基于深部軟弱煤巖條件下巷道蠕變規律的數值模擬分析

陳前款，吳德義

(安徽建筑大學，安徽 合肥 230022)

中國是世界上最大的發展中國家，特別是近幾十年的快速發展，每年對資源的需求量都在快速增長。我國煤炭資源豐富，一直都是我國使用的主要能源，在全國大部分地區都有分布。但是，在已知的煤礦中，大約有一半的煤炭資源分布在地面以下一千多米的深度。而且由于我國煤炭資源分布廣泛，地下深部巖石環境復雜等原因使得深部開采受到很多的制約因素。另外，我國東部煤礦的淺部煤炭資源已逐漸衰竭，從長遠考慮，為了實現煤炭工業的可持續發展，深部開采已成為煤炭工業必須攻克的重大課題[1]。在深部煤礦開采過程中，大部分巷道布置在軟弱煤層中。由于開挖后巷道周圍巖石環境的改變，導致巷道表面的應力應變產生改變，超過一定的限值后就會產生巷道的蠕變變形破壞。大量的現場測量和室內試驗表明:煤巖的蠕變屬性更為顯著[2]。目前巷道變形破壞成為我國深部開采的重要制約因素，嚴重影響巷道安全使用，保持圍巖變形穩定已成為深部煤炭可持續安全高效開采的關鍵[3]。

數值模擬技術作為巖石力學研究的一種新的方法和手段，已經在諸如大尺度巖石力學試驗模擬以及巖石工程的力學行為仿真中得到了廣泛運用[4]。在地底深部軟弱煤巖條件下，本文利用FLAC 3D數值模擬軟件并采用控制變量法對不同環境下(不同巷道尺寸、原巖應力和圍巖黏聚力)巷道圍巖水平和豎直方向的蠕變特征進行模擬分析，從而總結分析出巷道圍巖蠕變規律。

1 數值分析模型的建立

在深部軟弱煤巖條件下，當圍巖的應力場達到煤巖強度極限時，圍巖就會產生蠕變[5]。巷道實際的蠕變規律是多種影響因素共同作用下的結果，在實際分析中不可能也沒有必要將所有影響因素全部考慮在內。在本文中，簡化的數值分析模型(圖1)是綜合礦上工程實際以及相關的理論知識，總結出主要的影響因素后建立起來的。

圖1 數值分析模型

在圖1的模型中，以矩形作為巷道的斷面形式，并以矩形中心點作為原點建立模型。整個模型尺寸為60 m×2 m×60 m，計算范圍內的網格劃分從里向外的漸變比例設定為1.1，共有12544個計算單元。模型上邊界設定受到原巖應力，其余邊界受到相應方向的剛性約束。由于巷道開挖后周圍原巖性質的改變，選用粘塑性(cvisc)蠕變本構模型能得到更好的模擬效果[6]。

2 數值分析計算

采用控制變量法分別分析不同巷道尺寸、原巖應力和圍巖黏聚力下巷道各個方向的蠕變位移值，根據軟件模擬出來的不同條件下的結果，研究水平和豎直方向的位移隨時間變化的關系，通過總結分析得出規律性的結論。

2.1 不同巷道尺寸下蠕變位移變化規律

保持原巖應力為20 MPa和圍巖黏聚力為1.5 MPa不變，并以120 d作為蠕變的發展時限。選取巷道尺寸分別為3 m×3 m、5 m×3 m、6 m×5 m得出的水平和數值方向的位移圖如圖2、圖3、圖4所示。

由于直接分析以上圖形中蠕變位移隨時間變化規律不夠方便，利用Origin分析軟件來分析以上數據得出圖形如圖5、圖6所示。

圖2 3 m×3 m下巷道表面位移圖

巷道水平方向蠕變位移隨時間變化曲線如圖5所示，從圖中可以看出在初始蠕變時期(蠕變前10 d內)三種巷道尺寸下的水平位移均發展較慢，且沒有明顯的差別；在10 d至25 d期間發展速度較快，但巷道尺寸對此階段蠕變位移的影響較小，三條曲線接近重合；25 d之后巷道尺寸的對位移的影響開始明顯地表現出來，三條曲線出現較大的區別，位移逐漸增大但蠕變位移發展速度逐漸降低直至位移趨于穩定。

巷道豎直方向蠕變位移隨時間變化曲線如圖6所示，與水平位移類似，在初始蠕變時期(蠕變前10 d內)三種巷道尺寸下的豎直位移均發展相對緩慢，且沒有明顯的差別；蠕變時間到10 d后位移發展速度相對前10 d較快，且與水平位移不同的是此時由于巷道尺寸的不同影響三條曲線開始出現分離；25 d之后位移逐漸增大但蠕變位移發展速度逐漸降低直至位移趨于穩定。

圖3 5 m×3 m下巷道表面位移圖

圖4 6 m×5 m下巷道表面位移圖

圖5 巷道水平位移變化曲線

綜合水平和豎直方向的位移變化特征可以看出，在蠕變前期蠕變量都比較小，且巷道尺寸對蠕變量的影響不大，在蠕變中前期之后巷道尺寸對位移的影響逐漸明顯。同一時間點尺寸較大的巷道相對尺寸較小的巷道其蠕變位移和蠕變速度都較大，且較大巷道尺寸下的蠕變穩定時間也較長。相比豎向位移，同一時間點的水平位移也都比豎向位移大了許多，說明巷道幫部的蠕變要比頂板的更明顯[7]。所以在深部軟弱煤巖中，大尺寸巷道的蠕變現象較為顯著，其導致的蠕變破壞風險比小尺寸巷道下的高很多，且幫部產生的破壞一般多于頂板。

2.2 不同原巖應力下蠕變位移變化規律

保持巷道尺寸為3 m×3 m，圍巖黏聚力為1.5 MPa不變，并以120 d作為蠕變的發展時限。選取原巖應力分別為14 MPa、16 MPa、20 MPa得出的水平和豎直方向的位移圖，運用 FLAC 3D 軟件蠕變模塊分析了不同應力條件下，無支護巷道的蠕變特性[8]。直接給出處理后的水平和豎直方向的位移與時間關系曲線如圖7、8。

圖7 巷道水平位移變化曲線

圖6 巷道豎直位移變化曲線

不同原巖應力下巷道水平位移隨時間變化關系如圖7。蠕變前期位移發展速度最快，且一開始原巖應力的不同就對位移發展產生明顯的影響，即應力越大，位移大小和發展速度都越大；10 d之后三條曲線分離明顯且蠕變發展速度逐漸減小，直至70 d后蠕變位移逐漸穩定。

不同原巖應力下巷道豎直位移隨時間變化關系如圖8。蠕變前期位移發展速度也是最快的，且不同應力下豎直方向位移初始值就有了相對明顯的區別，并且也表現出應力越大，位移大小和發展速度都越大的現象；10 d之后三條曲線分離明顯且蠕變發展速度總體上是降低趨勢，期間蠕變速度也會有短暫的回升；相對水平位移，豎向位移穩定時間較長，大概在一百天時趨于穩定。

圖8 巷道豎直位移變化曲線

綜合比較不同原巖應力條件下水平和豎直方向的蠕變量隨時間變化曲線，在蠕變整個過程中原巖應力對蠕變量的影響都比較大。同一時間點應力較大的巷道相對應力較小的巷道其蠕變位移和蠕變速度都較大，且較大應力下的蠕變穩定時間也較長。相比豎向位移，同一時間點的水平位移都比豎向位移大了許多，說明巷道幫部的蠕變要比頂板的更明顯。在前70 d，蠕變速度變化較大，之后速度幾乎沒有變化，所以在深部軟弱煤巖支護中，要重點做好前70d的檢測和加固。深度越大的巷道其蠕變現象也越明顯，其導致的蠕變破壞風險也很高。

2.3 不同圍巖黏聚力下蠕變位移變化規律

保持巷道尺寸為3 m×3 m，原巖應力為20 MPa不變，并以120 d作為蠕變的發展時限。選取三種不同巖性其黏聚力分別為08 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa得出的水平和豎直方向的位移圖，直接給出處理后的水平和豎直方向的位移與時間關系曲線如圖9、10。

圖9 巷道水平位移變化曲線

圖10 巷道豎直位移變化曲線

從圖9中可以看出，在不同圍巖黏聚力下巷道水平方向的位移在起始階段都比較小，三者位移值都相差不多。10 d至50 d之間巷道水平方向蠕變量快速增加，蠕變速度也快速增加到最大值；之后蠕變速度急劇下降，水平位移趨于穩定；隨著圍巖巖性的變差(即圍巖黏聚力的減小)，蠕變量和蠕變速度逐漸增加，并且蠕變達到穩定的時間也相對增加。

圖10顯示，在不同圍巖黏聚力下巷道舒適方向的位移在起始階段也都比較小，三者位移值都相差不多，蠕變量在前50 d增加速度較快。但與水平方向不同的是，在前50 d內位移發展速度幾乎保持不變并于45 d左右驟減直至圍巖穩定。與水平方向相同，隨著圍巖巖性的變差(即圍巖黏聚力的減小)，同一時間點蠕變量和蠕變速度都相對較大，并且蠕變達到穩定的時間也相對增加。

綜合圖9和10分析，在蠕變的起始階段至穩定的全過程中圍巖黏聚力對蠕變量、蠕變速度以及蠕變穩定時間的影響都比較大。無論是在水平還是豎直方向，同一時間點時巖性較差的巷道其蠕變位移和蠕變速度都較大，且蠕變穩定時間也較長。相比豎向位移，同一時間點的水平位移也都比豎向位移發展明顯，說明巷道幫部的蠕變要比頂板的更明顯。在前45 d，豎直方向蠕變速度沒有明顯變化，而水平方向速度變化較明顯，之后兩者速度幾乎沒有變化。深部軟弱煤巖支護中，針對不同巖性的圍巖前45 d的觀測和支護尤為重要。

3 結語

(1)隨著巷道尺寸、原巖應力增大以及圍巖巖性的降低，巷道表面的蠕變位移發展程度大、速度快，且水平方向上的蠕變位移大于豎直方向的蠕變位移，趨于穩定的時間也增加。

(2)圍巖的初始蠕變以及加速蠕變階段一般在巷道開挖后70 d之內，故在工程實際中要加強前70 d的監測以及支護。

(3)當巷道尺寸發生變化，穩定時的蠕變量增加最多，增加幅度也較大。由此可見，在深部軟弱煤巖中，巷道尺寸的大小對圍巖表面蠕變量的影響較大。工程中應根據實際需要，在保證工程效率和需要等的條件下盡量選擇較小的巷道尺寸。