復雜地質條件下巷道圍巖穩定控制與數值模擬研究

刁明富

（山東神能煤電投資有限公司，山東 肥城 271608）

復雜地質條件下巷道圍巖穩定控制與數值模擬研究

刁明富

（山東神能煤電投資有限公司，山東 肥城 271608）

在剖析復雜地質構造下巷道圍巖穩定影響因素的基礎上，對巷道圍巖穩定控制機理進行了探討，提出了支護方案的設計思路，并給出了兩種選擇方案。

復雜地質；穩定機理；探討；數值模擬

1 巷道概況

楊營煤礦3100采區水倉位于采區下部車場左側，位于泥巖、炭質泥巖和粉砂巖層位。水倉設計標高為-753m～-751m，附近有F8斷層帶及SDF13斷層，由于受附近斷層構造、沖刷邊界及埋深的影響，圍巖松軟破碎，屬于典型的軟巖巷道。另外，3100采區水倉與采區泵房、變電所及采區三條下山集中布置。

2 水倉圍巖穩定影響因素分析

（1）圍巖性質。根據地質資料知，3100采區水倉圍巖較破碎，含有大量的泥巖、砂質泥巖成分，強度較低，直接底為砂質泥巖，如果對水倉底板不采取有效的支護措施，當頂幫壓力傳遞到底板時，會容易導致底板產生過大的塑性變形而底鼓，進而會影響水倉頂幫的穩定；（2）應力環境。水倉形狀為直墻半圓拱，掘進斷面設計為12m2，巷道斷面較大，相應的圍巖松動圈就大。另外，水倉附近的一些輔助巷道，泵房、配水井、吸水井、變電所、變電所回風巷、管子道、3100軌道下山、膠帶下山、回風下山及聯絡巷等與之形成了復雜的巷硐群，水倉圍巖存在多重應力疊加，處于復雜的應力環境中。F8斷層帶及SDF13斷層的存在又會加大水倉圍巖與支護體的荷載和應力集中程度；（3）支護形式。水倉支護方案要保證支護結構有足夠的承載能力，確保靜動壓下的穩定，應盡可能采取主動支護措施，充分發揮圍巖的自承能力，大大提高支護結構的承載力和適應性。

3 水倉圍巖穩定控制分析

結合現場條件提出兩種支護方案：

方案Ⅰ：一次錨網噴+二次混凝土砌碹支護。其中，錨桿采用高強預應力錨桿，規格為Φ20×2100mm，間排距為700mm×700mm；初噴厚度為100mm；混凝土碹體厚度為300mm，水泥標號為C30；底板混凝土澆筑400mm。

方案Ⅱ：一次錨網索噴+二次錨網索噴+底板鋼梁澆注支護。其中，一次支護時：錨桿規格為Φ20×2400mm高強預應力錨桿，間排距為800mm×800mm；錨索規格為Φ17.8×6300mm，間排距為1600mm×1600mm；噴漿厚度150mm。二次支護時：錨桿規格為Φ20×2400mm等強錨桿，間排距為1000mm×1000mm；錨索規格為Φ17.8×6300mm，間排距為2000mm×1000mm。底板打設規格為Φ20×2000mm等強錨桿，間排距為1000mm×1000mm；底梁由11#工字鋼加工而成。

4 數值模擬

為了深入了解水倉圍巖的變形情況，應用FLAC3D數值分析軟件對上述兩種方案支護狀態下巷道的變形情況進行了模擬。本構模型采用Column-mohr模型，平面應變模型（寬×長×厚=60m×60m×1m）。邊界條件：左右邊界水平約束，上邊界承受豎直應力19.75MPa，水平內力為19.75MPa（側壓系數λ設為1），底邊界為水平和豎直方向約束，模型前后方向為水平約束。

4.1 圍巖位移

通過對上述兩種支護方案的模擬，從圍巖位移等值線云圖可以看出：方案Ⅱ與方案Ⅰ相比，巷道底鼓量有明顯降低，且頂幫位移量有所減少，位移梯度有所增加；從等值線整體分布情況來看，方案Ⅱ支護狀態下圍巖位移等值線分布較平滑，特別是巷道底板附近，這說明方案Ⅱ與方案Ⅰ相比巷道圍巖受力均勻，應力集中程度較小。

方案Ⅱ支護狀態下，水倉頂板下沉量為148.2mm，底鼓量155.2mm，幫部（單側）移近量為115.6mm。這充分說明應用方案Ⅱ支護結構后，水倉圍巖的承載能力增強，圍巖尤其是巷道底板的強度得到了較好強化，理論上方案Ⅱ能夠滿足水倉圍巖變形控制要求。

4.2 圍巖應力與塑性區分布

最大主應力σmax峰值和最小主應力σmin分布是巷道圍巖完整性的重要指標，主應力峰值離巷道表面距離越遠，說明巷道圍巖的松動范圍越大。從主應力分布云圖可以看出，方案Ⅱ與方案Ⅰ相比圍巖的主應力峰值更接近巷道表面。

為了更加直觀地反映圍巖主應力的分布情況，同樣在巷道頂板、底板和右幫分別設置測線，并提取相關數據繪制位移曲線。

兩種支護狀態下拱頂測線最大主應力σmax的位置：方案Ⅰ支護狀態下，25.83MPa，距巷道表面1.22m；方案Ⅱ支護狀態下，24.93MPa，距巷道表面1.13m；這說明隨支護能力的提高，圍巖最大主應力σmax峰值向巷道表面移動。兩種支護狀態下底板測線最大主應力σmax的位置：方案Ⅰ支護狀態下，26.16MPa，距巷道表面3.73m；方案Ⅱ支護狀態下，26.53MPa，距巷道表面3.21m；方案Ⅱ與方案Ⅰ相比圍巖最大主應力σmax峰值向巷道表面移動了0.52m，有效控制了底板的變形。兩種支護狀態下右幫測線最大主應力σmax的位置：方案Ⅰ支護狀態下，27.18MPa，距巷道表面1.67m；方案Ⅱ支護狀態下，27.57MPa，距巷道表面1.90m；兩種支護方案下，巷道幫部的應力分布基本一致。

方案Ⅱ與方案Ⅰ相比圍巖最小主應力σmin從巷道周邊到圍巖深部都有所增大，這表明方案Ⅱ支護狀態下巷道圍巖受力更加均勻、合理，其巷道周邊塑性區范圍尤其是底板大幅度減小。

綜上，方案Ⅰ不能有效地控制采區水倉圍巖的位移和塑性區的分布范圍，特別是底板無任何加固措施，會導致底板變形嚴重，影響水倉的正常使用；方案Ⅱ這種主動支護方式可以充分發揮圍巖的自承能力，有效控制頂幫圍巖，底板鋼梁加錨桿支護降低了硐室的底鼓程度。

5 工程應用效果

根據分析，選定方案Ⅱ作為采區水倉支護方案并在現場應用。為了掌握水倉圍巖的變形情況，采用十字交叉法對水倉變形進行了監測，根據現場監測記錄，在斷面收斂測試期（3個月）內，兩幫收斂量為180mm，頂底板收斂量為200mm，巷道斷面收斂率為10.9％，巷道圍巖整體變形量不大。在支護完成第80天左右，巷道變形基本趨于穩定，日收斂速率平均為0.05mm/d，支護效果良好。

6 結論

聯合支護、綜合治理是軟巖巷道支護的基本原則，要通過支護結構改善水倉圍巖的力學性能，充分發揮圍巖的自承能力，促進圍巖穩定，實現主動支護。結合楊營煤礦3100采區水倉現場條件，應用“一次錨網索噴+二次錨網索噴+底板鋼梁澆注”支護方式，實現了巷道的穩定。

[1]韋四江，馬建宏，李小軍.返修大斷面硐室加固及數值模擬研究[J].采礦與安全工程學報，2009,26(2)：217-224。

刁明富(1961-)，男，畢業于山東科技大學采礦工程專業，現從事采礦技術工作。