基于FLAC3D分析的巷道“固幫頂控底鼓”支護方案

鄭選榮

(西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054)

基于FLAC3D分析的巷道“固幫頂控底鼓”支護方案

鄭選榮

(西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054)

甘肅魏家地煤礦二號石門受到構造應力和采動應力影響，從而產生破壞，具體表現為頂板下沉量大，兩幫位移大，底鼓嚴重。經過多次返修支護，變形破壞現象嚴重，已經影響到安全生產。根據地質分析情況和以往支護返修情況，結合查閱已有的相關資料，使用FLAC3D數值模擬軟件建立模型，對提出的通過加固巷道頂板和兩幫從而減小底板底鼓的方案安全性進行了計算。計算結果表明，采用該方案進行支護后，巷道的幫部和頂部變形以及底鼓現象均得到了有效控制。現場監測結果表明：特別是對于軟弱圍巖巷道來講，通過加強幫部和頂部的支護強度，可以在一定程度上間接控制巷道的底鼓現象。該支護方案合理可行，滿足了該巷道的安全。

底鼓 FLAC 數值模擬 加固 現場監測 安全

我國豐富的煤炭資源有相當一部分都是埋藏在1 000 m以下[1-2]。在深部開采以及對特殊巖層賦存煤層的開采時，由于巷道所處的巖層巖體性質大多具有軟巖性質，應力伴隨著開采深度的增大隨之增大，巷道頂板下沉，兩幫收斂，尤其是巷道底鼓問題日趨突出，嚴重威脅煤礦的正常生產。實際上，巷道是由頂板、兩幫、底板組成的復合結構體，結構的各部分在礦山壓力作用下受力狀態不同，其圍巖性質也存在較大差異[3-5]，因而巷道頂、幫、底的穩定狀態存在明顯的差異性，且相互影響。

1 工程概況

1.1 現狀描述

魏家地煤礦是甘肅靖遠煤業集團有限責任公司下屬的6個煤礦之一，是國家“九五”期間重點建設的國有礦井。該礦為改建礦井，前期的采區集中布置，同時地表的丘陵地貌使得長期巷道埋設在600～650 m之間，屬于深部高應力巖體范疇。整個礦區主要開采的是一、三層煤，受2#褶皺向斜構造影響，三層煤從整個一采區的二號石門運輸大巷穿過(圖1)；一層煤內(上面)其他工作面的開采對二號石門產生采動影響，停采線留設的不合理導致二號石門應力過大，這些因素使得一號、二號石門經常返修維護，嚴重制約著煤礦的安全、正常生產。

圖1 煤層與巷道關系

根據二號石門和三層煤的相交情況，將該石門分為全巖、上煤下巖、全煤、上巖下煤4大段。自1989年該礦井建成投產以來，受各種因素影響，巷道不斷發生破壞。其中全巖段由于圍巖較為良好，變形相對較輕。最嚴重的上巖下煤段和全煤段斷面由原來的9 m2縮小為2～3 m2(見圖2，虛線為原有斷面輪廓，實線為破壞后現狀斷面輪廓)。具體表現為：①四面來壓，巷道斷面變小，全段斷面大小不一；②頂板下沉量大，底鼓嚴重；③巷道兩幫緊縮，底板發生大幅度底鼓現象，尤其是底鼓現象體現的最為明顯。針對該二號石門已經采取過擴大巷道斷面、U型鋼+噴護、加固底板等多種方式進行返修，然而效果不太明顯，底鼓現象依然得不到有效控制，基本上2個月就需要臥底一次，造成很大的工本浪費，且嚴重影響了煤礦正常生產。這就亟需研究如何才能有效控制該巷道的變形，尤其是底鼓。

圖2 二號石門圍巖變形示意

1.2 問題解決思路

巷道變形嚴重，究其原因，由于該巷道穿過地層的地質構造非常復雜，圍巖應力復雜，而且還存在大量的開采應力影響，同時經過多次返修，已經嚴重破壞了巷道圍巖的完整性。巖層的結構弱面控制了巖體抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、滲透系數等巷道圍巖的物理力學參數，圍巖抵抗外界破壞的能力和自承能力大幅度降低，使巷道支護體系要承受更大的外力(礦山壓力)作用，因此，更易引發巷道變形破壞。

無論是擴大巷道的荒斷面，還是加固底板，都屬于治標不治本，不能從根本上解決或者減輕巷道變形。中國礦業大學的李學華老師曾經利用數值模擬方法研究得出，加強頂板強度和穩定性可以在一定程度上減輕底板底鼓現象。當頂板強度較大時,承載能力較高，巷道兩幫的垂直集中應力被傳遞到深部圍巖，從而降低了巷道兩幫底板承受的垂直應力；而水平應力是巷道底鼓的主要原因,當頂板巖層強度較大時,水平應力向頂板集中，相應地對底板巖層起到了一定的讓壓作用,即可保護作用[6]。湖南科技大學的王衛軍教授也通過數值模擬方法得出巷道兩幫圍巖強度和底板底鼓量成正增長關系，即兩幫圍巖強度和變形程度對巷道底板底鼓產生重要影響；巷道兩幫圍巖強度越大，則相應的底板鼓起范圍和程度都會減小很多[7]。

據此，針對本項目本研究提出采取同時提高巷道頂板和兩幫強度的方法來減小巷道變形，從而達到控制巷道底鼓的目的。

2 支護方案設計與評價

2.1 支護方案設計

根據“長板理論，短板效應”的“木桶效應”，設計方案以圍巖最弱的全煤段為例來進行。鑒于全巖段、上巖下煤段、上煤下巖段的巷道圍巖、圍巖穩定性相對稍好，支護參數按照施工經驗微弱于其他區段即可。

由于受構造應力、返修施工擾動、采動等因素影響，巷道圍巖已經在內部甚至深部發生破碎，呈現復雜軟巖巷道破壞特征，故在確定支護方案時要遵守“柔、讓、支、限”的原則，加強耦合支護。決定首先對荒斷面圍巖進行錨固，通過錨固(淺部錨桿+深部錨索耦合作用)，將圍巖擠密壓緊，縮小深部縫隙；再通過注漿，使圍巖黏結成一個相對整體，從而提高物理力學參數。

按照礦方要求，巷道斷面設計為直墻拱形狀，直墻高1.3 m，巷道寬6.0 m。

2.1.1 錨桿設計

錨桿參數借助于圍巖塑性區半徑計算公式來設計。中國礦業大學的陸銀龍研究提出，黏聚力受巖石軟化程度影響可降低一半多，而內摩擦角則變化很小[8]。因此，塑性區半徑采取修正后的公式進行計算。

(1)

式中,R0為塑性區半徑；r0為開采硐室半徑；取為二號石門荒斷面半徑3 m；σ0為上覆巖層應力，取為13.2 MPa；σa為支護阻力，考慮到巷道破壞嚴重且返修，可取為0；c*為修正后的巖體黏聚力，取為2.24 MPa，修正系數取為0.8；φ為巖體內摩擦角，取為28°。可得塑性區半徑 為4.65 m。

錨桿長度L、直徑d、間(排)距M根據式(2)計算。

M=0.4L,d=L/110,

(2)

式中,N為安全系數，由于未考慮采動影響，取為1.2;R為巷道斷面外接圓半徑，計算為3.2 m。同時考慮施工方便，則有錨桿長度為2.6 m，直徑20 mm，間(排)距0.7 m，材料為φ20 mm圓鋼。

2.1.2 錨索設計

錨索主要是對錨桿起到一個補強作用，將錨桿緊固地錨固到頂板深部，使頂板壓力通過巷道幫部向深部轉移。根據鉆孔窺視儀窺探結果可知，全煤段的圍巖松動圈維持在5.5 m左右，考慮1.2倍的安全系數，錨索長度取為7.0 m。

錨索間排距考慮錨桿布置,取錨索間距為1.9 m,排距取2排錨桿間距1.4 m，材料為15.24 mm鋼絞線。

2.1.3 錨注參數

采用工程類比法并結合現場實際情況，計劃采用普通硅酸鹽水泥加水玻璃漿液,水泥采用425號普通硅酸鹽水泥,水玻璃的用量為水泥用量的3%～5%，漿液水灰比為0.7∶1，最大注漿壓力3.0 MPa。

注漿管采用φ25 mm×2 800 mm的無縫鋼管，桿體上間隔100 mm，呈90°錯開設置注漿口。

考慮到支護原則中的“柔、讓”原則，在二襯背后填充200 mm厚的砂石料拌硅酸鹽水泥作為讓壓緩沖層。借鑒類似工程經驗，二襯支護選擇HRB335雙層掛網片，厚300 mmC30型鋼(U25)混凝土。

2.2 支護方案評價

本次方案和以前方案的不同點在于，除了常規的支護措施外，著重加強了頂板和兩幫的加固。為了驗證方案對底板膨脹控制的有效性，需要進行數值模擬預測分析。

本次數值模擬軟件采用FLAC3D，該軟件主要適用于地質和巖土工程的力學分析，特別適合模擬大變形和扭曲。可以追蹤材料的漸進破壞和垮落，這對研究工程地質問題非常重要。模型左右兩側及下邊界選取遠大于洞徑，故采用法向約束；上部邊界以上的巖層作為外載荷施加在模型的上邊界，上部邊界不約束，為自由邊界。

2.2.1 模型建立

選取模型尺寸為60 m×32 m×25 m，見圖3。模型四周采取法向約束，底部采取固端約束。并在3 m處和15 m處各設置1個監測斷面。圍巖物理參數見表1。

(a)模型圍巖分布

(b)支護構件單元

表1 圍巖物理參數

2.2.2 計算結果

數值模擬計算采取了一定的簡化處理手段，和現場實際情況可能會有一定的差別。但從圖4的云圖變形趨勢和表2計算的數據可以看出來，經過錨桿加固并經錨索補強支護之后，無論是巷道的頂板下沉還是巷道兩幫的收斂，都沒有過分變形，說明支護參數可靠有效。尤為明顯的是，在加固頂板和巷道兩幫的圍巖后，巷道的底板底鼓現象變得不甚明顯，得到了有效控制。研究建議的“固幫頂控底鼓”方案是可行的。

3 現場施工及監測結果

3.1 現場施工注意事項

(a)巷道水平位移

(b)巷道豎向位移

表2 巷道圍巖計算位移一覽

說明：聯合支護的監測位移是在荒斷面錨噴計算完畢并數據清零的基礎上統計的。

經過數值計算驗證，現場決定按照前述的支護參數來展開巷道施工。在施工中，要注意以下事項：①所有施工用料質量必須符合國家質量標準要求；②堅持小進尺，及時支，勤觀察，根據現場情況動態調整施工措施；③錨桿間排距誤差不大于50 mm，錨索排距誤差不大于100 mm；④保證鋼筋網的搭接強度和搭接質量；⑤注漿工作密切注意兩幫必須注實，對注漿效果差，圍巖仍破碎段實施二次注漿；⑥對已完成支護的巷道進行現場監測，以便正確判斷巷道支護的穩定性和可靠性。

3.2 現場監測

現場監測是用來檢驗支護效果，評價巷道穩定性，從而保證安全生產的重要手段。通過監測，可以全面考察巷道的工作狀態，掌握其圍巖的變形規律，以確定巷道的穩定程度，發生警戒情況時及時采取有效補救措施。本次監測主要含有以下幾組監測項目：①頂板下沉，兩幫收斂和底鼓；②頂板離層和錨索受力；③錨桿受力和型鋼混凝土受力。

由于全巖段相對穩定性較好，施工中未設置監測斷面。在上巖下煤段、全煤段和上煤下巖段各設置一個包含全部監測項目的綜合監測斷面。

鑒于本項目研究目的主要是控制底鼓變形，故著重監測第一組監測項目。測點布置見圖5。

圖5 監測斷面示意

3.3 監測結果

由于施工中上煤下巖段的監測斷面受到破壞，數據不完整，故僅分析監測1#斷面(上巖下煤段)和監測2#斷面(全煤段)。

圖6 監測數據變化曲線

通過圖6的監測斷面頂板下沉和兩幫收斂數據可以看出，在開挖支護完成后50 d的這段時間內，1#、2#監測斷面的頂板下沉量累計分別為15.5 mm和20.3 mm，兩幫收斂量累計分別為8.3 mm和13.5 mm；底板底鼓量累計分別為15 mm和18 mm；全煤段由于圍巖性質稍差，較其他段的位移偏大。但總體來看，圍巖位移變化量不是很大，該二號石門支護后的圍巖穩定性較好。而在此后的10～15 d之間，由于地質來壓，無論是頂板下沉、兩幫收斂還是底鼓都有稍微的鋸齒狀變化，這屬于正常現象。值得一提的是，經過加固巷道頂板和兩幫，對巷道的底板底鼓現象確實有了很大的改觀，小于20 mm，這并不影響巷道安全通行。

4 結 論

(1)復雜影響條件下的煤礦巷道容易出現頂板下沉量大，兩幫位移大，底鼓嚴重的現象。三者之間互相影響，需要展開綜合治理，耦合支護。

(2)結合FLAC3D數值模擬計算結果，提出的通過加固巷道頂板和巷道兩幫，從而間接控制底板底鼓的支護方案是可行的。

(3)現場監測表明，在“固頂幫控底鼓”支護方案作用下，二號石門圍巖變形基本上趨于穩定，底鼓現象得到有效控制。表明采取該設計可以有效保證巷道安全通行。

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(責任編輯 石海林)

Supporting Program of “Strengthening Roof and Sides to Control Floor Heave” for Tunnel based on FLAC3DAnalysis

Zheng Xuanrong

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,Xi'anUniversityofScienceandTechnology,Xi'an710054,China)

The tunnel named 2#cross-hole of Weijiadi coal mine in Gansu province influenced by both of tectonic stress and mining-induced stress is damaged,which shows as large roof subsidence,huge two-side wall displacement and serious floor heave.After repairing for many times,the damaged support has influenced the production and the safety.By the numerical simulation software FLAC3D,based on the analysis of the geological condition and the previous repairing supporting and referring to the pre-existing relative information,one model of the supporting program is built to calculate the safety of the supporting program that is to control floor heave by strengthening roof and sides of the tunnel.The calculation results indicate that the deformation of roof and sides and the floor heave are controlled effectively with the supporting program.The field monitoring results showed that for the soft rock tunnel,the supporting program of strengthening the intensity of roof and sides of the tunnel can control the floor heave in some way.This supporting program is reasonable and feasible,and can meet the requirement of the tunnel safety.

Floor heave,FLAC,Numerical simulation,Strengthening,Field monitoring,Safety

2014-05-23

鄭選榮(1974—)，男，講師，博士。

TD322

A

1001-1250(2014)-08-120-05