深部高應力巷道圍巖穩定性分析

王保龍

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司寺河煤礦，山西晉城048200）

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深部高應力巷道圍巖穩定性分析

王保龍

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司寺河煤礦，山西晉城048200）

摘要：通過對深部巷道圍巖穩定性進行數值模擬分析，得出：巷道斷面形狀、支護形式、巖層結構面、地應力對巷道圍巖變形影響較大。改善圍巖特性、支護斷面和支護形式等可以改變巷道圍巖的穩定性。

關鍵詞：深部開采；高地應力；圍巖穩定性；數值模擬

我國煤礦開采深度以每年8 m～12 m的速度增加，部分煤礦的開采深度已經超過1 000 m，有的甚至達到1 400 m。在深部高應力環境中，巷道圍巖的控制變得比較困難，圍巖長期變形不止，圍巖的變形主要受到圍巖性質、巷道埋深、地應力、地質水文等因素的影響，同時也受到了巷道支護斷面、支護形式、采動的影響，且各種因素相互作用，相互影響，最終導致巷道不穩定[1-3]。

目前，許多學者[4-5]在工程實踐中不斷探索，發現了巷道圍巖變形的基本規律，認識到了支架與圍巖的共同作用原理，還有學者對巷道開挖后圍巖破壞進行了研究，提出了松動圈理論，同時也開發出了不同形式的支護材料，不同程度上解決了部分巷道的支護問題，但是對于高地應力巷道的圍巖控制，目前還沒有合適的支護形式，主要是由于深部圍巖系統比較復雜。因此，對深部巷道圍巖穩定性控制技術進行研究就顯得非常重要。

1　深部高應力巷道穩定性數值模擬

模擬對象為某煤礦運輸巷，該巷埋深約1 107 m～1 207 m。最大水平主應力為32.6 MPa，方向為N12.5°E；最小水平主應力為16.89 MPa，垂直主應力為30.24 MPa。巷道圍巖巖性及力學參數如表1所示。

表1　巷道圍巖力學參數表

1.1不同斷面形狀對巷道圍巖變形的影響

在無支護情況下，梯形斷面巷道變形如圖1所示，頂板最大變形達到68 mm。

在無支護情況下，直墻半圓拱形斷面巷道變形如圖2所示。與梯形斷面變形相比，由于巷道拱形部分切割了直接頂，導致直接頂暴露部分變形增加，超過了梯形斷面巷道變形，最大變形達到77 mm；頂板粗砂巖暴露位置變形減少，其它位置變形大致相當。

在無支護情況下，矩形斷面巷道變形如圖3所示。與梯形斷面變形相比，由于巷道頂板部分切割了直接頂，導致直接頂暴露部分變形增加，超過了梯形斷面巷道變形，最大變形達到76 mm；頂板粗砂巖暴露位置變形減少，其它位置變形大致相當。

圖1　梯形斷面巷道變形

圖2　直墻半圓拱形巷道變形

圖3　矩形巷道變形

1.2不同巖層強度對圍巖變形的影響

在無支護情況下，改變巷道圍巖強度，分三個等級進行模擬。模擬結果顯示，隨著圍巖強度提高，巷道變形顯著減少。

在硬煤和直接頂、無支護情況下，巷道變形見圖4。與中等強度煤和頂板相比，巷道整體變形大大降低，最大變形為37 mm。

在中等煤和直接頂、無支護情況下，巷道變形見圖5，頂板最大變形達到68 mm。

在軟煤和直接頂、無支護情況下，巷道變形見圖6。與中等強度煤和頂板相比，巷道整體變形有較大增加，最大變形為98 mm。

圖4　硬煤和直接頂時圍巖變形

圖5　中等煤和直接頂時圍巖變形

圖6　軟煤和直接頂時圍巖變形

1.3不同巖層結構面

在無支護情況下，改變分層節理面強度，分強、中、弱三個等級進行模擬。模擬結果顯示，隨著節理面強度達到一定程度，再提高節理面強度，對巷道變形基本沒有影響；但是降低節理面強度，可以使巷道變形顯著增加。

在硬巖層結構面、無支護情況下，巷道變形見圖7。與中等巖層結構面相比，巷道變形大致相同，頂板最大變形達到68 mm。

在中等巖層結構面、無支護情況下，巷道變形見圖8，頂板最大變形達到68 mm。

在軟巖層結構面、無支護情況下，巷道變形見圖9。與中等巖層結構面相比，巷道變形急劇增大，頂板最大變形達到365 mm。模擬結果表明煤層上部0.7 m的直接頂和煤層下部0.5 m粘土巖對結構面強度變弱十分敏感。

圖7　硬巖層結構面巷道變形

圖8　中等巖層結構面巷道變形

圖9　軟巖層結構面巷道變形

1.4不同地應力

在無支護情況下，保持其它地質力學參數不變，僅改變地應力大小，分高、中、低三個等級進行模擬。模擬結果顯示，隨著地應力水平增大，巷道變形顯著增加；隨著地應力水平降低，巷道變形顯著減少。

在高地應力、無支護情況下，巷道變形見圖10。與中等地應力情況相比，巷道變形大大增加，最大變形達到99 mm。

在中等地應力、無支護情況下，巷道變形見圖11，巷道最大變形達到68 mm。

在低地應力、無支護情況下，巷道變形見圖12。與中等地應力情況相比，巷道變形大大減少，最大變形為40 mm。

圖10　高地應力巷道變形

圖11　中等地應力巷道變形

圖12　低地應力巷道變形

1.5不同支護形式的巷道圍巖變形

在保持其它地質力學參數不變情況下，僅改變支護方式，分無支護、強力錨桿支護和普通錨桿支護進行模擬。模擬結果顯示，兩種支護方式都能從一定程度上限制巷道變形。就限制巷道變形效果而言，強力錨桿支護明顯好于普通錨桿支護。

在無支護情況下，梯形斷面巷道變形見圖13，頂板最大變形達到68 mm。

采用強力錨桿支護時，巷道變形見圖14。與無支護相比，巷道變形有明顯的減少，巷道最大變形降低為61 mm。

采用普通錨桿支護時，巷道變形見圖15。與無支護相比，巷道變形有明顯的減少，巷道最大變形降低為63 mm。

圖13　無支護巷道圍巖變形

圖14　強力錨桿支護巷道圍巖變形

圖15　普通錨桿支護巷道圍巖變形

2　深部巷道圍巖變形與破壞機理分析

深部巷道圍巖變形與破壞主要受三方面的因素影響：其一是巷道圍巖地質條件，包括煤巖體物理力學性質，地質構造及節理、裂隙發育程度；其二是巷道工程賦存環境，主要包括應力環境、地下水環境和溫度環境；三是巷道施工因素，包括巷道類型，巷道斷面形狀與尺寸，巷道開挖方式，以及巷道支護形式、支護參數和支護時機等。

在巷道圍巖地質條件中，煤巖體的強度與變形特征，圍巖內結構面形式、結構面分布、結構面力學參數，是影響深部巷道圍巖變形與破壞的重要因素。在結構面比較發育的圍巖中，結構面是最關鍵的影響因素。

在巷道工程環境中，高應力環境是深部巷道變形與破壞的根本原因。深部巷道圍巖的應力場不僅取決于原巖應力，而且還與采動應力環境密切相關。即巷道圍巖應力環境是原巖應力與采動應力疊加后的應力環境。

在巷道施工因素方面，通過優化巷道斷面形狀與尺寸，進行合理的巷道支護形式與參數設計，是保持巷道圍巖穩定性與安全性的主要手段。

3　結論

1）在深井高應力回采巷道中采用不同的支護形式和支護斷面對圍巖變形影響很大，強力錨桿支護控制圍巖效果較好，由于梯形支護未切割直接頂，采用梯形支護斷面巷道變形較小。

2）圍巖強度是影響圍巖變形和破壞的關鍵參數。隨著巖層強度降低，圍巖變形大大增加，特別是頂底板巖層較軟時，巷道變形急劇增加。

3）結構面強度也是影響圍巖變形和破壞的關鍵參數。隨著結構面強度降低，結構面剪切滑動加劇，圍巖變形大大增加。特別是煤巷直接頂和直接底對結構面強度變弱十分敏感。

4）隨著地應力水平的降低，圍巖變形顯著降低；當地應力小到一定程度，巷道變形變得很小。地應力大小對巷道圍巖變形和穩定性影響非常顯著。

參考文獻：

[1]康紅普，王金華，林健.高預應力強力支護系統及其在深部巷道中的應用[J].煤炭學報，2007，32（12）：1234- 1238．

[2]賀永年，韓立軍，邵鵬，等.深部巷道穩定的若干巖石力學問題[J].巖石力學與工程學報，2006，35（3）：288- 295．

[3]何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（16）：2803- 2813．

[4]孔祥義，高波，焦洪斌.軟巖巷道聯合支護方式在生產中的應用[J].遼寧工程技術大學學報，2003（22）：33 - 34．

[5]康紅普，王金華，林健.煤礦巷道錨桿支護應用實例分析[J].巖石力學與工程學報，2010，29（4）：649- 664．

（編輯：武曉平）

Stability Analysis of Surrounding Rock in Deep Roadways with High Geostress

WANG Baolong
(Sihe Mine, Jincheng Anthracite Mining Group, Jincheng 048200, China)

Abstract:Numerical simulation of the stability of surrounding rock in deep roadways demonstrates that cross- section shape, supporting pattern, structural plane of rock, and geostress have greater influence on the deformation of the surrounding rock. To better control the deformation, effective improvement of the features of the surrounding rock, supporting cross- section, and supporting pattern could change the stabilityofthe surroundingrock in the roadway.

Keywords:deep mining; high geostress; stabilityofsurroundingrock; numerical simulation

作者簡介：王保龍（1987-），男，山西晉城人，大學專科，助理工程師，從事煤炭設計與研究工作。

收稿日期：2015- 10- 29

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.019

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0065- 04

中圖分類號：TD322

文獻標識碼：A