深井軟巖巷道圍巖變形數值模擬分析及控制研究

李建永

(山西晉城煤業集團 勘察設計院有限公司，山西 晉城 048006)

針對深井軟巖巷道圍巖控制問題，從軟巖巷道的變形機理及支護方面,國內外進行了大量研究。張振全[1]針對深部高應力軟巖巷道難以支護的問題，系統分析總結了該類巷道變形破壞特征，并提出了錨網索注聯合支護對策。文獻[2-3]提出了適用于深井軟巖的新型復合支護技術體系，使圍巖整體穩定性得到顯著加強。文獻[4-5]采用數值模擬方法，基于實際地質條件，模擬了軟巖巷道支護方案，得出具體的支護參數，為支護方案提供設計依據。僅從理論層面難以解決深井軟巖巷道大流變、大變形難題，需要結合現場實際采用多種研究手段綜合研究解決。依據山西省晉東南地區某深部礦井的實際工程地質條件，采用數值模擬方法，研究深井軟巖巷道圍巖變形具體參數，并應用于現場實踐。

1 工程概況

該深部礦井受到深部高應力環境的影響，井下高應力軟巖巷道變形量大，且圍巖變形速度較快，嚴重地制約了巷道的正常使用。尤其是在受掘進、開采影響下，巷道圍巖變形破壞趨勢更加顯著。根據現場多點實測巷道斷面收縮率統計結果可知，巷道斷面收縮率平均值為32%，局部變形破壞嚴重的地方收縮率高達65%以上。

該礦井井下東二南采區軌道大巷存在長約60 m的某段每年圍巖位移變形量高達1.1～1.5 m，斷面收縮變形率24%～36%，每隔3個月就需要臥底一次。井下西二軌道下山段每年頂板下沉量1.5～2.0 m，斷面收縮變形率37.5%～64.75%. 東二南采區軌道大巷標高-790～-960 m，巷道圍巖局部裂隙發育，部分裂隙嚴重發育地段出現短期滴水的現象，頂板嚴重下沉，兩幫嚴重收縮，底鼓量也大，巷道圍巖整體斷面收縮，嚴重制約礦井的安全生產。

本文根據東二南采區軌道大巷實際地質條件為工程背景，通過研究分析巷道圍巖變形破壞機理，以此為基礎為后續的巷道支護設計提供參考依據，進而實現深井軟巖巷道圍巖的良好控制，進而保障后續礦井的安全生產。

2 巷道圍巖變形數值模擬分析

2.1 數值模型的建立

根據井下東二南采區軌道大巷B64地質勘探點實際工程地質條件，適當簡化建立FLAC3D數值模型，所建尺寸為長60 m×寬60 m×高80 m，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，見表1.

表1 各主要巖層力學參數表

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9.8 m/s2.

2.2 模擬結果分析

數值模擬研究了500 m、600 m、700 m、800 m、900 m和1 000 m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，并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

對不同埋深的巷道圍巖進行數值模擬運算，其對應的巷道圍巖頂板垂直應力分布隨采深變化情況見圖1. 由圖1可知，不同埋深的巷道圍巖頂板均在巷道中心線位置處垂直應力最小，且在距離巷道中心線0～5.5 m隨著距離的遞增垂直應力逐漸增大，之后垂直應力趨于穩定而處于原巖應力狀態，整體變化呈現出以巷道中心線為對稱軸的倒漏斗形狀。隨著巷道埋深的遞增，頂板中對應的垂直應力整體上也遞增。

圖1 巷道頂板垂直應力分布圖

東二南采區軌道大巷埋深800 m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5 m附近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8.7 MPa，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。

綜上所述可知，巷道頂板中垂直應力大小與巷道埋深呈正比例關系，且在距離巷道頂板中心線兩側5.5 m范圍內垂直應力存在急劇變化的規律。

2.2.2巷道圍巖幫部應力分析

對不同埋深的巷道圍巖進行數值模擬運算，其對應的巷道圍巖幫部垂直應力分布隨采深變化情況見圖2. 由圖2可知，巷道幫部垂直應力在距離巷道中心線0～1.5 m隨著距離的遞增垂直應力逐漸增大，之后垂直應力趨于穩定而處于原巖應力狀態，說明巷道兩幫0～1.5 m圍巖呈彈-塑性狀態，是需要重點控制的范圍。

圖2 巷道幫部垂直應力分布圖

由圖2可知，隨著巷道埋深的遞增，巷道圍巖幫部對應的垂直應力整體上呈遞增趨勢。根據幫部受力特點分析可知，當采深超過800 m后，應力呈現較大的變化，因此，800 m埋深是巷道圍巖急劇變化的臨界采深。東二南采區軌道大巷埋深平均在800～900 m，有必要針對性進行加強支護。

2.2.3巷道圍巖塑性區分析

塑性區分布范圍變化見圖3. 由圖3可知，巷道圍巖剪切破壞區、拉伸破壞區均隨著采深增加而增大，且在埋深大于800 m后急劇增大，因此800 m埋深為一拐點。東二南采區軌道大巷埋深超過800 m時，巷道表現為變形嚴重及維護困難，800 m為巖巷變形嚴重的臨界埋深值，因此東二南采區軌道大巷支護需要研究新的支護體系。

圖3 塑性區分布范圍變化圖

模擬結果顯示800 m埋深巷道周圍呈現巨大塑性破壞區，巷道頂板塑性范圍為2.6 m，左幫和右幫塑性區分別為5.2 m和5.4 m，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6.1 m，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。

3 工程控制效果分析

根據數值分析結果，在大量實際礦壓觀測基礎上，研究得出了適合該礦軟巖巷道支護技術參數及體系，即預留圍巖變形量讓壓局部二次噴漿補強工藝技術。支護工藝參數見圖4.

圖4 東二南采區軌道大巷支護斷面示意圖

采用預留變形量讓壓局部二次補強錨網索聯合承載拱支護技術后，圍巖的變形過程平緩，并逐漸趨于穩定。巷道觀測點頂底板位移量最大值為56 mm，兩幫位移量最大值為22 mm，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。

東二南采區軌道大巷支護方案改進前后的巷道圍巖應力環境數值模擬結果見圖5. 由圖5可知，支護方案改進后，巷道圍巖應力環境要明顯好于原有的支護方案，巷道頂板、兩幫和底板中的垂直應力集中明顯降低，有利于巷道的長久維護。

圖5 東二南采區軌道大巷支護改進前后數值模擬結果圖

4 結 論

1) 隨巷道埋深增加，巷道圍巖垂直應力分布呈圓筒狀近似對稱分布，頂板及底板出現拉應力區，其范圍隨采深增加而增大，埋深超過800 m時巷道塑性區破壞范圍明顯增大，變形破壞程度加大。

2) 巷道兩幫垂直應力近似對稱分布，兩幫外5 m附近出現較大垂直應力集中，剪應力在左、右肩深部圍巖應力達到8.7 MPa左右，在距巷道中心0～5.5 m頂部垂直應力急劇增大，且在距巷道中心6～8 m達到峰值。

3) 巷道幫部水平應力距巷道中心0～1.5 m急劇增加到最大值。800 m埋深巷道圍巖呈現巨大塑性破壞區，巷道頂板塑性范圍為2.6 m，左幫和右幫塑性區分別為5.2 m和5.4 m，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6.1 m，此結果可為支護方案設計提供參考依據。

4) 結合數值模擬綜合分析，得出適合該礦軟巖巷道支護技術參數及體系，即預留圍巖變形量讓壓局部二次噴漿補強工藝技術。現場支護效果及數值模擬結果表明其對巷道圍巖的支護效果良好。