巷道圍巖破壞區可視化程序的開發與應用?

郭曉菲

（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

巷道圍巖破壞區可視化程序的開發與應用?

郭曉菲

（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

為了掌握井下巷道開挖后圍巖破壞區的分布情況，基于現場圍巖層狀賦存特征和應力場的非均勻分布特性，建立了層狀圍巖條件下巷道圍巖區域受采動及地質構造影響下的統一受力模型，并通過計算機編程實現了復雜應力場中巷道圍巖破壞區的可視化。通過與FLAC3D數值模擬結果的對比分析驗證了可視化程序的可靠性，并在現場十幾個礦區的巷道圍巖穩定性分析及巷道支護參數設計中得到應用，取得了良好的應用效果。

巷道圍巖 圍巖破壞區 可視化 程序開發

井下巷道開挖后，由于應力的重新分布導致圍巖出現一定范圍的破壞區，破壞區的形態及范圍大小直接決定了巷道圍巖的穩定性，同時也是巷道采取支護措施的依據。掌握巷道圍巖破壞區形態分布對巷道穩定性分析、支護設計、冒頂災害防治等工程實踐有重要的指導意義。

目前主要用解析法、實測法和數值法3種方法來確定巷道圍巖的破壞區范圍。解析法目前應用較廣泛的是卡斯特耐公式，用其計算巷道圍巖松動圈范圍，公式在推導過程中視圍巖為均勻介質、所受應力場均勻分布，假設的巷道環境與現場實際條件相差很大，所以依據解析法得到的圍巖破壞區形態及范圍與實際情況相差很大。實測法主要通過現場鉆孔窺視，觀察圍巖裂隙發育情況來確定圍巖破壞區范圍，這種方法雖然得到的結果較可靠但是現場操作難度大并且具有滯后性，巷道支護方案往往在巷道開挖之前就已經確定了。數值法目前應用較多的是FLAC數值模擬軟件，在進行數值運算時首先要通過fish語言建立運算模型，對使用者要求較高，數值法在現場使用仍不方便。目前仍需要一種既做到在現場操作簡單方便又能較準確反映巷道圍巖破壞區形態范圍的方法。本文從設計原理、測試驗證、現場應用3個方面詳細介紹巷道圍巖破壞區的可視化程序。

1　可視化程序的設計原理

1.1 模擬巷道環境特征分析

巷道破壞區可視化研究實質是通過計算機模擬實際井下巷道圍巖在應力場中破壞的力學問題，首先需要對模擬的現場巷道環境進行充分認識。本文研究的巷道環境包括圍巖環境和應力場環境，其中圍巖環境主要考慮巖石的物理力學性質。

1.1.1 巷道圍巖呈層狀賦存

煤巖系是在成因上具有共生關系的沉積巖，主要由泥巖、頁巖、石灰巖、砂巖以及粉砂巖等沉積巖層組成。在沉積過程中，由于沉積環境變化、礦物成份不同造成煤系地層中的各巖層物理力學性質差別很大，形成明顯的分層面。煤巖系中每個分層大致連續、所含的礦物成份相同、巖體的強度相近，在巷道穩定性的研究中可將每個分層簡化為一個整體的均質連續體。

1.1.2 圍巖處于非均勻應力場中

煤礦井下巷道圍巖處于復雜的應力環境之中，其中最主要的是對巷道圍巖破壞起決定作用的應力，包括原巖應力與采動應力。原巖應力主要包括自重應力和構造應力，反映了巷道開挖前巖體所處的初始應力狀態，是研究巷道開挖后應力重新分布的基礎。地下任意一點的自重應力等于單位面積的上覆巖層的重量，具體計算式為：

式中：σz——垂直應力；

σx，σy——水平應力；

λ——側壓系數，水平應力與垂直應力之比；

τxy——水平方向剪應力；

γ——上覆巖層的平均體積力；

H——巷道距地表深度。

一般情況下地殼運動以水平運動為主，構造應力主要是水平應力，故可用側壓系數λ反映巷道圍巖受構造應力的影響程度。巷道所受的采動影響包括巷道掘進期間影響和鄰近工作面回采期間影響，其中鄰近工作面回采期間的影響主要表現為工作面前方移動支承壓力，造成影響區內垂直應力成倍增大，可用支承壓力系數K表示受鄰近工作面回采的影響程度。巷道掘進的影響主要是由于巷道的開挖引起巷道周圍一定區域范圍內應力重新分布造成的，這一區域一般認為在10倍巷道半徑以內，巷道圍巖的破壞區也都在這一區域內。所以可把這一區域作為一個研究單元，認為區域單元受到上覆巖層的自重應力、構造應力和工作面回采采動應力3種應力場不同組合的疊加應力場后在巷道周圍又重新分布導致形成了巷道圍巖破壞區的最終狀態。圖1為巷道圍巖區域受力模型，當K=λ=1時，為靜水等壓受力狀態，實際巷道區域應力場中K、λ均不等于1，圍巖處于非均勻應力場中。

圖1　巷道圍巖區域單元受采動及構造影響的統一受力模型

1.2 基于摩爾-庫侖強度準則的運算模型

層狀圍巖條件下非均勻應力場中巷道圍巖破壞區運算模型見圖2。

圖2　層狀圍巖條件下非均勻應力場中巷道圍巖破壞區運算模型

在巷道圍巖區域受力模型中，層狀圍巖平行分布，在實際井下環境中分層面與水平方向往往存在一定角度，為巖層傾角，用α表示；在實際條件中區域應力也不完全是垂直水平存在，以垂直水平為參考系，逆時針旋轉為正，設為應力轉角，用β表示；在現有的理論條件下只有圓形斷面巷道解決了周邊各點應力解，其他斷面形狀的巷道在進行破壞區計算時可用相應的外接圓等效估算處理。本文建立了層狀圍巖條件下巷道圍巖區域受采動及構造影響下的統一受力模型。

運用彈性力學理論，得出非均勻應力場中圓形巷道圍巖任一點的應力狀態為：

式中：σr——任一點的徑向應力；

σθ——任一點的切向應力；

τrθ——任一點的剪應力；

a——巷道半徑；

r、θ——任一點極坐標。

由彈性力學得任一點的主應力計算公式：

式中：σ1（r，θ）、σ3（r，θ）——任一點的最大、最小主應力。

在圖2的運算模型中，各層圍巖的物理力學參數為已知條件，根據摩爾-庫倫破壞準則得判斷該點破壞的條件為：

式中：C（r，θ）——任一點圍巖的黏聚力；

φ（r，θ）——任一點圍巖的內摩擦角。

根據式（1）、式（2）、式（3）和式（4）把巷道圍巖區域內每個點都進行破壞性判斷，即可得到巷道圍巖破壞區，為可視化程序的編寫提供了理論基礎。

1.3 程序設計的技術路線

依據建立的層狀圍巖條件下非均勻應力場中巷道圍巖破壞區運算模型，采用Visual Basic編程語言對巷道圍巖破壞區可視化程序進行設計，具體設計技術路線如圖3所示。

圖3　程序設計技術路線圖

由于運算需要輸入的參數較多，將參數分為基本開采參數和巖層力學參數，放在設計好的Excel表格中，打開程序點擊“輸入參數”按鈕，程序將自動調出參數輸入表格，在相應位置輸入數據。

參數輸入完畢后點擊“模擬塑性區”按鈕，程序將開始運算。界面左側為參數顯示區，右側為運算結果圖形顯示區，程序運算及輸出界面見圖4，圖中類似橢圓形的淺色區域即為模擬的巷道圍巖破壞區，實現了巷道圍巖破壞區的可視化，同時可輸出破壞區邊界半徑，為巷道支護參數的定量設計提供依據。

圖4　程序運算及輸出界面

2　基于FLAC3D數值模擬的測試驗證及對比分析

本文建立了層狀圍巖條件下巷道在復雜應力環境中的受力模型，并進行了程序設計，實現了巷道圍巖破壞區的可視化。由于實際巷道環境的復雜性，目前還很難在現場準確測出巷道圍巖破壞區的范圍。FLAC3D數值模擬軟件是目前廣泛使用的用于分析各種材料塑性破壞的軟件，下面將使用FLAC3D數值模擬軟件對可視化程序進行測試驗證，并對兩個軟件進行相應的技術性能對比分析。

為了便于觀察分析，使巷道圍巖破壞區具有一定的形狀特征，測試驗證時巷道圍巖采用均勻介質，具體力學參數參考實際條件下的煤巖力學參數，黏聚力為3 MPa，內摩擦角為30°，巷道半徑為2 m。巷道圍巖應力場分別模擬淺部400 m和深部600 m兩種開采條件下的靜水壓力條件、采動影響條件、構造影響條件3種應力條件的應力場，具體參數如表1所示。

不同應力場條件下FLAC3D數值模擬計算結果和可視化程序計算結果的對比見圖5和圖6。

圖5　淺部開采條件不同應力場條件下的測試驗證對比

圖6　深部開采條件不同應力場條件下的測試驗證對比

由圖5可得在不同應力場條件下可視化程序計算結果與FLAC3D數值模擬計算結果基本一致，主要表現為兩軟件模擬的巷道破壞區形態一致，破壞區范圍尺寸相近；深部條件下巷道圍巖破壞區范圍大于淺部，模擬結果與現場巷道出現的變形破壞情況一致；采動影響條件下巷道兩幫破壞嚴重，構造影響條件下巷道頂底板破壞嚴重，模擬結果與現場巷道出現的變形破壞情況一致。特別說明本文模擬的采動影響應力場條件與構造影響應力場條件只是相應應力場下的某一特例，所以模擬結果不能完全體現相應應力場條件下的巷道破壞特征。通過測試驗證可看出可視化程序具有較好的可靠性。

與FLAC3D數值模擬軟件相比可視化程序在操作應用中具有以下優勢：輸入輸出界面簡單直觀，做到即看即所得，對操作者要求較低，更方便適合現場應用；程序內部自動建立了合理的運算模型，省去了使用者建模過程，使操作運算更快捷；可視化程序專門用以計算巷道圍巖破壞區范圍，為巷道圍巖穩定性分析及支護定量設計提供依據，在設計上更專業。

3　現場應用

可視化程序的運算模型中考慮了巷道圍巖的層狀賦存特征與地下應力場受地質構造及采動影響的非均勻分布特性，模擬條件和實際的巷道圍巖環境更加貼近；且可視化程序輸入輸出界面簡單直觀，更容易操作，為巷道圍巖穩定性分析及巷道支護定量設計提供了有效的技術支持。目前，可視化程序已在趙固一礦、趙固二礦、五家溝礦、李家壕礦、塔拉壕礦等十幾個礦區的巷道圍巖穩定性分析及巷道支護定量設計中得到應用，并取得了良好的應用效果。下面以趙固二礦11030回風巷道為例對可視化程序的現場應用作詳細分析。

11030回風巷道位于趙固二礦二1煤層主采煤層中，巷道平均埋深650 m，由于埋深較大且受到上一區段回采影響，巷道維護困難。通過現場地應力測試得到在上一區段回采期間工作面前方支承壓力可達到原巖應力3倍以上，側壓系數在0.33～0.5之間，巷道斷面為矩形，可視化程序計算的巷道等效外接圓半徑為2.8 m。通過實驗室試驗得到巷道圍巖區域范圍內巖石物理力學參數，見表2。

巷道的受力條件及圍巖的物理力學參數都已知的情況下即可用可視化程序計算出巷道圍巖破壞區范圍及形態，如圖7所示。由圖可得，巷道兩幫及底板破壞區范圍較小，其中兩幫破壞區深度最大為1.4 m，底板破壞區深度在1 m范圍內；巷道兩肩破壞嚴重，破壞區深度達3.6 m；計算結果與現場巷道破壞及變形情況一致。根據破壞區的分布特征，采取相應了支護對策。巷道雙肩破壞區范圍較大，圍巖變形嚴重，雙肩采用延伸率較大的可接長錨桿支護；巷道兩幫及中央頂板破壞區范圍較小，采用普通錨桿支護。

采用上述支護方案，在受工作面采動影響期間，巷道肩部雖然出現較大變形，但是由于可接長錨桿具有錨固范圍大、延伸性能好等優點，在巷道正常使用期間，較好地適應了頂板圍巖的變形下沉，未出現桿體破斷、錨固失效等情況，保障了生產期間的頂板安全。

表2　巷道圍巖物理力學參數表

圖7　程序計算的11030回風巷圍巖破壞區可視化結果

4　結論

（1）建立了層狀圍巖條件下巷道圍巖區域受采動及地質構造影響下的統一受力模型，并通過計算機編程實現了復雜應力場中巷道圍巖破壞區的可視化，可為巷道圍巖穩定性分析及支護參數定量設計提供技術支持。

（2）通過FLAC3D數值模擬軟件的測試分析驗證了可視化程序的可靠性；并且可視化程序輸入輸出界面簡單直觀，更容易操作，具有很強的現場使用價值。

（3）可視化程序在現場十幾個礦區的巷道圍巖穩定性分析及巷道支護參數設計中得到應用，并取得了良好的應用效果。

［1］ 侯朝炯.巷道圍巖控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2013

［2］ 馬念杰，李季，趙志強.圓形巷道圍巖偏應力場及塑性區分布規律研究［J］.中國礦業大學學報，2015（2）

［3］ 孔恒，馬念杰，王夢恕等.錨固技術及其理論研究現狀和方向［J］.中國煤炭，2001（11）

［4］ 王衛軍，郭罡業，朱永建等.高應力軟巖巷道圍巖塑性區惡性擴展過程及其控制［J］.煤炭學報，2015 （12）

［5］ 郭書英，武飛岐.錨桿支護巷道礦壓監測儀的研發與應用［J］.中國煤炭，2016（4）

［6］ 李英明，賈安立，馬念杰.煤巷頂板巖層賦存特征及塊體梁頂板穩定性分析［J］.中國安全生產科學技術，2014（6）

［7］ 李增學.煤礦地質學［M］.北京：煤炭工業出版社，2009

［8］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003

［9］ 馬念杰，趙希棟，趙志強等.深部采動巷道頂板穩定性分析與控制［J］.煤炭學報，2015（10）

［10］ KASTNER H.隧道與坑道靜力學［M］.上海：上海科學技術出版社，1980

（責任編輯 張毅玲）

Development and application of visualization program of surrounding rock destruction zone

Guo Xiaofei
（Faculty of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

The shape and distribution of the surrounding rock failure zone directly determine the stability of the roadway，and it is also the foundation of the design of roadway support.In order to grasp the distribution characteristics of rock damage zone after the tunnel excavation，based on the layered occurrence characteristics of surrounding rock and the inhomogeneous distribution feature of stress field，the unified force model of the surrounding rock area under the influence of mining dynamic and geological structure is established.Then the visualization of roadway surrounding rock failure zone in complex stress field is achieved through computer programming. And the reliability of the is verified by FLAC3D numerical simulation comparison analysis.The visualization program has been applied in the field of more than a dozen mining area of roadway surrounding rock stability analysis and roadway support parameters design，and good results have been achieved.

roadway，damage zone，visualization，program development

TD355

A

國家重點基礎研究發展計劃（973）資助項目（2011CB201204），國家自然科學基金重點項目（51234005，51434006）

郭曉菲（1990-），男，2014年畢業于中國礦業大學（北京）采礦工程專業，現為博士研究生，主要從事巷道圍巖控制理論與支護技術方面的研究工作。