某深井強采動巷道圍巖破裂失穩的數值模擬

安智廣 李慶國 李 勐 孫華愷 徐繼濤

（1.山東玻纖集團股份有限公司；2.泰安景行新材料有限公司；3.泰安佳成機電科技有限公司）

隨著開采強度和深度的增加，“五高兩擾動”等急難技術問題日益突出，深部巖體表現為明顯的非線性大變形等軟巖力學特性。深部強烈開采擾動下，巷道大變形、錨固失效等問題廣泛存在，使得巷道頂板的穩定性維控問題日益突出。錢七虎等［1］提出深部巷道圍巖分區破裂化與空間、時間效應密切相關，并分析了分區破裂化的主要原因。蘇海健等［2］基于黏彈塑性力學理論，分析了深部巷道圍巖應變軟化、破裂膨脹及流變特征。Jing 等［3］總結了深部巷道圍巖損傷特性，研究了不同錨桿布置方式對圍巖應力場、位移場演化特征及總體破壞規律。侯朝炯［4］證明深部巷道在高地壓作用下，巖石由脆性破壞轉為延性流變破壞，伴有較大塑形變形。黃炳香等［5］采用數值模擬研究了深井采動作用下巷道圍巖大變形及結構失穩機理，并提出了深井采動巷道圍巖流變和結構失穩大變形理論。某礦區段回風巷道受強礦壓的長期劇烈影響，巷道頂板易破碎、煤壁易片幫、底鼓劇烈，巷道維護困難，支護及擴修成本極大，已經嚴重制約了礦井的安全高效生產。因此，以該礦區段回風巷道為案例，采用FLAC3D數值模擬，分析煤層厚度、構造應力及區段煤柱寬度對巷道穩定維控的影響特征，揭示典型地質及工況條件下的深井強采動巷道圍巖破裂損傷機制。

1 工程背景

某礦4105 回風巷為西部典型強采動巷道，巷道位置如圖1所示。工作面南部為盤區的大巷，西側為4106 工作面的設計位置，東側為4104 工作面（正開采），工作面間大煤柱寬度為44.5 m。該工作面南部存在路家—小靈臺背斜，其中背斜的走向方位角為46°～51°。受背斜影響，工作面整體南高北低，地層坡度為1°～4°。工作面埋藏深度為711～730 m，平均埋深為718 m，側壓系數為1.8。煤層厚度為9.5～11.32 m，平均10 m，屬于特厚煤層。巷道直接頂板為厚度3.67 m 的泥巖，裂隙較為發育。基本頂為粗粒砂巖、細粒砂巖和粉砂巖復合互層結構。直接底為厚度4.6 m的鋁質泥巖。基本底為厚度14.6 m的泥巖。

現場調研發現該礦受強礦壓的長期劇烈影響，巷道頂板易破碎、煤壁易片幫、底鼓劇烈。全巷道范圍內都存在鋼帶、鋼筋網破壞等現象。斷錨桿、索等錨固失效現象也頻繁發生，如圖2所示。根據現場測量，4105回風巷掘進期間頂板下沉量115 mm，兩幫收縮量320 mm，影響范圍約70 m。4104 工作面開采期間巷道頂板下沉量為438 mm，兩幫收縮量為872 mm，影響范圍約160 m。巷道變形主要發生在相鄰工作面開采期間，為典型強采動巷道，且影響距離遠，變形時間長，巷道破壞嚴重。這使得在本工作面開采之前要對巷道進行大量修復，主要包括擴幫和鏟底，成本極高。

針對4105 回風巷典型工程地質條件和圍巖破壞顯現特點，采用FLAC3D數值模擬軟件，分析在不同煤層厚度、構造應力及區段煤柱寬度下的巷道圍巖破裂損傷特征，揭示典型地質及工況條件下的深井強采動巷道圍巖破裂損傷機制，為巷道安全穩定控制提供參考。

2 數值模型及模擬方案

采用FLAC3D軟件進行數值模擬，建立的數值模型如圖3 所示。模型尺寸為300 m×60 m×80 m（長×寬×高），模型采用摩爾-庫倫屈服準則，模型上邊界為應力邊界，底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。模型上部加載16 MPa 應力，水平方向加載28.8 MPa 應力，側壓系數為1.8。巖層信息參數見表1。模擬的4105 回風巷斷面尺寸為5.5 m×3.85 m（寬×高）。支護方案為頂板8 根φ22 mm×2 500 mm錨桿，預緊力為30 kN，排距為800 mm，8 根φ21.6 mm×8.8 m 錨索，預緊力為130 kN，排距為800 mm；幫部各5 根φ22 mm×2 500 mm 錨桿，預緊力為30 kN，排距為800 mm。模擬方案如下。（1）固定側壓系數為1.8，煤柱寬度44.5 m，分別模擬煤層厚度為5，8，10及12 m時的巷道變形破壞特征。

（2）固定煤柱寬度為44.5 m，采高為10 m，模擬側壓系數分別為1.0、1.4、1.8 及2.2 時的巷道變形破壞特征。

（3）固定側壓系數為1.8，埋深為700 m，采高為10 m，分別模擬工作面開采后煤柱寬度為8，15，44.5，60及80 m時的巷道變形破壞特征。

3 數值模擬結果及分析

3.1 煤層厚度對巷道變形影響

3.1.1 塑性區分布規律

圖4 為不同煤層厚度下的巷道圍巖塑性區發育情況。煤厚為5 m 時，頂板和兩幫的塑性區范圍為5 m，底板為8 m，頂底板5 m 及兩幫2 m 范圍內均為壓剪破壞。煤厚為8 m 時，圍巖塑性區范圍擴大，頂板塑性區范圍為7 m，兩幫為6 m，底板為9 m。煤厚為10 m 和12 m 時，兩幫及底板塑性區范圍變化不大，但壓剪破壞區域增大，頂板的塑性區范圍分別擴大到8 m 和9 m。隨著煤層厚度的增大，巷道頂板軟弱巖層厚度增加，頂板的塑性區逐漸擴大，維護難度會逐漸增大。

3.1.2 位移分布規律

圖5 為不同煤層厚度下巷道開挖后的圍巖變形情況。巷道掘進支護后，當煤層厚度為5 m 時，頂底板沉降變形量為150 mm，兩幫為298 mm。當煤層厚度為12 m 時，頂底板沉降變形量為450 mm，兩幫為380 mm。巷道頂底板及兩幫變形量隨煤層厚度增加而增加，且頂底板變形增加量大于兩幫，主要變形發生于頂板。隨著煤層厚度的增大，巷道頂煤厚度逐漸增大，煤體質軟，擴容特性及變形能力較強，因此頂板變形量增長較明顯。

3.2 構造應力對巷道變形影響

3.2.1 塑性區分布規律

采用側壓系數表征地層構造應力，模擬了不同側壓系數下的巷道圍巖塑性區發育情況，結果見圖6。當側壓系數為1.0 時，頂底塑性區范圍為6 m，兩幫為4 m，塑性區形狀呈橢圓形。隨著側壓系數的增大，巷道圍巖塑性區范圍逐漸增大，且塑性區形狀發生變化。當側壓系數為1.8 時，頂底板及兩幫塑性區范圍增長到10 m，其中巷道肩角和兩底角變形較大，塑性區向巷道四角處發展較多；當側壓系數增長為2.2時，頂底板塑性區不變，兩幫塑性區范圍進一步擴大，增大為15 m。

3.2.2 位移分布規律

如圖7所示，當側壓系數為1.0時，頂底板變形量為186.2 mm，兩幫為168.1 mm；當側壓系數為1.4 時，頂底板變形量為299 mm，兩幫為242.5 mm；當側壓系數為1.8 時，頂底板變形量為357 mm，兩幫為358 mm；當側壓系數為2.2 時，頂底板變形量為591 mm，兩幫為503 mm。隨著側壓系數增大，使得巷道頂底板及兩幫變形量逐漸增大，嚴重影響巷道穩定維控。

3.3 煤柱寬度對巷道變形影響

3.3.1 位移分布規律

模擬了不同煤柱寬度下的巷道變形規律，如圖8所示。隨著相鄰工作面開采，當煤柱寬度為8 m 時，頂底板變形增長量為202 mm，兩幫變形增長量為205 mm；當煤柱寬度為15 m時，頂底板變形增長量為243.4 mm，兩幫變形增長量為350 mm；當煤柱寬度為44.5 m 時，頂底板變形增長量為302 mm，兩幫變形增長量為429 mm；當煤柱寬度為60 m 時，頂底板變形增長量為206 mm，兩幫變形增長量為320 mm；當煤柱寬度為80 m 時，頂底板變形增長量為180 mm，兩幫變形增長量為280 mm。由以上分析可知，隨著煤柱寬度的增加，巷道頂底板及兩幫的變形量呈現先增大后減小的趨勢，且兩幫變形量大于頂底板的變形量。

3.3.2 應力分布規律

圖9 為不同煤柱寬度下的煤柱內垂直應力峰值的變化規律。隨著煤柱寬度的增加，垂直應力峰值呈現出與巷道變形類似的變化規律。當煤柱為8 m時，煤柱中部應力最大值為12.5 MPa；煤柱為15 m時，煤柱中部最大應力值為17.5 MPa；當煤柱為44.5 m 時，煤柱中部應力最大值為30 MPa；煤柱為60 m時，煤柱中部應力最大值為20 MPa；當煤柱為80 m時，煤柱中部應力最大值為17.5 MPa。當煤柱尺寸超過60 m 時，巷道圍巖分布呈現掘巷后的應力分布規律，開采對其影響減弱。

3.4 結果分析

數值模擬結果與現場測量數據相互驗證可確保結果真實可靠。根據模擬結果對煤層厚度、構造應力及煤柱寬度對巷道變形影響機制進一步分析。

（1）厚煤層強采動巷道損傷破壞機制。根據模擬結果可知，強采動巷道隨著煤層厚度的增加，頂板圍巖塑性區范圍及頂板變形逐漸增大，且增加量普遍大于兩幫收斂。對于特厚煤層巷道，頂板以上的煤層厚度通常超過4 m，這使得頂板支護結構大部分布置在煤層中。煤的抗剪強度小，且原生裂隙發育較多。當頂煤受采掘工程擾動影響時，微觀上表現為煤體中大量發育的節理裂隙張開、擴展和錯動變形，宏觀上表現為厚頂煤內離層破壞和延展變形。使得巷道頂板圍巖的塑性破壞圈層尺寸遠大于常規巷道。常規支護結構受限于剛性材質，錨桿長度受到限制，錨桿支護范圍仍然處于圍巖塑性區內。因此，隨著煤厚的增加需要錨桿支護的淺部基礎承載結構的錨固深度越長，通常建議采用柔性支護結構，可以使桿體不受巷道高度限制，錨固深度大大提高。可有效提高圍巖控制效果。

（2）構造應力對強采動巷道穩定性影響。該礦4106 回風巷受路家—小靈臺背斜的影響，存在明顯的構造應力，應力集中系數為1.8，同時隨著深度的下延，該構造影響會更加劇烈。根據模擬結果可知，巷道的失穩及變形破壞現象受構造應力影響較大，隨巷道原始構造應力的增大，巷道最大水平主應力與垂直應力比值逐漸增大，圍巖應力環境發生根本性改變，偏應力作用效果逐漸明顯，使得巷道圍巖在較大偏應力作用下持續擴容變形，巷道變形及應力集中區逐漸向幫部深處和底板轉移。

（3）煤柱寬度對巷道穩定性影響。區段煤柱的合理留設不僅關乎巷道圍巖穩定控制，更是影響煤炭資源合理開發利用。根據模擬結果可知，隨著煤柱尺寸的增大，工作面開采對巷道圍巖應力影響為先增大后減小，煤柱寬度的變化會導致側向水平應力分布變化，使得巷道變形先增大后減小。從上述分析可知。當前的44.5 m的煤柱尺寸設置不合理，使得開采后煤柱區應力集中現象明顯，巷道維護困難，應增大煤柱尺寸或減小煤柱尺寸，但增大煤柱尺寸會增加資源浪費，因此應采取小煤柱護巷減小煤柱應力峰值，減小巷道變形量，提高巷道維護效果。

4 結論

（1）隨著煤層厚度的增大，巷道頂板的塑性區逐漸擴大，而兩幫及底板的破壞程度變化不大。隨著煤層厚度的增大，巷道頂煤厚度逐漸增大，煤體質軟，擴容特性較強，因此頂板變形量增長較明顯。

（2）隨著構造應力水平增大，巷道最大水平主應力與垂直應力比值逐漸增大，使得巷道圍巖在較大偏應力作用下持續擴容變形，巷道頂底板及兩幫變形量逐漸增大，應力集中區逐漸向幫部深處和底板轉移，應力集中程度呈現先減小后增大的趨勢，巷道重點維護區域逐漸從兩幫轉為底板。

（3）隨著煤柱寬度的增加，工作面開采對煤柱應力影響為先增大后減小，也使得巷道頂底板及兩幫變形量呈現先增大后減小的趨勢。當前煤柱尺寸設置不合理，使得開采后煤柱區應力集中現象明顯，巷道維護困難，應減小煤柱尺寸，降低應力峰值，提高巷道維護效果。