全煤巷道圍巖破壞規律數值模擬與工程應用

吳玉意，黃劍斌

(中煤能源研究院有限責任公司， 陜西 西安 710054)

厚煤層開采中，全煤巷道的支護問題一直備受關注。近年來國內外許多學者對深埋全煤巷道錨桿與圍巖的支護機理進行了深入的研究，取得了良好的效果[1-6]. 全煤巷道開挖后，圍巖應力重新分布形成彈性區、塑性區、硬化區、塑性軟化區和塑性流動區。由于煤層具有軟弱、抗壓強度低的特性，圍巖在高圍壓下易出現峰后軟化現象。塑性軟化區的巖體強度弱化明顯，傳統的支護手段往往出現難支護、支護效果差等問題[7-11]. 結合小莊煤礦202工作面回采地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件研究不同煤層厚度、不同地應力組合情況下巷道圍巖破壞規律，并在此基礎上提出合理的支護設計，進行現場工業性試驗，評價支護效果。

1 工程概況

小莊煤礦202工作面煤層厚度達8～13 m. 直接頂主要為中粒砂巖，厚11～19 m. 偽頂主要為泥巖，局部為粉砂巖，厚0.5～1.75 m. 直接底主要為鋁質泥巖，厚約4 m. 工作面埋深為400～550 m，走向長1 328 m. 其中，工作面運輸巷斷面掘進寬度5.7 m，掘進高度3.7 m. 巷道穿煤層并沿煤層走向布置，屬于全煤巷道。

2 圍巖應力分布與破壞數值模擬分析

2.1 構建模型

根據工程勘察地質資料，建立三維計算模型，見圖1，模型尺寸為120 m×60 m×50 m，模型上部邊界施加9.5 MPa均布載荷作為上覆巖層自重應力，左右邊界施加水平約束條件，垂直位移不做約束，模型底部距離順槽較遠，認為底部邊界不受開挖影響，因而其底部垂直位移和水平位移均限制為0.

圖1 計算模型圖

采用彈塑性本構模型，屈服準則為摩爾-庫倫屈服準則，所需地層計算參數見表1. 各煤層層間采用interface接觸面進行層間處理，使層間能夠產生剪切錯動，接觸面上同樣會根據摩爾庫倫包絡線判定是否發生剪切破壞，以這種方式模擬層間的不連續性。

表1 地層計算參數表

2.2 模擬方案

1) 模擬巷道煤層厚度在6 m、9 m、12 m和15 m條件下圍巖應力分布特征和變形規律。

2) 模擬側壓系數為0.5、1、2的不同應力組合條件下圍巖塑性區發育情況。側壓系數為0.5時，垂直應力為20 MPa，水平應力為10 MPa；側壓系數為1時，垂直應力為10 MPa，水平應力為10 MPa；側壓系數為2時，垂直應力為10 MPa，水平應力為20 MPa.

2.3 模擬結果分析

2.3.1不同煤層厚度下圍巖應力分布特征

不同煤層厚度下圍巖應力場分布圖見圖2. 由圖2可知，煤層厚度6 m時，由于巷道兩頂角出現應力集中，使圍巖最大應力值達到20.91 MPa. 煤層厚度9 m時，發現應力集中區有向深部移動的趨勢，但是應力集中區范圍變大，應力值降低，此時最大應力值約為17.89 MPa. 煤層厚度12 m時，應力集中區繼續向深部轉移，應力集中區范圍繼續增大，應力值繼續降低。煤層厚度至12 m后，這種規律將不再明顯。當煤層厚度15 m時，應力集中區和應力值變化趨于穩定。由此可知，煤層厚度不斷增大，淺部圍巖碎脹加劇，致使應力峰值向圍巖深部轉移，應力峰值減小，但是峰值范圍增大。

圖2 不同煤層厚度下圍巖應力場分布圖

2.3.2不同應力組合條件下圍巖塑性區發育特征

不同應力組合條件下圍巖塑性區發育圖見圖3. 從圖3中可以看出，整體來看，巷道表面圍巖主要發生拉破壞，兩頂角和深部圍巖主要以剪壓破壞為主；巷道的塑性區發育與最大主應力方向保持一致，當側壓系數為0.5時，巷道頂底板的塑性區范圍明顯大于兩幫，頂部塑性區范圍最大達到5 m，此工況下頂板支護體系對巷道的穩定性起到關鍵作用。當側壓系數為1時，頂板與兩幫的塑性區較為平均，巷道兩頂角的塑性區發育明顯，支護時應該加強兩頂角的支護。當側壓系數為2時，巷道的4個角部裂隙發育最為嚴重，兩幫塑性區范圍明顯大于巷道頂底板，兩幫塑性區范圍最大達到4.5 m，此工況下應該加強兩幫的支護。

圖3 不同應力組合條件下圍巖塑性區發育圖

3 圍巖控制對策及工業試驗

在現場試驗段進行了地應力測試，測試結果為：最大垂直應力為12.1 MPa，最大水平應力為11.4 MPa. 結合上述模擬研究結果發現：該工況下最大垂直應力約等于最大水平應力，此時巷道塑性區的發育范圍較為平均，巷道的頂角處破碎嚴重，煤層厚度不斷增大，淺部圍巖碎脹加劇，易發生整體性冒落。結合上述規律可知，提高頂板支護強度，改善淺部圍巖松散破碎尤為關鍵。同時，頂板強度高、剛度大時，在角部撓度與轉角對幫部產生的偏應力減小，對幫部的受力情況也有所改善[12].

以改善頂板整體強度為支護原則，提出了高強度預緊力錨索+錨桿+鋼筋網的聯合支護方案，順槽支護見圖4，頂板錨桿規格d22 mm×2 200 mm，間排距700 mm×800 mm，每排8根，頂板全部錨桿與BHW-150-3.0型鋼帶聯合使用；錨索規格為d18.96 mm×7 000 mm，間排距1 400 mm×2 400 mm，每排4根。兩幫錨桿規格為d22 mm×2 200 mm，間排距800 mm×800 mm，每排5根，煤層變厚時應適當加長錨索。

圖4 順槽支護設計圖

掘進期間巷道變形監測數據見圖5. 由圖5可知，成巷后40天圍巖整體變形趨于穩定，頂板最大下沉量為72.4 mm，兩幫最大移近量為51.2 mm. 掘進及回采期間沒有發現網兜、片幫和錨桿索拉斷現象。圍巖變形較小，支護效果良好。

圖5 掘進期間巷道變形監測數據圖

4 結 論

1) 隨著煤層厚度增加，頂板應力峰值向深部轉移，應力峰值范圍增大，應力值降低，當煤層厚度達到12 m后，這種規律將不再明顯。不同應力組合條件下，巷道的塑性區發育與最大主應力方向保持一致，支護的關鍵部位將發生變化。

2) 以“錨桿一次柔性支護，高強度錨索二次加強支護”為原則的聯合支護方案與圍巖耦合性較好。