深部巷道圍巖變形數值分析及控制研究

李 鑫

（潞安集團余吾煤業有限公司，山西 長治 046103）

潞安集團余吾煤礦深井開采期間，井下巷道變形量很大，且圍巖變形速度較快，嚴重地制約了巷道正常的生產、運輸使用。本文依據實際工程地質條件，采用數值模擬方法，研究了深部巷道圍巖變形具體參數，并應用于現場實踐，有效地控制了巷道圍巖的強烈變形，取得較好的支護效果，為類似條件巷道支護提供了借鑒的基礎。

1 工程概況

山西省長治地區潞安集團余吾煤礦北風井東翼采區N2105工作面開采期間，1#回風大巷存在長約60m的巷道破壞段。該巷道段年平均圍巖位移變形量高達1.1～1.5m，巷道斷面收縮變形率接近24%～36%左右，每隔三個月就需要臥底一次。巷道圍巖局部裂隙發育，甚至部分裂隙嚴重發育地點出現了短期滴水的現象，頂板嚴重下沉，兩幫嚴重收縮，底鼓量也大，巷道圍巖整體斷面嚴重收縮，嚴重制約礦井的安全生產。

2 巷道圍巖變形數值分析

2.1 數值模型的建立

根據東翼采區1#回風大巷實際工程地質條件，適當簡化地質條件建立數值模型，所建Flac3D數值模型的尺寸為長×寬×高=60m×60m×80m，大巷尺寸為寬×高=4.8m×4.0m，采用Mohr-Coulomb強度準則作為煤巖體材料的屈服判據。模型中各巖層參數根據實驗室測定數據及現場情況加以修正確定后，如表1所示（從下向上依次為底板至頂板）。

表1 各主要巖層力學參數

所建模型左、右兩側邊界采用水平位移約束，底部邊界水平和豎直方向約束，在模型上部邊界根據不同埋深情況施加相對應的均布載荷替代上覆巖層的重力效果，取重力加速度為9.8m/s2。

2.2 模擬結果分析

數值模擬研究了500m、600m、700m、800m、900m和1000m等6種不同埋深情況下巷道圍巖中垂直應力和水平應力的變化規律，計算得到了巷道圍巖中變形破壞的塑性區范圍變化情況。

2.2.1 巷道圍巖頂部應力分析

由圖1可知，隨著煤層開采深度的遞增，巷道圍巖垂直應力分布呈現出以頂板中心軸為基準的對稱式分布規律。且隨著煤層開采深度的遞增，其圍巖中垂直應力值也相應的地增大。東翼采區上山大巷平均埋深500m左右，巷道整體承受垂直應力較大，巷道左右側垂直應力近似對稱分布，兩幫向外5m附近出現垂直應力集中程度最大，支護結構承受較大的集中應力作用，右幫垂直應力與左幫近似分布。在巷道頂部和底角附近形成較大的應力升高區，圍巖產生應力松弛，并伴隨拉應力破壞，支護結構不能有效阻止應力破壞，使巷道整體支護結構失效。在巷道的兩肩和兩底角一定距離處均出現剪應力集中區，且剪應力在左、右肩深部圍巖應力達到8.7MPa，左、右側底角區域由于圍巖變形破壞嚴重，形成了剪切破壞后的低應力區，巷道頂部及兩側底角處成為支護最薄弱處，巷道由底角破壞引發整體失穩。

圖1 巷道頂板垂直應力分布圖

由圖1還可知，當煤層上山大巷開挖后，頂板中垂直應力隨著遠離巷道中心線而出現遞增的變化趨勢。在距離巷道中心線0～4.0m范圍內垂直應力呈急劇增大趨勢，并且在距離巷道中心線4～5.5m位置處達到應力峰值，隨后5.5m之外范圍內應力值基本保持不變。

2.2.2 巷道圍巖兩幫應力分析

由圖2可知，隨著煤層開采深度的遞增，巷道圍巖垂直應力分布呈現出以幫部中心軸為基準的對稱式分布規律。且隨著煤層開采深度的遞增，其圍巖中垂直應力值也相應的增大。巷道兩幫部垂直應力在距巷道中心軸0～1.5m范圍內急劇增至最大值，可見中心軸上下1.5m范圍內的幫部圍巖呈彈～塑性狀態，是需要重點控制的范圍。根據幫部受力特點分析可知，當采深超過800m時，幫部圍巖中應力呈現出較大的變化特征，因此，800m是幫部圍巖急劇變化的臨界采深。

圖2 巷道幫部垂直應力分布圖

2.2.3 巷道圍巖塑性區分析

圖3所示數值模擬結果表明，當巷道埋深在800m時，其圍巖中呈現出巨大的塑性破壞區。此時，巷道圍巖頂板中塑性范圍為2.6m，左幫和右幫中塑性區分別為5.2m和5.4m。同時巷道右側底角處出現剪切破壞區，拉、剪復合破壞區大范圍擴展造成了巷道的破壞，巷道底板塑性破壞達到最大值為6.1m，由于巷道受應力和滲流水影響相互疊加作用，使塑性區大范圍擴展，巷道幫頂及底板區域均具有破壞性質，進而造成巷道支護結構失效，導致巷道失穩。巷道圍巖剪切破壞區、拉破壞區均隨著采深增加而增大，且在埋深大于800m后急劇增大，800m埋深為一拐點。此時巷道表現為變形嚴重及維護困難，大巷支護需要研究新的支護體系。數值模擬結果可為支護體系參數選擇及支護方案設計提供參考依據。

3 工程控制效果分析

根據數值模擬分析結果，并在大量現場實際礦壓觀測基礎上，研究得出了適合該東翼采區上山大巷的具體支護技術方案，即預留圍巖變形量讓壓再局部二次噴漿補強工藝技術。支護工藝參數見圖4所示。

圖3 塑性區分布范圍變化圖

圖4 東翼采區上山大巷支護斷面示意圖

當采用上述支護技術方案后，巷道觀測點頂底板位移量最大值為56mm，兩幫位移量最大值為22mm，巷道整體呈現為穩定狀態，變形極為緩慢，頂底與兩幫的變形量都在可控范圍之內，巷道斷面可以滿足正常使用要求，保證礦井安全運輸及高效開采。

4 結論

（1）隨著巷道埋深遞增，巷道圍巖頂板和兩幫中分別呈現出以頂板和幫部中心軸為基準的對稱式分布規律。且其垂直應力值隨著開采深度增加而增大，當埋深超過800m時巷道圍巖中應力呈現出較大的變化特征，變形破壞程度加大。

（2）當埋深在800m時巷道圍巖呈現出巨大的塑性破壞區，巷道頂板塑性區范圍為2.6m，左幫和右幫塑性區分別為5.2m和5.4m。同時巷道右側底角處出現剪切破壞區，拉、剪復合破壞區的大范圍擴展造成了巷道的破壞，巷道底板塑性破壞達到最大值為6.1m，此結果可為支護方案設計提供參考依據。

（3）結合數值模擬綜合分析得出巷道幫頂處圍巖的惡化是導致巷道失穩破壞的主要因素，此處圍巖破碎，受到裂隙水和構造應力影響，圍巖泥化致使自身承載力喪失，應力在此處釋放，造成支護結構局部應力集中，產生不規則變形，承載性能大大降低。