(chǎn)生大位移[2-4]，不利于生產(chǎn)的順利進(jìn)行和煤礦工人的人身安全[5-7]。目前，對于弱膠結(jié)軟巖巷道一系列問題的研究雖然已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但仍然處于起步階段，并沒有形成一套系統(tǒng)的理論和技術(shù)手段[8-9]。因此，必須對弱膠結(jié)軟巖巷道變形失穩(wěn)規(guī)律進(jìn)行研究，來探索合理有效地支護(hù)方式和技術(shù)。

基于此，本文借助數(shù)值模擬方法，以某礦111801工作面為研究對象，分析弱膠結(jié)軟巖巷道的變形破壞特征及其影響因素，研究弱膠結(jié)軟巖巷道變形失穩(wěn)規(guī)律。

1 弱膠結(jié)軟巖巷道變形破壞特征

弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖的變形特點(diǎn)主要有變形快、應(yīng)力應(yīng)變時間效應(yīng)明顯、自穩(wěn)時間短[10]?？偨Y(jié)煤礦弱膠結(jié)軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，該類巖石的變形破壞主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

1) 圍巖自穩(wěn)時間短，來壓迅速。在巷道掘進(jìn)過程中，在掘進(jìn)頭附近經(jīng)常發(fā)生垮落、片幫等動力現(xiàn)象，需要進(jìn)行及時支護(hù)。

2) 圍巖變形量大，變形速度快，持續(xù)時間長。弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖的變形具有非線性特征。變形的持續(xù)時間可達(dá)到數(shù)月，甚至半年。

3) 圍巖遇水軟化甚至泥化。顆粒大多含有黏土礦物，在水作用下容易膨脹，軟化甚至崩解，導(dǎo)致巷道圍巖產(chǎn)生大位移，發(fā)生冒頂和垮落等煤巖動力災(zāi)害。

4) 底鼓嚴(yán)重。查閱資料發(fā)現(xiàn)，弱膠結(jié)軟巖巷道的底鼓量一般在500 mm 以上，塑性區(qū)的范圍從中間向兩邊擴(kuò)展，破壞范圍不斷增大，且具有很明顯的時間效應(yīng)。

2 埋深對弱膠結(jié)軟巖巷道變形失穩(wěn)規(guī)律影響

利用UDEC軟件，研究埋深對弱膠結(jié)軟巖巷道變形失穩(wěn)規(guī)律的影響。主要分析不同埋深下，該類軟巖巷道的圍巖變形特征和塑性區(qū)演化規(guī)律。

2.1 數(shù)值模擬模型

以某礦111801運(yùn)輸巷為研究對象，建立數(shù)值模擬模型，如圖1所示。模擬區(qū)域的尺寸為長×寬=100 m×80 m，巷道斷面為長×高=5 m×3 m的矩形。該模型平均埋深為300 m，限制底部和兩側(cè)的位移，在頂部施加7.5 MPa的垂直載荷，在兩邊施加水平載荷，側(cè)壓系數(shù)為1.2。該模型采用Mohr-coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，結(jié)合某礦的生產(chǎn)地質(zhì)條件對各巖層參數(shù)進(jìn)行取值，見表1。

圖1 數(shù)值計算模型

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

2.2 不同埋深條件下巷道圍巖變形特征

本次模擬的埋深共分為6種，分別為：150 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m。側(cè)壓系數(shù)取1.2。不同埋深下巷道圍巖表面的位移量如圖2所示。

對于巷道頂板，當(dāng)埋深變化時，圍巖最大位移量分別為29.75 mm、47.56 mm、67.65 mm、87.14 mm、109.62 mm、132.68 mm；位移增大量分別為17.81 mm、20.09 mm、19.49 mm、22.48 mm、23.06 mm；位移的增加幅度分別為59.84%、42.23%、28.86%、25.80%、21.03%；對于巷道底板，當(dāng)埋深變化時，圍巖最大位移量分別為30.64 mm、48.91 mm、69.54 mm、91.96 mm、118.38 mm、144.56 mm；位移增大量分別為18.27 mm、20.63 mm、22.42 mm、26.42 mm、26.18 mm；位移的增加幅度分別為59.63%、42.18%、32.24%、28.73%、22.12%；對于巷道幫部，當(dāng)埋深變化時，圍巖最大位移量分別為20.21 mm、30.92 mm、42.9 mm、56.03 mm、70.24 mm、85.35 mm；位移增大量分別為10.71 mm、11.98 mm、13.13 mm、14.21 mm、15.11 mm；位移的增加幅度分別為53%、38.75%、30.61%、25.36%、21.52%.即隨著埋深的增加，巷道圍巖的位移增加量也不斷變大，但變化很小，位移的增加幅度逐漸變小。另外巷道頂板、底板和兩幫的位移增加量和增速基本相等。

圖2 不同埋深下巷道表面位移曲線

2.3 不同埋深條件下巷道圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律

當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.2時，對于5 m×3 m的矩形巷道，不同埋深下，巷道圍巖的塑性區(qū)分布如圖3所示。埋深從150 m增加到200 m時，頂?shù)装逅苄詤^(qū)從0.3 m增加到0.8 m，兩幫塑性區(qū)基本沒變，在1.5 m左右；當(dāng)埋深從250 m增加到400 m時，頂?shù)装逅苄詤^(qū)從2.1 m增加到3 m，兩幫塑性區(qū)從1.7 m增加到2.2 m。因此，當(dāng)埋深≤200 m時，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍大于頂?shù)装逅苄詤^(qū)；當(dāng)埋深>200 m時，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍小于頂?shù)装逅苄詤^(qū)。隨著埋深的增加，自重應(yīng)力逐漸增加，巷道圍巖的塑性區(qū)分布更加均勻。

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖

3 側(cè)壓系數(shù)對弱膠結(jié)軟巖巷道變形失穩(wěn)規(guī)律影響

本次模擬的側(cè)壓系數(shù)共分為6種，分別為：0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6。此時巷道埋深取300 m。

3.1 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖變形特征

不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖表面的位移量如圖4所示。對于巷道頂板，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)變化時，圍巖最大位移量分別為45.60 mm、54.72 mm、70.88 mm、87.15 mm、107.57 mm、131.34 mm，位移增大量分別為9.12 mm、16.16 mm、16.27 mm、20.42 mm、23.77 mm，位移的增加幅度分別為20%、29.53%、22.95%、23.43%、22.10%；對于巷道底板，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)變化時，圍巖位移最大量分別為48.32 mm、57.47 mm、73.01 mm、92.01 mm、114.81 mm、142.46 mm，位移增大量分別為9.15 mm、15.54 mm、19 mm、22.8 mm、27.65 mm，位移的增加幅度分別為18.94%、27.04%、26.02%、24.78%、24.08%；對于巷道幫部，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)變化時，圍巖位移最大量分別為28.17 mm、36.14 mm、45.69 mm、56.03 mm、67.53 mm、80.40 mm，位移增大量分別為7.97 mm、9.55 mm、10.34 mm、11.5 mm、12.87 mm，位移的增加幅度分別為28.29%、26.43%、22.63%、20.52%、19.06%.即當(dāng)λ<1.2時，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道頂?shù)装逦灰圃黾臃认仍黾雍鬁p小，之后，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，位移增加幅度基本不變。對于巷道幫部，位移增加幅度隨著側(cè)壓系數(shù)的增大逐漸減小。

圖4 不同測壓系數(shù)下巷道表面位移曲線

3.2 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律

當(dāng)巷道埋深為300 m時，對于5 m×3 m的矩形巷道，不同側(cè)壓系數(shù)下，巷道圍巖的塑性區(qū)分布圖如圖5所示。分析可知，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)從0.6 m增加到0.8 m時，頂?shù)装逅苄詤^(qū)從0.4 m增加到1.4 m，兩幫塑性區(qū)大致保持在1.8 m左右；當(dāng)埋深從1.0 m增加到1.6 m時，頂?shù)装逅苄詤^(qū)從2.0 m增加到2.7 m，兩幫塑性區(qū)仍然在1.8 m左右。因此，當(dāng)λ<1.0時，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍大于頂?shù)装逅苄詤^(qū)；當(dāng)λ≥1.0時，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍小于頂?shù)装逅苄詤^(qū)。隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍逐漸增大，幫部塑性區(qū)基本保持不變，塑性區(qū)的分布從扁平狀變成瘦高狀。

4 弱膠結(jié)軟巖巷道控制技術(shù)的思考

采用增加支護(hù)強(qiáng)度、有效吸收變性能、及時進(jìn)行隔水加固的方法，來增加圍巖的強(qiáng)度，改善圍巖的力學(xué)環(huán)境，控制大變形。

1) 提高支護(hù)強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力越高，錨桿的支護(hù)應(yīng)力在圍巖中分布的越廣[11-12]，支護(hù)效果越好，因此采用高預(yù)應(yīng)力的錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)可以在圍巖中形成一個支護(hù)應(yīng)力耦合區(qū)，從而達(dá)到抑制圍巖大變形，減少巷道動力災(zāi)害的目的。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)分布

2) 適應(yīng)圍巖大變形，有效吸收變形能。該類巷道圍巖必須采用具備一定變形讓壓能力和支護(hù)強(qiáng)度的支護(hù)體，從而在支護(hù)體和圍巖之間形成一個穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性[13-14]。

3) 底板加固。隨著底板塑性區(qū)的延伸，巷道底角處的巖石會發(fā)生滑移，導(dǎo)致巷道幫部變形進(jìn)一步加大。而巷道幫部的變形加劇又會反過來影響底板的位移，形成一個惡性循環(huán)，使巷道圍巖處于一個極其不穩(wěn)定的狀態(tài)中。

4) 及時封閉隔水。弱膠結(jié)軟巖的顆粒中大多含有黏土礦物，在水的作用下容易膨脹，軟化甚至崩解，因此要及時進(jìn)行封閉隔水，保證圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

本文以某礦111801工作面為研究對象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對弱膠結(jié)軟巖巷道變形失穩(wěn)規(guī)律進(jìn)行研究，主要結(jié)論包括：

1) 弱膠結(jié)軟巖的變形破壞特征主要有圍巖自穩(wěn)時間短；圍巖變形大，速度快，持續(xù)時間長；圍巖遇水軟化甚至泥化；底鼓嚴(yán)重四個方面。

2) 埋深對弱膠結(jié)軟巖巷道變形失穩(wěn)規(guī)律的影響有：隨著埋深的增加，巷道圍巖位移增加量也逐漸增加，但變化很小，位移的增加幅度逐漸變小。當(dāng)埋深≤200 m時，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍大于頂?shù)装逅苄詤^(qū)，當(dāng)埋深>200 m時，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍小于頂?shù)装逅苄詤^(qū)。

3) 側(cè)壓系數(shù)對弱膠結(jié)軟巖巷道變形失穩(wěn)規(guī)律的影響有：當(dāng)λ<1.2時，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道頂?shù)装逦灰圃黾臃认仍黾雍鬁p小，之后基本保持不變。巷道幫部則逐漸減小。隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍逐漸增大，幫部塑性區(qū)基本保持不變，塑性區(qū)的分布從扁平狀變成瘦高狀。

4) 弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)要求主要有提高支護(hù)強(qiáng)度、適應(yīng)圍巖大變形、底板加固、及時封閉隔水四個方面。