大跨度軟巖巷道礦壓顯現規律研究

張毅 羅榮 周橫全

摘 要：以貴州省回歸煤礦軌道下山為工程背景，通過巷道變形量現場實測和數值模擬，分析了大跨度軟巖巷道礦壓顯現規律和變形破壞特征。

關鍵詞：大跨度；FLAC；軟巖巷道；礦山壓力

1 工程背景

近年來，國家及地方相關部門相繼出臺了一些關于推進煤礦機械化開采的政策及意見。2010年，國家安全監管總局、國家煤礦安監局、國家發展改革委、國家能源局聯合發文《關于推進煤礦機械化的指導意見》，意見中明確指出煤礦必須大力實施安全技術改造，不斷提高機械化程度。煤礦機械化程度的提高，必然對巷道斷面特別是巷道跨度提出越來越高的要求。加之目前貴州省煤礦開始過渡到深部開采，礦山壓力增大，原有支護方式支護效果不甚理想或雖基本滿足要求但阻礙了或不利于機械化開采順利實施。因此，在目前政策要求情況下，如何在順利推行機械化開采的同時又使巷道支護滿足安全開采要求，已是擺在煤礦技術人員面前亟待解決的一個問題。[1-2]

回歸煤礦生產能力為90萬t/a，面積27km2。為一套海陸交互相含煤碎屑巖沉積。以細碎屑巖為主，夾煤及石灰巖。砂巖最多，一般50%左右，粉砂質泥巖、泥巖37%，煤層8.2%，灰巖4.6%，產腕足類化石和植物化石，厚度97.16～119.81m，平均108.09m。含煤8～12層，其中可采煤層2層，即9、15號煤層，與下伏地層茅口組呈假整合接觸。

該礦軌道下山布置于9煤和15煤之間的粉砂巖中，掘進寬度5.0m，墻高1.8m，最小埋深約170m，最大埋深約400m，設計長度320m，現已掘進約270m。此巷道圍巖條件均較差，局部分布有小斷層地層圍巖破碎變形很嚴重，現場使用的支護方式已無法控制圍巖變形，巷道出現尖頂、片幫、嚴重底鼓、錨桿出露甚至拉斷等。

2 軟巖類型分析

由軌道下山已掘部分的情況并參考地質資料可知，巷道所處巖層構造節理、裂隙發育，破碎帶寬度為0.2m左右，礦區內雖未發現斷距大于30m的斷裂構造，但小斷層分布較多，因此可以確定軌道下山屬于節理化程度嚴重型軟巖巷道。

本礦軌道下山圍巖抗壓強度均遠小于25 MPa，因此本礦不屬于高應力軟巖。由何滿潮《軟巖工程力學》第18頁表2-7“軟化程度分類表”可知本礦軌道下山在軟化程度上均屬于超軟化軟巖，工程力學狀態以膨脹、擴容為主，該表也給出了“全斷面錨網噴+關鍵點錨索”的支護建議。[3]

3 位移觀測

采用“十字法”觀測整理，得到兩幫、頂底板四向監測數據，作軌道下山變形位移相對移近量曲線圖和位移速度曲線圖如下所示。

由上述統計結果知，支護完成后至觀測完45天時，軌道下山變形速度基本趨于穩定。巷道頂板和底板收斂量平均分別為63.6mm和43.3m，左幫和右幫平均分別為43.1mm和42.2mm，巷道頂、底板收斂速度分別逐漸穩定在1.0mm/d左右和0.6mm/d左右，左幫和右幫收斂速度均逐漸穩定在0.3mm/d左右。四向監測數據中，頂板移近量遠大于其它三向數據；收斂速度穩定后，頂板移近速度亦較大，為兩幫移近量的三倍以上，頂板移近速度是底板的兩倍左右。收斂速度穩定值較高，說明現支護方式效果不理想，以至整體變形量持續增大，礦壓顯現較為劇烈。

4 數值分析

根據現場參數，采用FLAC3D中的Mohr-Coulomb力學本構模型，建立軌道下山數值模型。模型尺寸為200×200×200 m，共8×106個單元。模型力學邊界設定為：x，y方向邊界固定，底部全約束；模型頂部邊界加載2.0MPa載荷，即等效載荷覆巖自身重量。由軌道下山最大主應力云圖可知，軌道下山在開挖后頂底板產生的礦壓顯現現象較為嚴重，應力集中在兩幫和頂板，兩個頂角最大，兩幫應力集中現象相對較輕。由塑性區圖可知，由頂角開始帶動頂板整體提前進入塑性破壞狀態，并且以剪切破壞為主。

5 結論

結合現場實測數據和FLAC3D數值模擬結果對該礦松軟復雜圍巖巷道變形破壞特征、軟巖巷道圍巖變形破壞機理進行了總結，得出軌道下山變形量大、初期變形速度大、變形持續時間長、圍巖變形有明顯的空間效應以及巷道對應力振動和環境變化非常敏感的結論。

參考文獻：

[1]李可.走向順層軟巖巷道非對稱錨網索支護優化研究[J].煤，2016，（12）：14-17.

[2]曾佑富.石嘴山一礦深部高應力松軟復雜圍巖巷道聯合支護研究[D].西安科技大學，2006.

[3]何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學.北京：科學出版社，2002.

基金項目：貴州理工學院大學生創新訓練項目（201614440059）