軟巖巷道圍巖控制數值模擬

付義勝　鎬　振

(1.河南能源化工集團焦煤公司中馬村礦；2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院；3.河南能源化工集團焦煤公司趙固二礦)

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軟巖巷道圍巖控制數值模擬

付義勝1鎬振2，3

(1.河南能源化工集團焦煤公司中馬村礦；2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院；3.河南能源化工集團焦煤公司趙固二礦)

摘要趙固二礦軟巖巷道變形嚴重，采用數值模擬軟件FLAC3D,對工鋼棚+噴漿+注漿支護下的巷道圍巖應力、位移特征和塑性區范圍進行了計算分析。結果表明，隨著側壓系數地增大，圍巖位移、應力和塑性區范圍都有增大的趨勢，且塑性區由巷道兩幫向頂底板轉移。現場試驗結果表明，采用工鋼棚+噴漿+注漿支護，巷道兩幫移近量和頂板下沉量分別為145和112 mm，圍巖控制效果較好，為類似條件下的巷道支護提供了參考依據。

關鍵詞巷道支護數值模擬軟巖

隨著新能源的不斷開發和利用，以及國家對能源消耗政策的調整，在一次能源中，煤炭消費比重將會逐年下降，但是其主導地位仍不能動搖。據預測，在未來50 a內，我國能源的一次消費和生產以煤炭為主的格局不會改變。近年來，隨著礦井開采深度的增大，巷道圍巖所承受的壓力也越來越大，許多原來軟巖較少的礦區(如平頂山、焦作、徐州等)的部分巷道也呈現出軟巖特征[1]。軟巖巷道以其高地壓、大變形、難支護的特點，已成為地下工程中的難題之一，受到了地下工程及國際巖石力學界的關注。目前，國內外普遍采用增加支護強度的方式減少巷道圍巖變形，如增大錨桿(索)密度，錨網索與剛性支架聯合支護等，但效果并不理想[2]。

巖石的流變特性是軟巖巷道變形破壞的原因之一[3]。工程實踐表明，在軟巖巷道開挖以后，短時間內巷道圍巖不會發生變形，但是在高應力作用下，巷道圍巖會表現出顯著的流變特性，使得巷道圍巖在較長時間的變形后發生破壞，具有較為明顯的時效性[4-6]。許多地質現象(如斷裂、褶皺等)表明地殼中存在水平應力[7]，在19世紀20年代，我國地質學家李四光曾指出:在構造應力僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應力分量的作用遠遠超過垂直應力分量[8]。本文針對趙固二礦Ⅰ盤區上段膠帶運輸大巷一次錨網索支護后巷道變形嚴重的問題，采用數值模擬軟件FLAC3D，分析了工鋼棚+全斷面噴漿+注漿支護巷道圍巖的應力、位移特征和塑性區范圍。現場試驗結果表明，采用該支護方式的巷道圍巖控制效果較好，為類似條件下的巷道支護提供了參考依據。

1工程背景

趙固二礦位于焦作煤田東部，礦井于2007年1月9日開工建設，2011年4月23日正式投產。主采二1煤，煤層傾角多在6°以內，煤層平均厚度 5.6 m。礦井設計生產能力為1.80 Mt/a。Ⅰ盤區上段膠帶運輸大巷擔負著該區東部通風、煤炭運輸等任務，埋深約700 m，巷道頂底板巖性特征見圖1。巷道沿煤層頂板掘進，掘寬×掘高=5 800 mm×3 700 mm，一次支護采用錨網索支護，該巷道掘進后，兩幫收斂、頂板下沉、底鼓現象嚴重，巷道最小高度僅約2.1 m。為確保安全生產，對該巷道架設工鋼棚后進行全斷面噴漿、注漿支護。

圖1　巷道頂底板地質柱狀圖

2數值模擬

2.1模型建立

由于本次模擬是以軟巖為特征的地質模型，在考慮了煤巖層的層狀特征以及巖石進入塑性屈服階段以后，巖體的各項參數將會發生變化，因此采用了基于彈塑性理論的Mohr-Coulomb模型，該模型能夠反映巖土材料抗壓強度不同的S-D效應以及對正應力的敏感性。模型為大應變變形，巷道開挖空間采用零模型(model null)模擬。巷道沿煤層頂板掘進，頂板主要為泥巖、中粒砂巖，底板主要為泥巖和砂質泥巖(圖1)。為簡化計算，在數值模擬中，以厚度較大的巖層作為模擬對象，把厚度較小且巖性接近的巖層劃歸為同一巖層。

地質網格模型見圖2。計算模型斷面尺寸：寬×高×厚=20 m×20 m×1 m。二1煤層埋深約700 m，上覆巖層容重取25 kN/m3，因此施加在模型上邊界的應力以垂直應力為主，為17.5 MPa；水平方向上的邊界限制x方向的位移，底部為固定約束，無位移。

研究了巷道在工鋼棚+注漿二次支護、側壓系數λ為1.0，2.2條件下的圍巖位移、應力分布特征及塑性區的大小。

圖2　地質網格模型

2.2數值模擬結果分析2.2.1側壓系數λ=1.0，2.2

側壓系數λ為1.0，2.2時，巷道圍巖位移應力分布及塑性區特征見圖3、圖4。

圖3　λ=1.0時巷道圍巖位移、應力、塑性區

圖4　λ=2.2時巷道圍巖位移、應力、塑性區

2.2.2不同側壓系數時圍巖位移及應力對比

不同側壓系數時圍巖位移、應力變化見表1。

由表1可以看出，隨著側壓系數的變大，工鋼棚+注漿支護巷道圍巖位移及圍巖應力都有增大的趨勢。垂直應力集中在巷道兩幫1～5 m處，最大應力集中系數為3.5，巷道圍巖塑性區范圍隨側壓系數的增大，由巷道兩幫向巷道頂底板轉移。從以上分析可以看出，工鋼棚+注漿支護可以有效控制巷道圍巖變形。

表1　不同測壓系數時巷道圍巖位移、應力大小對比

3現場應用

3.1支護參數

(1)錨桿規格為φ20 mm×2 400 mm，間排距800 mm×800 mm，頂部錨桿錨固長度不小于1 000 mm(2350型樹脂錨固劑2卷)，托盤為δ10 mm×150 mm×150 mm，與長度為5 560 mm的鋼筋梯配合使用。幫部錨桿托盤為W型鋼帶，與規格為δ10 mm×150 mm×150 mm托盤配合使用。鋼筋梯寬度為95 mm，采用φ14 mm的圓鋼制作，排距為800 mm。

(2)槽鋼梁錨索規格為φ21.6 mm×8250 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm，錨固長度不低于2 000 mm (2350型樹脂錨固劑4卷)，采用長5 100 mm的16#槽鋼梁與δ12 mm×120×120 mm和δ12 mm×80 mm×80 mm 鋼板配合使用。

(3)點錨索規格為φ21.6 mm×8 250 mm，間排距1 600 mm×1 600 mm，錨固長度不小于2 000 mm(2350型樹脂錨固劑4卷)，采用全U蝶形托盤和δ12 mm×150 mm×150 mm鋼板配合使用。

(4)金屬網片用φ6 mm鋼筋焊接，網幅900 mm×1 700 mm。施工時網片搭接100 mm，使用14#電鍍鋅絲綁扎牢固，頂部網片搭接處四角綁扎，幫部對角綁扎。

架設工鋼棚后進行全斷面噴漿，噴射混凝土強度不低于C25，噴漿厚度不低于120 mm，灑水養護7 d 后進行注漿，注漿順序為由下至上，即底角、兩幫、兩肩、頂板，注漿終壓不低于3 MPa。巷道支護斷面如圖5所示。

圖5　巷道支護斷面(單位：mm)

3.2礦壓觀測

支護方案應用后，對支護試驗段進行了90 d的巷道位移觀測，觀測結果如圖6所示。

從圖6可以看出，巷道兩幫移近量和頂板下沉量分別為145和112 mm，沒有出現噴漿體開裂、工鋼棚變形等情況，說明該支護方式的圍巖控制效果較好。

4結論

隨著側壓系數的變大，工鋼棚+噴漿+注漿支護巷道圍巖位移、應力和塑性區范圍都有變大的趨勢，并且塑性區由巷道兩幫向巷道頂底板轉移，有效控制了巷道變形。

參考文獻

[1]靖洪文，李元海，趙保太，等．軟巖工程

圖6　巷道位移監測結果

支護理論與技術[M]．徐州：中國礦業大學出版社，2008．

[2]方新秋，何杰，何加省．深部高應力軟巖動壓巷道加固技術研究[J]．巖土工程，2009，30(6)：1693-1698．

[3]張向東，李永靖，張樹光，等．軟巖蠕變理論及其工程應用[J]．巖石力學與工程學報，2004，23(10)：1635-1639．

[4]孟慶彬，韓立軍，喬衛國，等．深部高應力軟巖巷道變形破壞特性研究[J]．采礦與安全工程學報，2012，29(4)：481-486．

[5]高延法，曲祖俊，牛學良，等．深井軟巖巷道圍巖流變與應力場演變規律[J]．煤炭學報，2007，32(12)：1244-1252．

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[7]蔡美峰，何滿潮，劉東燕．巖石力學與工程[M]．北京：科學出版社，2006．

[8]郜進海，鎬振，呂兆恒．構造應力區巷道變形破壞特征及控制技術研究[J]．河南理工大學學報:自然科學版，2012，31(4)：409-414．

(收稿日期2015-10-13)

付義勝(1984—)，男，碩士，454003 河南省焦作市。