深部埋深巷道變形特征數(shù)值模擬研究

高 瑞，吳志國，寧掌玄，楊東輝，楊伯虎，趙 凱

(1.山西大同大學 煤炭工程學院， 山西 大同 037000；2.烏海市海勃灣區(qū)能源綜合行政執(zhí)法大隊， 內(nèi)蒙古 烏海 016000)

隨著我國淺部煤炭資源的消耗殆盡，井工煤礦開采深度逐年增加。根據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，我國對地下探明的煤炭貯藏層的開采深度以8～12 m/a增加[1]. 隨著開采深度的增加，軟巖巷道表現(xiàn)出高地應力、高瓦斯、強流變及復雜的非線性軟巖力學特征。同時深部軟巖巷道圍巖自身主要由膨脹性黏土礦物組成，其結(jié)構(gòu)強度低、易膨脹變形。基于上述兩點,深部軟巖巷道的支護對目前支護理論及支護設備提出了新的挑戰(zhàn)。

近年來針對深部煤層軟巖巷道的支護和變形特征，眾多學者開展了大量有意義的研究。孟慶斌等[2]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法揭示了深井軟巖巷道群掘進擾動效應。楊建軍等[3]結(jié)合紅慶梁煤礦工程實例采用MIDAS嵌入HKN蠕變模型揭示了軟巖巷道滲流-流變特性。王文利等[4]采用工程地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值仿真、室內(nèi)實驗和理論分析的方法，分析了胡底礦盤區(qū)泵房底鼓變形的原因，提出了深部高應力富水軟巖巷道底鼓機理及控制技術。江成玉、范育青等[5-6]采用X射線、電鏡掃描、巖石力學物理實驗和現(xiàn)場監(jiān)測的方法，揭示了西部弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖變形破壞失穩(wěn)機理。軟巖巷道的應力、應變特征隨埋深的變化而變化，若采用現(xiàn)場實測方法監(jiān)測軟巖巷道在不同埋深下的變形工程量大。因此本文以山西某礦為研究對象，采用FLAC3D軟件分析該礦在不同埋深下的應力分布及塑性區(qū)破壞規(guī)律。

1 工程背景及軟巖巷道彈塑性分區(qū)

山西某礦礦井巷道埋深600 m，巷道上覆巖層由上至下依次為粉砂巖、泥巖、己15煤、石灰?guī)r、細砂巖。其中粉砂巖平均厚度7.0 m、泥巖平均厚度5.0 m、己15煤平均厚度3.0 m、石灰?guī)r平均厚度4.0 m、細砂巖平均厚度6.0 m，巷道開挖過程中采用d20 mm×2.4 m的錨桿，d21.6 mm的錨索，間排距1.2 m，錨桿、錨索聯(lián)合支護的方式。通過FLAC3D軟件模擬分析該礦在不同埋深(600 m、800 m、1 000 m、1 200 m)下的巷道應力分布、塑性區(qū)的破壞特征。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

選用有限元差分軟件FLAC3D進行建模分析，模型長60 m×寬60 m×高50 m，巷道位于模型中間，尺寸為4 m×3 m，共劃分366 000個網(wǎng)格。巷道采用d20 mm、長度2.4 m的錨桿，d21.6 mm的錨索間排距1.2 m進行支護。在模型表面分別施加不同的垂直應力模擬上覆巖層的自重(垂直應力依次為15.6 MPa、20.8 MPa、26 MPa、31.2 MPa),模型選用摩爾-庫倫強度準則進行計算。數(shù)值計算模型和巷道支護方案見圖1，2. 數(shù)值計算模型相關力學參數(shù)見表1.

圖1 數(shù)值計算模型圖

圖2 巷道支護方案圖

表1 數(shù)值計算模型相關力學參數(shù)表

2.2 不同埋深巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

該礦井埋深較深，采用劉剛等[7]提出的圍巖松動圈理論計算方法，根據(jù)不同厚度、不同圍巖碎脹變形量，把開挖后的圍巖分為小松動圈、中松動圈、大松動圈3類，當大松動圈圍巖厚度值LP>150 cm時，圍巖表現(xiàn)出軟巖特性。圍巖初期收斂變形快、持續(xù)時間長、巷道礦壓顯現(xiàn)強、支護難度大。深部軟巖巷道圍巖彈塑性分區(qū)示意圖見圖3. 不同埋深圍巖的塑性區(qū)分布特征見圖4.

圖3 深部軟巖巷道圍巖彈塑性分區(qū)示意圖

圖4 不同埋深圍巖的塑性區(qū)分布特征圖

不同埋深下的巷道圍巖塑性區(qū)變化共同點為:塑性區(qū)拉伸、剪切破壞區(qū)域沿巷道開挖中心線呈近似對稱分布，巷道頂部的塑性區(qū)破壞范圍要大于兩幫的塑性區(qū)范圍。當巷道埋深由600 m增加至1 000 m時，巷道頂部、兩幫剪切、拉伸破壞的區(qū)域呈線性增長。當巷道埋深由1 000 m增加至1 200 m時，巷道頂部、兩幫剪切、拉伸破壞區(qū)域呈指數(shù)級增長。巷道頂部發(fā)生剪切、拉伸破壞的區(qū)域半徑增加了151%，巷道圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)破壞嚴重。

2.3 不同埋深巷道圍巖垂直應力分布特征

不同埋深巷道圍巖垂直應力分布見圖5.

圖5 不同埋深圍巖垂直應力分布特征圖

不同埋深下的巷道圍巖垂直應力分布特征為：當埋深在600～1 000 m時，巷道圍巖垂直應力主要集中在巷道的兩側(cè)，垂直應力邊界線為巷道寬度的1～2倍。當埋深為600 m時巷道兩側(cè)的垂直應力是16 MPa，當埋深為800 m時巷道兩側(cè)的垂直應力數(shù)值是20 MPa，當埋深由800 m增加到1 000 m時巷道兩側(cè)的垂直應力數(shù)值是27.5 MPa，當埋深為1 200 m時巷道兩側(cè)的垂直應力數(shù)值是30 MPa,當巷道埋深在600 ～1 000 m時，巷道圍巖兩側(cè)垂直應力增幅最大為37.5%. 依據(jù)何滿朝院士提出的“關鍵部位耦合支護理論”[8]，此時巷道頂板的肩窩處易先發(fā)生裂隙、破壞，需重點加強支護。

2.4 不同埋深巷道圍巖水平應力分布特征

不同埋深巷道圍巖水平應力分布見圖6.

圖6 不同埋深圍巖水平應力分布特征圖

不同埋深下的巷道圍巖水平應力分布特征為：當埋深為600 m時巷道水平應力為3.75 MPa，當埋深為800 m時巷道水平應力為5.0 MPa，當埋深為1 000 m時巷道水平應力為7.0 MPa，當埋深為1 200 m時巷道水平應力為10 MPa. 巷道圍巖水平應力主要集中在巷道的兩側(cè)及頂板處，水平應力分布區(qū)域為巷寬的2～3倍。

3 結(jié) 論

1) 當埋深在600～1 000 m時塑性區(qū)的破壞呈線性增長，埋深由1 000 m增加到1 200 m時巷道圍巖塑性區(qū)的破壞呈指數(shù)級增長。巷道頂部剪切、拉伸破壞區(qū)域半徑增加了151%，巷道圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)破壞嚴重。

2) 隨著埋深的增加深部軟巖巷道圍巖水平應力區(qū)域逐漸增大，加強巷道兩側(cè)的支護強度可以減少巷道底板的應力集中，幫部的強化對巷道底板的應力集中具有較好的抑制作用。

3) 巷道垂直應力隨埋深的增加呈近似線性增加，當巷道埋深超過600 m時，巷道圍巖垂直應力驟增，巷道圍巖垂直應力明顯集中。此時軟巖巷道頂板的肩窩處等“關鍵部位”需重點支護。

Numerical Simulation Research on Deformation Characteristics of Deep Buried Roadway

GAO Rui, WU Zhiguo, NING Zhangxuan, YANG Donghui, YANG Bohu, ZHAO Kai

AbstractThe stress distribution of deep roadway has important reference value for the determination of roadway support scheme and the stability of surrounding rock. The distribution characteristics of vertical stress, horizontal stress and plastic zone on surrounding rock of roadway with different burial depths were analyzed by FLAC3D numerical simulation. The results show that the vertical stress of the surrounding rock of the roadway is approximately symmetrical along the excavation center line of the roadway, and the vertical stress increases with the increase of the burial depth. With the increase of buried depth, the radius of plastic zone in which shear and tensile failure occurs in roadway roof increases by 151%.The stress concentration of roadway floor can be reduced by increasing the support strength of both sides, and the strengthening of the side has a good restraining effect on the stress concentration of the roadway.

KeywordsDeep soft rock roadway; Buried depth; Stress distribution; Plastic zone; Deformation of surrounding rock on roadway