大埋深大斷面硐室圍巖變形規律研究

郭順新

（內蒙古昊盛煤業有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

我國西部煤炭資源豐富，礦井生產規模大，對應的巷道斷面尺寸越來越大，開采深度越來越深，巷道和硐室圍巖變形嚴重難以控制，給生產帶來諸多不利影響。井底車場和硐室開拓空間大，圍巖壓力大，極易發生冒頂事故[1-2]，大斷面硐室使用年限長，支護難度大，對于礦井來說，掌握硐室圍巖變形的規律，采取合理有效的支護技術十分必要[3-4]。

1 工程地質條件

石拉烏素煤礦礦井埋藏較深，井底車場布置在2-2煤層底板往下10～15m處，井底車場的埋藏深度在690m左右。本文以石拉烏素煤礦膠輪車硐室的支護為工程背景，研究以該巷道為代表的深井大斷面硐室的變形規律。

膠輪車硐室上覆巖層以粗中粒砂巖為主，巖層內部層狀節理發育，節理間的間距一般在50～100mm左右。硐室圍巖以中、細砂巖為主，含薄層砂質泥巖，巷道頂部巖層較軟，巖層內部節理較多，巖體較破碎，強度較低；中部偏上位置巖體較完整，硬度較大；巷道下部分巖體較堅硬，但含節理較多。膠輪車存放硐室為半圓拱形巷道，巷道尺寸如圖1所示。

圖1 膠輪車存放硐室斷面圖（mm）

2 理論分析研究

硐室埋深較深，對于此類型硐室所處的地應力條件，簡化為靜水壓力條件，巷道力學模型簡化為雙向等壓圓孔受力分析。巖體力學理論可知，巷道周圍最大應力為切應力，巷道自由面處于切向壓力狀態，巷道深部則逐漸變成三相圍壓狀態。

巷道維護的關鍵在于改變巷道表面附近圍巖的受力狀態，增強其承載強度，同時將壓力向深部轉移，使巷道表面附近處于低壓區，因而必須首先研究巷道的極限平衡區范圍。

根據巖體力學結論，靜水壓力條件下，圓形巷道周圍的極限平衡區半徑為

式中：

R-圓形巷道周圍極限平衡區半徑，m；

r-巷道半徑，m；

γ-巖層平均體積力，25kN/m3；

H-巷道埋深，690m；

C-巖層內聚力，2.4MPa；

φ-巖層內摩擦角，33°。

取膠輪車存放硐室斷面半徑為3.95m，則其破壞寬度為2.07m。

彈性應力條件下，巷道周圍應力與圍巖的彈性模量和泊松比無關，但與原巖應力分布和巷道形狀密切相關。對于非圓形孔，其拐角處會出現應力集中，故非圓形巷道在拐角處更容易產生破壞；因石拉烏素礦膠輪車存放硐室為半圓拱形巷道，故應力集中導致容易破壞的現象產生在巷道兩個底角處。而較長的直線邊上容易出現拉應力，對應到本次研究對象，則表現為底板易出現拉應力，有可能產生底鼓。

3 數值模擬研究

3.1 模型建立

本次模擬采用FLAC3D數值分析軟件，模擬對象為膠輪車硐室。選用摩爾庫倫模式進行計算，巖層軟化系數取0.7。模擬過程中使用Cable結構單元模擬錨桿、錨索，Liner結構單元模擬網噴支護，巷道開挖后對其進行支護，錨桿間排距900×900mm，錨索間排距2000×1600mm，噴漿厚度15mm。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 圍巖破壞特征

如圖2所示，巷道無支護時（a），巷道開挖后，破壞區域向兩幫、拱肩和頂底板擴展，但巷道兩底角未發生破壞，頂板破壞深度最大達到9.3m，底板破壞區厚度達8.5m。錨噴支護時（b），巷道破壞規律與無支護時基本一致，兩底角同樣始終未出現破壞，但是破壞深度相對較小，巷道頂板和底板剪切破壞區分別只有7.5m和6.2m，巷道底鼓現象也相對緩和。由此可知，本次支護大大減小了頂底板的破壞區，有效減少了底鼓量。

圖2 巷道開挖塑性區破壞情況

3.2.2 圍巖變形特征

圖3 巷道開挖位移變化情況

圖4 巷道開挖位移矢量圖

如圖3所示，巷道無支護時（a），頂底板位移超過10mm區域（巷道周圍無色部分）的厚度均達8m左右，而兩幫則達6.3m。巷道支護情況下（b），巷道頂底板和兩幫位移量大大降低，巷道頂底板和兩幫位移大于10mm的區域厚度分別只有4.4m、7.3m和4.7m。巷道開挖后，以位移等值線為表征的巷道變形影響區域邊界，由以巷道為中心的近似圓形逐漸向上擴展為長軸在豎直方向的橢圓形，逐漸形成開放的鐘形曲線。巷道正下方位移小于兩側。支護后的巷道，變形量比無支護巷道小得多，而對深部巖體的影響范圍則比無支護時小得多。

由圖4可知，巷道基本穩定以后，最大水平位移出現在巷道拱形與直墻交接處，而最大豎直位移出現在巷道頂板圓拱最高點。巷道位移最小處為兩個底角。支護以后，相同位置位移，無論水平分量還是豎直分量，都比支護以前明顯減小。

4 實測研究

圖5 巷道圍巖變形量及變形速率

巷道自開挖后，巷道變形（頂板、弧形區、兩幫）速率由快到慢，最終趨近于0；巷道累計變形量依次為20.9mm、22.0mm、24.1mm，最大變形速率依次為 3.8mm/d，3.9mm/d，4.6mm/d。

受到掘進影響，巷道圍巖處于變動狀態，硐室表面位移變形量小，巷道圍巖得到較好的控制。

5 結論

（1）通過理論分析計算得出巷道圍巖一側破壞寬度1.92m。

（2）巷道開挖后，破壞區域向兩幫、拱肩和頂底板擴展，但巷道兩底角未發生破壞。巷道無支護時，頂板破壞深度和底板破壞區厚度最大達到9.3m、8.5m，錨噴支護時，破壞區分別僅7.5m和6.2m。

（3）巷道無支護時，頂底板位移超過10mm區域的厚度均達8m左右，兩幫則達6.3m，支護后，巷道頂底板和兩幫位移量大大降低，巷道頂底板和兩幫位移大于10mm的區域厚度分別只有4.4m、7.3m和4.7m。

（4）支護大大減小了頂底板的破壞區，減小巷道累計表面位移，經實測顯示支護效果較好，巷道累計變形量依次為20.9mm、22.0mm、24.1mm，滿足工程要求。