不同側壓系數下深部軟巖巷道應力演化規律及支護研究

張振全 李 楊

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.神華科學技術研究院有限責任公司，北京市昌平區，102211)

隨著我國中東部礦區淺部可采煤炭資源的枯竭，開采深度逐漸向深部轉移。由于深部開采地質條件復雜、應力增大，煤巖體呈現軟化特性，強度降低，且易于風化水解，致使深部軟巖巷道圍巖控制問題日漸突出，而導致軟巖巷道變形破壞加劇的根本原因是巖層原有的地應力在采動干擾下的重新分布。原巖應力是巖層在漫長地質時期形成的天然內應力，是界定巖層力學屬性的基礎，也是巷道圍巖穩定分析、優化支護設計必須重視的基礎因素。

針對原巖應力場對巷道圍巖受力、破壞及支護方面的影響，許多學者做了大量的研究工作，王軍等系統分析了軟巖巷道支護設計方法，并提出了基于剪應力導數的圍巖穩定性理論；羅超文等采用現場實測、數值模擬方法對巷道圍巖應力分布規律及變形情況進行了研究；孟召平等從工程地質方面對淮南礦區地應力分布規律進行了總結，并進一步探討了圓形硐室圍巖應力分布特點以及不同側壓條件下巷道頂板圍巖的穩定情況；王連國等針對深部軟巖巷道破壞情況提出了相應的支護設計方案，用以維護巷道圍巖的穩定；王波等論述了地應力分布狀態對巷道破壞的影響；劉泉聲等通過對淮南礦區12個礦井中的19個測點進行地應力測試，初步得出了三向應力大小、側壓比等參數隨埋深的變化規律。

上述研究對地應力的分布特點及對巷道支護影響方面的研究取得了豐富的研究成果，指導了大量工程實踐。但由于深部采掘過程中，巷道圍巖所處地應力場復雜多變，不同應力狀態下巷道圍巖變形破壞特征各異，尤其是水平應力場影響作用顯著，充分了解不同水平應力場對巷道變形破壞的影響，才能實現深部軟巖巷道的穩定支護，但這方面內容研究成果較少。本文針對淮南礦區復雜的應力場分布進行了調研分析，并對不同水平應力環境下巷道變形破壞特征進行了模擬分析，以便揭示不同水平應力條件下深部軟巖巷道應力場、位移場、破壞場的變化特征和演化規律。基于淮南礦區最大主應力主導的巷道變形破壞這一特征，提出了優化支護方案，并應用于謝橋煤礦，取得了良好的工程應用效果，為類似地質條件下巷道圍巖的穩定支護提供了借鑒。

1 淮南礦區地應力分布規律

以往一些學者對淮南礦區地應力分布規律開展過大量的研究工作，但由于研究數據較少，并不能從整體上反映出淮南礦區原巖應力場的分布特征。因此，本文在查閱大量文獻、資料的基礎上，結合近年來礦區在新建礦井中積累的數據，最終得到淮南礦區10個礦井深部地應力實測數據，見表1。

表1 淮南礦區地應力實測數據

由表1可知，上述地應力實測數據具有一定的規律性，可采用最小二乘法進行線性回歸分析，進而得到淮南礦區各測點最大、最小水平主應力以及垂直主應力隨埋深的變化規律，如圖1所示。

由圖1可知，礦區絕大部分測點的兩個水平主應力為最大主應力和最小主應力，而垂直主應力為中間主應力，三向應力大小差異較大，并均隨埋深的增加而增大。其中，與最大水平主應力相比，垂直主應力和最小主應力增速均較快，但隨著埋深的增加其離散性逐漸增強；而最大水平主應力線性相關性較強。因此可知，淮南礦區應力場以水平應力場為主導，且礦區測點的最大主應力值主要介于15～28 MPa之間，水平應力大小屬于中等偏上水平；礦區最大水平主應力均大于垂直主應力，從而進一步表明淮南礦區深部地應力場總體上以水平應力為主。

基于上述分析，本文對淮南礦區以水平應力為主導的應力場進行模擬分析，以期得到不同水平應力場條件下巷道圍巖應力場、位移場、破壞場的變化規律，為指導優化現場穩定支護提供依據。

圖1 淮南礦區地應力與深度的關系

2 工程概況及模擬方案

2.1 工程地質概況

謝橋煤礦位于潘謝礦區西部井田，礦井位于淮南復向斜中部，陳橋背斜南翼、謝橋向斜北翼，整體為東西走向、向南傾斜的單斜構造，地層緩傾斜，斷層不發育，地質構造簡單。謝橋煤礦可采煤層賦存穩定，煤層結構穩定，本文所研究的11316運輸巷位于6#煤層，平均厚度約3.2 m，傾角10°，巷道平均埋深620 m，沿6#煤底板掘進，設計斷面為矩形，凈尺寸為4600 mm×3200 mm。具體煤巖層參數如圖2所示。

圖2 6#煤層綜合柱狀圖

2.2 數值模型建立

根據謝橋煤礦煤巖層柱狀圖及地質條件，本文采用FLAC3D建立了深部軟巖巷道支護模型。模型尺寸為60 m×80 m×48 m，模型節點310023個，模型單元總數為295680。假設模擬各巖層均質，各向同性，選用Mohr-Coulomb模型進行運算。由于所研究的淮南礦區應力場復雜，水平主應力占據主導，因此為了研究不同水平應力場條件下巷道應力演化規律和圍巖變形破壞特征，取不同的側壓系數進行模擬計算，本文所選的側壓系數λ分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4和1.6。模型構建及應力施加如圖3所示。

圖3 巷道數值模擬計算模型

3 水平應力場作用下巷道圍巖力學特征分析

3.1 不同構造應力下巷道圍巖應力分布

不同側壓系數下巷道圍巖最大主應力場分布如圖4所示。由圖4可知，隨著側壓系數的增加，巷道圍巖應力集中程度不斷變化，λ<1.0時，隨著巷道開挖擾動的影響，圍巖應力重新分布，水平主應力集中明顯高于垂直主應力，說明受采掘影響，垂直主應力向水平方向轉移，從而導致水平主應力的增加；λ>1.0時，圍巖主應力逐漸向巷道頂底板轉移，且應力集中程度增大；λ=1.6時，最大主應力達32 MPa。這表明，水平主應力占主導地位后，極易導致巷道圍巖頂底板應力集中，且集中程度隨著水平應力的增加而不斷加劇。

3.2 不同構造應力下巷道圍巖位移場特征

不同側壓系數下巷道圍巖位移云圖如圖5所示。由圖5可知，λ=0.6時，巷道頂板下沉量為180 mm，底板底鼓量為180 mm，且變形范圍較小，隨著側壓系數的增大，頂底板變形量增大，變形范圍明顯增加；λ>1.0時，頂板變形增加幅度變大，逐漸達到1000 mm，甚至更大，巷道嚴重失穩變形，相對頂板變形，底板底鼓收斂變形增加幅度較小；λ=1.6時，巷道底鼓量為400 mm，相較于λ=0.6時的巷道底鼓量，增幅為122%，而巷道頂板下沉量增幅則為789%。由此可見，隨著側壓系數的增大，即水平主應力的增加，對巷道頂板巖層的運移有較大影響。

圖4 不同側壓系數下巷道圍巖最大主應力場分布圖

圖5 不同側壓系數下巷道圍巖位移云圖

不同側壓系數下巷道收斂變形曲線如圖6所示。由圖6可知，隨著側壓系數的增加，巷道圍巖收斂變形不斷增加，其中底板底鼓量增加量最小，僅220 mm，幫部移近量次之，為1143 mm，頂板下沉量增幅最大，為1420 mm，且λ>1.2后，巷道頂板下沉量急劇增加，說明巷道圍巖變形嚴重，圍巖控制難度增加。

3.3 不同水平應力下巷道圍巖破壞場特征

不同側壓系數下巷道破壞示意圖如圖7所示。

由圖7可知，λ=0.6時，巷道圍巖發生塑性破壞，但破壞范圍整體較小，破壞區集中于巷道兩幫，底板破壞區范圍較小；隨著側壓系數的增加，巷道圍巖破壞范圍緩慢增加，由兩幫破壞嚴重逐漸變為頂底板變形破壞加劇，但破壞以兩幫破壞為主；λ=1.0時，巷道頂板兩肩及兩底角位置出現破壞區擴大現象，頂底板塑性破壞范圍不斷增加；隨著側壓系數的進一步增大，巷道圍巖出現大范圍變形破壞，且破壞集中于頂底板；λ=1.6時，頂板破壞范圍為6.1 m，底板破壞范圍為5.2 m，幫部破壞范圍2.9 m。由此可見，側壓系數的增大，加劇了巷道圍巖塑性破壞，且對頂底板破壞的影響更大。

圖6 不同側壓系數下巷道圍巖收斂變形曲線

圖7 不同側壓系數下巷道破壞圖

綜合對比巷道圍巖應力場、位移場和破壞場的力學特征分析可知，隨著側壓系數的不斷增加，巷道圍巖主應力集中程度逐漸由巷道兩幫向頂底板轉移，進而造成巷道頂板下沉、底鼓嚴重，頂底板塑性破壞不斷加劇等現象的產生，巷道圍巖破壞范圍的增大勢必造成巷道支護困難，進一步揭示了煤礦巷道進入深部采掘后，由于水平應力場占據主導地位后，巷道變形破壞嚴重、難以支護的根本原因。

4 工程實踐

4.1 支護方案優化設計

巷道原有支護方案采用錨網索支護，錨桿規格?20 mm×2000 mm，頂部5根錨桿間排距1000 mm×800 mm，幫部3根錨桿間排距為1000 mm×800 mm，頂部2根錨索規格?17.8 mm×6000 mm，間排距為3000 mm×2400 mm，掘巷期間受開挖擾動影響，巷道出現片幫、掉頂，巷道變形破壞嚴重，且以頂板下沉及片幫嚴重為主。據統計，11316運輸巷自掘進至50 m范圍內，錨桿破斷約60根，破斷率達1.2根/m，錨索破斷失效10根，破斷率0.17根/m，錨桿索的失效，使巷道支護安全性降低，難以滿足正常生產的需要。

分析11316運輸巷所處的應力環境可知，巷道水平應力約為19.8 MPa，垂直應力為16.5 MPa，側壓系數達1.2。由側壓系數影響分析可知，隨著側壓系數的增加，巷道圍巖應力集中程度逐漸向頂底板移近，從而造成頂底板變形破壞嚴重的現象，與該巷道變形破壞一致，因此采用高強高預應力錨桿及超長錨索進行優化支護，達到控制圍巖變形的目的。

優化方案如下：考慮巷道頂板下沉嚴重，將頂板及幫部錨桿選型改為?22 mm×2400 mm，頂錨桿間排距改為800 mm×800 mm，幫錨桿間排距改為800 mm×800 mm，且底部第一根錨桿距底板距離400 mm，與水平方向成30°夾角斜向下打入，其余3根水平布置。頂板布置型號?22mm×8000 mm的錨索3根，間排距為1400 mm×2400 mm，優化前后的支護方案如圖8所示。

4.2 應用效果分析

對11316運輸巷未支護、原有支護以及優化支護3種條件下巷道圍巖變形進行數值模擬研究，得出不同支護方案下巷道圍巖變形情況，如圖9所示。

圖8 優化前后的支護方案示意圖

圖9 不同支護方案圍巖收斂變形圖

由圖9可知，采用等強預應力讓壓錨桿及高強度預應力錨索優化支護方案后，巷道圍巖變形有了明顯改變，采用優化支護方案后巷道頂板下沉量為183 mm，分別比未支護及原有支護方案下減少了65.1%和46.3%，支護效果明顯，將該支護方案應用于現場，并對優化支護方案下巷道圍巖變形進行了現場監測，監測曲線如圖10所示。

由圖10可知，采用等強預應力讓壓錨桿及高強度預應力錨索優化支護巷道頂板及兩幫底角位置后，巷道圍巖收斂變形有了明顯改善，在監測初期巷道頂底板及兩幫變形速率較大，變形量達到總監測變形量的80%，后期變形量減小，變形速率降低，說明該方案起到了較好支護效果。因此加強巷道頂板及幫部底角的支護，可以有效實現高水平應力環境下巷道圍巖的穩定支護。

圖10 現場監測巷道變形曲線圖

5 結論

(1)基于淮南礦區原巖應力場以水平主應力占主導地位的應力分布規律，通過模擬分析不同側壓系數下巷道圍巖應力場、位移場、破壞場的分布特征，揭示了巷道圍巖變形破壞隨側壓系數的變化規律，即隨著的增大，巷道圍巖應力集中由兩幫逐漸向頂底板移近，從而加劇了巷道頂底板塑性破壞、頂底板變形劇烈等現象。

(2)采用數值模擬分析了不同支護方案下謝橋煤礦11316運輸巷圍巖變形情況，并提出了等強預應力讓壓錨桿及高強度預應力錨索的優化支護方案。

(3)將優化支護方案應用于現場實踐，巷道圍巖收斂變形有了顯著改善，加強巷道頂板及幫部底角的支護，可實現高水平應力環境下巷道圍巖的有效支護。

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