深部巷道破壞機理研究

白 杰

（西山煤電集團杜兒坪礦， 山西 太原 030022）

隨著我國的工業(yè)迅猛發(fā)展，能源的消耗也越來越快。雖然我國的煤炭資源存量豐富，但隨著我國使用煤炭的年限不斷增加，我國煤炭賦存條件較為好的煤層已經得到了大幅度的開采，剩余的煤炭資源大多賦存條件復雜，開采難度較大。但考慮到煤炭資源的轉型工作并沒有完成，煤炭資源的消耗仍是我國目前為止使用最多的能源。目前我國的煤炭開采已經逐步向著深部煤層前進，但隨著深度煤層的開采，地應力的集中現(xiàn)象也逐步顯現(xiàn)了出來，深部煤層的地應力比淺煤層的地應力要大很多，所以如何在深度開采的同時保證巷道的穩(wěn)定性也成為了學者目前研究的目標。陳冰等人[1]對深度煤層開采地質資料不充足的問題做出了研究，通過對礦井上下地質的取芯研究對深度煤層的地質條件進行測量，為以后同樣的問題解決提供了方法。高新等人[2]為了研究深部煤層的地應力過大造成的沖擊抵押的問題，利用數(shù)值模擬對深部巷道的失穩(wěn)問題作出了研究，提出合理布置炮孔的位置進行爆破卸壓來達到減弱沖擊壓力的作用，卸壓效果較好。肖忠黨等人[3]通過數(shù)值模擬軟件FLAC-3D 對深部巷道的支護系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，得出了最優(yōu)的巷道支護方案降低了巷道的圍壓，保證了巷道的穩(wěn)定性。王文苗等人[4]通過模擬軟件對深度巷道的受力和變形情況做出了模擬，得出了巷道工作面越長巷道的底鼓跨距越大，且通過對比經驗公式驗證了模擬的合理性。本文通過數(shù)值模擬對深部巷道的圍巖的支護系統(tǒng)進行了優(yōu)化，對比了優(yōu)化的可靠性和優(yōu)越性。

1 巷道模型建立

巷道深部巖層由于所處的地形位置相對比較復雜，所以巖石所受到的圍壓應力等與淺部巖石受到的圍巖應力有著很大的區(qū)別，由于深部巖石的受力較為復雜且受力較大所以深部的巖石變形也相對較大，發(fā)生災害的幾率也就越高。

巷道深部巖層的變形一般很大且發(fā)生的變形的速度很快，由于深部巷道處在高應力集中的地帶，在巷道開采的過程中，由于采動的影響巷道的壓力急劇增加，當壓力的最大值大于巷道的屈服極限后，巷道開始發(fā)生變形，巷道的變形多為塑性變形，變形的范圍內會形成一定的松動圈且松動圈的范圍一般是一個半徑為1.5 m 的圓，松動圈范圍一般根據(jù)地應力的大小來確定，地應力大相應的松動圈的范圍也就越大，反之亦然。同時巷道深部巖石的破碎情況在一定程度上也取決于煤層的埋深，埋深越大的煤層受到的地應力也就越大，相應的巷道變形量也就越大。

巷道在開挖的過程中地應力的重新分布會造成巷道的位移變形，隨著地應力的逐步穩(wěn)定后，巷道受到均勻的載荷，隨著時間的推移，巷道會發(fā)生蠕變特性，巷道的蠕變是一個不可逆的過程，當巷道的變形增大到一定的程度后，巷道由于最大位移準則發(fā)生破壞，造成人員和設備的損害。巷道的圍巖受到的應力計算公式如下：

式中：p為原巖應力；r為巷道的設計半徑；λ 為原巖應力系數(shù)；a為巷道松動圈半徑；θ 為巖石的內摩擦角。

通過現(xiàn)場監(jiān)測和公式的計算可以得出巷道圍巖受到的應力情況，為及時預測巷道的圍巖變形引起的頂板下沉、片幫、底鼓等問題提供了方法。

本文通過數(shù)值模擬的方式對巷道圍巖的受力情況和變形情況作出一定的研究，巷道的巖層按照礦上的地質依次為砂質泥巖12 m，泥巖7.5 m，煤層厚度約為11.5 m，細砂巖18 m。煤層的埋深約為500 m，煤層的傾角為5°，巷道工作面長度約為115 m，巷道的實際寬度為9.8 m。巷道在經歷開挖的過程中，巷道會形成一定的松動圈，在松動圈的范圍內，由于應力分布不同，可能發(fā)生大變形。利用FLAC-3D 數(shù)值模擬軟件對巷道開挖過程中的巷道圍巖變形情況和受力情況作出一定的研究，模型的網格劃分示意圖如圖1 所示。

圖1 模型網格劃分示意圖

如圖1 所示的模型網格示意圖可知，網格本次模擬的模型的高度和寬度都選擇50 m，厚度過厚對模擬的速度有著很大的影響且厚度對模擬的效果影響較小，所以本次模擬選取厚度為5 m，模擬的網格劃分的精確程度對模型的模擬結果有著影響，所以本次模擬對網格劃分十分精細，共有100 705 個單元，共計90 000 萬個節(jié)點。

研究巷道時忽略所在位置的地質構造運動，假設巖石的各項同性，且質地均勻和連續(xù)。對模型的邊界進行約束，頂板為自由面可以隨著應力的加載而變形。模型建立完成后對模型中的參數(shù)進行合理的布置，參數(shù)的合理性在一定程度上影響著模擬的精確性，對模型各層結構進行參數(shù)布置，布置參數(shù)如下表1 所示。

對巷道進行支護，支護的主要材料為襯砌和U型鋼，倆者的結構參數(shù)彈性模量分別為33 MPa 和5.3 MPa，泊松比為0.17 和0.3，參數(shù)布置完成后，對模型進行計算。

表1 模型巖層的參數(shù)布置表

2 模擬分析研究

計算的結果如圖2，圖3 所示。

圖2 巷道圍巖垂直方向應力分布云圖

圖3 巷道圍巖垂直方向優(yōu)化支護應力分布云圖

對比巷道支護前后的應力分布情況。根據(jù)圖2，圖3 可以看出，隨著巷道的開挖，巷道的倆側會受到很小的拉應力作用，而巷道的上下側會受到較大的壓應力，巷道的上下倆側受到的應力明顯出現(xiàn)集中現(xiàn)象，為了減少巷道的變形量應當對巷道的頂板和低板進行應有的支護，減少巷道的頂板和底板的應力集中現(xiàn)象，減少倆者的承壓，避免巷道的頂板發(fā)生下沉和底板發(fā)生底鼓現(xiàn)象。巷道的應力分布呈現(xiàn)出對稱性，對稱中心為巷道的中軸線，塑性區(qū)的面積較小，原有的支護方案下，巷道的垂直方向應力分布明顯更大，最大值達到了51.5 MPa，且應力較大的區(qū)域面積明顯更多，巷道頂板的拉應力區(qū)域高度達到了2.5 m，采用新的優(yōu)化支護方案后，巷道圍巖的變形量減小，巷道的頂板高應力分布區(qū)域明顯減少，應力的集中區(qū)深度減少到了1.5 m 左右，巷道的承載能力明顯增強，最大的壓應力減少到了29 MPa，減少了21.5 MPa。模擬的結果可以很好的反映出隨著巷道的開采影響，巖層強度較弱的泥巖會出現(xiàn)大變形，為了防止變形過大而引起的巷道災害，及時的對巷道危險部位進行卸壓支護是十分必要的，利用支護的材料來承載一部分壓力可以有效地提升巷道的穩(wěn)定性，減少巷道的變形，有效地提升煤礦的安全性和礦山的經濟效益。

3 結論

1）根據(jù)模擬結果可知，垂直方向上的巷道的最大壓應力出現(xiàn)在巷道的頂板和底板處，最大的拉應力出現(xiàn)在巷道的倆側區(qū)域。

2）在原有的巷道支護系統(tǒng)下的最大壓應力為51.5 MPa，且巷道的高壓應力區(qū)明顯大于優(yōu)化后的支護系統(tǒng)，巷道的頂板的高應力分布區(qū)高度為2.5 m，巷道的變形較大。

3）在對巷道支護系統(tǒng)進行卸壓支護后，巷道垂直方向上的最大壓應力為23 MPa，較原有的支護系統(tǒng)應力最大值減少了21.5 MPa，且巷道的高壓應力區(qū)較小，巷道的頂板的高應力分布區(qū)高度為1.5 m，減少了1 m，巷道的變形較先前的支護系統(tǒng)明顯減少，支護的優(yōu)化較為成功。