郭曉菲

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

巷道圍巖破壞區(qū)可視化程序的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用?

郭曉菲

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

為了掌握井下巷道開(kāi)挖后圍巖破壞區(qū)的分布情況，基于現(xiàn)場(chǎng)圍巖層狀賦存特征和應(yīng)力場(chǎng)的非均勻分布特性，建立了層狀圍巖條件下巷道圍巖區(qū)域受采動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造影響下的統(tǒng)一受力模型，并通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)中巷道圍巖破壞區(qū)的可視化。通過(guò)與FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析驗(yàn)證了可視化程序的可靠性，并在現(xiàn)場(chǎng)十幾個(gè)礦區(qū)的巷道圍巖穩(wěn)定性分析及巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

巷道圍巖 圍巖破壞區(qū) 可視化 程序開(kāi)發(fā)

井下巷道開(kāi)挖后，由于應(yīng)力的重新分布導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)一定范圍的破壞區(qū)，破壞區(qū)的形態(tài)及范圍大小直接決定了巷道圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)也是巷道采取支護(hù)措施的依據(jù)。掌握巷道圍巖破壞區(qū)形態(tài)分布對(duì)巷道穩(wěn)定性分析、支護(hù)設(shè)計(jì)、冒頂災(zāi)害防治等工程實(shí)踐有重要的指導(dǎo)意義。

目前主要用解析法、實(shí)測(cè)法和數(shù)值法3種方法來(lái)確定巷道圍巖的破壞區(qū)范圍。解析法目前應(yīng)用較廣泛的是卡斯特耐公式，用其計(jì)算巷道圍巖松動(dòng)圈范圍，公式在推導(dǎo)過(guò)程中視圍巖為均勻介質(zhì)、所受應(yīng)力場(chǎng)均勻分布，假設(shè)的巷道環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件相差很大，所以依據(jù)解析法得到的圍巖破壞區(qū)形態(tài)及范圍與實(shí)際情況相差很大。實(shí)測(cè)法主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視，觀察圍巖裂隙發(fā)育情況來(lái)確定圍巖破壞區(qū)范圍，這種方法雖然得到的結(jié)果較可靠但是現(xiàn)場(chǎng)操作難度大并且具有滯后性，巷道支護(hù)方案往往在巷道開(kāi)挖之前就已經(jīng)確定了。數(shù)值法目前應(yīng)用較多的是FLAC數(shù)值模擬軟件，在進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算時(shí)首先要通過(guò)fish語(yǔ)言建立運(yùn)算模型，對(duì)使用者要求較高，數(shù)值法在現(xiàn)場(chǎng)使用仍不方便。目前仍需要一種既做到在現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單方便又能較準(zhǔn)確反映巷道圍巖破壞區(qū)形態(tài)范圍的方法。本文從設(shè)計(jì)原理、測(cè)試驗(yàn)證、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用3個(gè)方面詳細(xì)介紹巷道圍巖破壞區(qū)的可視化程序。

1　可視化程序的設(shè)計(jì)原理

1.1 模擬巷道環(huán)境特征分析

巷道破壞區(qū)可視化研究實(shí)質(zhì)是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際井下巷道圍巖在應(yīng)力場(chǎng)中破壞的力學(xué)問(wèn)題，首先需要對(duì)模擬的現(xiàn)場(chǎng)巷道環(huán)境進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)。本文研究的巷道環(huán)境包括圍巖環(huán)境和應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，其中圍巖環(huán)境主要考慮巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。

1.1.1 巷道圍巖呈層狀賦存

煤巖系是在成因上具有共生關(guān)系的沉積巖，主要由泥巖、頁(yè)巖、石灰?guī)r、砂巖以及粉砂巖等沉積巖層組成。在沉積過(guò)程中，由于沉積環(huán)境變化、礦物成份不同造成煤系地層中的各巖層物理力學(xué)性質(zhì)差別很大，形成明顯的分層面。煤巖系中每個(gè)分層大致連續(xù)、所含的礦物成份相同、巖體的強(qiáng)度相近，在巷道穩(wěn)定性的研究中可將每個(gè)分層簡(jiǎn)化為一個(gè)整體的均質(zhì)連續(xù)體。

1.1.2 圍巖處于非均勻應(yīng)力場(chǎng)中

煤礦井下巷道圍巖處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境之中，其中最主要的是對(duì)巷道圍巖破壞起決定作用的應(yīng)力，包括原巖應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力。原巖應(yīng)力主要包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，反映了巷道開(kāi)挖前巖體所處的初始應(yīng)力狀態(tài)，是研究巷道開(kāi)挖后應(yīng)力重新分布的基礎(chǔ)。地下任意一點(diǎn)的自重應(yīng)力等于單位面積的上覆巖層的重量，具體計(jì)算式為：

式中：σz——垂直應(yīng)力；

σx，σy——水平應(yīng)力；

λ——側(cè)壓系數(shù)，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比；

τxy——水平方向剪應(yīng)力；

γ——上覆巖層的平均體積力；

H——巷道距地表深度。

一般情況下地殼運(yùn)動(dòng)以水平運(yùn)動(dòng)為主，構(gòu)造應(yīng)力主要是水平應(yīng)力，故可用側(cè)壓系數(shù)λ反映巷道圍巖受構(gòu)造應(yīng)力的影響程度。巷道所受的采動(dòng)影響包括巷道掘進(jìn)期間影響和鄰近工作面回采期間影響，其中鄰近工作面回采期間的影響主要表現(xiàn)為工作面前方移動(dòng)支承壓力，造成影響區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力成倍增大，可用支承壓力系數(shù)K表示受鄰近工作面回采的影響程度。巷道掘進(jìn)的影響主要是由于巷道的開(kāi)挖引起巷道周圍一定區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)力重新分布造成的，這一區(qū)域一般認(rèn)為在10倍巷道半徑以內(nèi)，巷道圍巖的破壞區(qū)也都在這一區(qū)域內(nèi)。所以可把這一區(qū)域作為一個(gè)研究單元，認(rèn)為區(qū)域單元受到上覆巖層的自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和工作面回采采動(dòng)應(yīng)力3種應(yīng)力場(chǎng)不同組合的疊加應(yīng)力場(chǎng)后在巷道周圍又重新分布導(dǎo)致形成了巷道圍巖破壞區(qū)的最終狀態(tài)。圖1為巷道圍巖區(qū)域受力模型，當(dāng)K=λ=1時(shí)，為靜水等壓受力狀態(tài)，實(shí)際巷道區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)中K、λ均不等于1，圍巖處于非均勻應(yīng)力場(chǎng)中。

圖1　巷道圍巖區(qū)域單元受采動(dòng)及構(gòu)造影響的統(tǒng)一受力模型

1.2 基于摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則的運(yùn)算模型

層狀圍巖條件下非均勻應(yīng)力場(chǎng)中巷道圍巖破壞區(qū)運(yùn)算模型見(jiàn)圖2。

圖2　層狀圍巖條件下非均勻應(yīng)力場(chǎng)中巷道圍巖破壞區(qū)運(yùn)算模型

在巷道圍巖區(qū)域受力模型中，層狀圍巖平行分布，在實(shí)際井下環(huán)境中分層面與水平方向往往存在一定角度，為巖層傾角，用α表示；在實(shí)際條件中區(qū)域應(yīng)力也不完全是垂直水平存在，以垂直水平為參考系，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，設(shè)為應(yīng)力轉(zhuǎn)角，用β表示；在現(xiàn)有的理論條件下只有圓形斷面巷道解決了周邊各點(diǎn)應(yīng)力解，其他斷面形狀的巷道在進(jìn)行破壞區(qū)計(jì)算時(shí)可用相應(yīng)的外接圓等效估算處理。本文建立了層狀圍巖條件下巷道圍巖區(qū)域受采動(dòng)及構(gòu)造影響下的統(tǒng)一受力模型。

運(yùn)用彈性力學(xué)理論，得出非均勻應(yīng)力場(chǎng)中圓形巷道圍巖任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為：

式中：σr——任一點(diǎn)的徑向應(yīng)力；

σθ——任一點(diǎn)的切向應(yīng)力；

τrθ——任一點(diǎn)的剪應(yīng)力；

a——巷道半徑；

r、θ——任一點(diǎn)極坐標(biāo)。

由彈性力學(xué)得任一點(diǎn)的主應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：σ1（r，θ）、σ3（r，θ）——任一點(diǎn)的最大、最小主應(yīng)力。

在圖2的運(yùn)算模型中，各層圍巖的物理力學(xué)參數(shù)為已知條件，根據(jù)摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則得判斷該點(diǎn)破壞的條件為：

式中：C（r，θ）——任一點(diǎn)圍巖的黏聚力；

φ（r，θ）——任一點(diǎn)圍巖的內(nèi)摩擦角。

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）和式（4）把巷道圍巖區(qū)域內(nèi)每個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行破壞性判斷，即可得到巷道圍巖破壞區(qū)，為可視化程序的編寫提供了理論基礎(chǔ)。

1.3 程序設(shè)計(jì)的技術(shù)路線

依據(jù)建立的層狀圍巖條件下非均勻應(yīng)力場(chǎng)中巷道圍巖破壞區(qū)運(yùn)算模型，采用Visual Basic編程語(yǔ)言對(duì)巷道圍巖破壞區(qū)可視化程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖3所示。

圖3　程序設(shè)計(jì)技術(shù)路線圖

由于運(yùn)算需要輸入的參數(shù)較多，將參數(shù)分為基本開(kāi)采參數(shù)和巖層力學(xué)參數(shù)，放在設(shè)計(jì)好的Excel表格中，打開(kāi)程序點(diǎn)擊“輸入?yún)?shù)”按鈕，程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)出參數(shù)輸入表格，在相應(yīng)位置輸入數(shù)據(jù)。

參數(shù)輸入完畢后點(diǎn)擊“模擬塑性區(qū)”按鈕，程序?qū)㈤_(kāi)始運(yùn)算。界面左側(cè)為參數(shù)顯示區(qū)，右側(cè)為運(yùn)算結(jié)果圖形顯示區(qū)，程序運(yùn)算及輸出界面見(jiàn)圖4，圖中類似橢圓形的淺色區(qū)域即為模擬的巷道圍巖破壞區(qū)，實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖破壞區(qū)的可視化，同時(shí)可輸出破壞區(qū)邊界半徑，為巷道支護(hù)參數(shù)的定量設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖4　程序運(yùn)算及輸出界面

2　基于FLAC3D數(shù)值模擬的測(cè)試驗(yàn)證及對(duì)比分析

本文建立了層狀圍巖條件下巷道在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中的受力模型，并進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖破壞區(qū)的可視化。由于實(shí)際巷道環(huán)境的復(fù)雜性，目前還很難在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)出巷道圍巖破壞區(qū)的范圍。FLAC3D數(shù)值模擬軟件是目前廣泛使用的用于分析各種材料塑性破壞的軟件，下面將使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)可視化程序進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并對(duì)兩個(gè)軟件進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)性能對(duì)比分析。

為了便于觀察分析，使巷道圍巖破壞區(qū)具有一定的形狀特征，測(cè)試驗(yàn)證時(shí)巷道圍巖采用均勻介質(zhì)，具體力學(xué)參數(shù)參考實(shí)際條件下的煤巖力學(xué)參數(shù)，黏聚力為3 MPa，內(nèi)摩擦角為30°，巷道半徑為2 m。巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分別模擬淺部400 m和深部600 m兩種開(kāi)采條件下的靜水壓力條件、采動(dòng)影響條件、構(gòu)造影響條件3種應(yīng)力條件的應(yīng)力場(chǎng)，具體參數(shù)如表1所示。

不同應(yīng)力場(chǎng)條件下FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和可視化程序計(jì)算結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖5和圖6。

圖5　淺部開(kāi)采條件不同應(yīng)力場(chǎng)條件下的測(cè)試驗(yàn)證對(duì)比

圖6　深部開(kāi)采條件不同應(yīng)力場(chǎng)條件下的測(cè)試驗(yàn)證對(duì)比

由圖5可得在不同應(yīng)力場(chǎng)條件下可視化程序計(jì)算結(jié)果與FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本一致，主要表現(xiàn)為兩軟件模擬的巷道破壞區(qū)形態(tài)一致，破壞區(qū)范圍尺寸相近；深部條件下巷道圍巖破壞區(qū)范圍大于淺部，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)巷道出現(xiàn)的變形破壞情況一致；采動(dòng)影響條件下巷道兩幫破壞嚴(yán)重，構(gòu)造影響條件下巷道頂?shù)装迤茐膰?yán)重，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)巷道出現(xiàn)的變形破壞情況一致。特別說(shuō)明本文模擬的采動(dòng)影響應(yīng)力場(chǎng)條件與構(gòu)造影響應(yīng)力場(chǎng)條件只是相應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)下的某一特例，所以模擬結(jié)果不能完全體現(xiàn)相應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)條件下的巷道破壞特征。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證可看出可視化程序具有較好的可靠性。

與FLAC3D數(shù)值模擬軟件相比可視化程序在操作應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢(shì)：輸入輸出界面簡(jiǎn)單直觀，做到即看即所得，對(duì)操作者要求較低，更方便適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；程序內(nèi)部自動(dòng)建立了合理的運(yùn)算模型，省去了使用者建模過(guò)程，使操作運(yùn)算更快捷；可視化程序?qū)ｉT用以計(jì)算巷道圍巖破壞區(qū)范圍，為巷道圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)定量設(shè)計(jì)提供依據(jù)，在設(shè)計(jì)上更專業(yè)。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

可視化程序的運(yùn)算模型中考慮了巷道圍巖的層狀賦存特征與地下應(yīng)力場(chǎng)受地質(zhì)構(gòu)造及采動(dòng)影響的非均勻分布特性，模擬條件和實(shí)際的巷道圍巖環(huán)境更加貼近；且可視化程序輸入輸出界面簡(jiǎn)單直觀，更容易操作，為巷道圍巖穩(wěn)定性分析及巷道支護(hù)定量設(shè)計(jì)提供了有效的技術(shù)支持。目前，可視化程序已在趙固一礦、趙固二礦、五家溝礦、李家壕礦、塔拉壕礦等十幾個(gè)礦區(qū)的巷道圍巖穩(wěn)定性分析及巷道支護(hù)定量設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。下面以趙固二礦11030回風(fēng)巷道為例對(duì)可視化程序的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用作詳細(xì)分析。

11030回風(fēng)巷道位于趙固二礦二1煤層主采煤層中，巷道平均埋深650 m，由于埋深較大且受到上一區(qū)段回采影響，巷道維護(hù)困難。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試得到在上一區(qū)段回采期間工作面前方支承壓力可達(dá)到原巖應(yīng)力3倍以上，側(cè)壓系數(shù)在0.33～0.5之間，巷道斷面為矩形，可視化程序計(jì)算的巷道等效外接圓半徑為2.8 m。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得到巷道圍巖區(qū)域范圍內(nèi)巖石物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2。

巷道的受力條件及圍巖的物理力學(xué)參數(shù)都已知的情況下即可用可視化程序計(jì)算出巷道圍巖破壞區(qū)范圍及形態(tài)，如圖7所示。由圖可得，巷道兩幫及底板破壞區(qū)范圍較小，其中兩幫破壞區(qū)深度最大為1.4 m，底板破壞區(qū)深度在1 m范圍內(nèi)；巷道兩肩破壞嚴(yán)重，破壞區(qū)深度達(dá)3.6 m；計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞及變形情況一致。根據(jù)破壞區(qū)的分布特征，采取相應(yīng)了支護(hù)對(duì)策。巷道雙肩破壞區(qū)范圍較大，圍巖變形嚴(yán)重，雙肩采用延伸率較大的可接長(zhǎng)錨桿支護(hù)；巷道兩幫及中央頂板破壞區(qū)范圍較小，采用普通錨桿支護(hù)。

采用上述支護(hù)方案，在受工作面采動(dòng)影響期間，巷道肩部雖然出現(xiàn)較大變形，但是由于可接長(zhǎng)錨桿具有錨固范圍大、延伸性能好等優(yōu)點(diǎn)，在巷道正常使用期間，較好地適應(yīng)了頂板圍巖的變形下沉，未出現(xiàn)桿體破斷、錨固失效等情況，保障了生產(chǎn)期間的頂板安全。

表2　巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

圖7　程序計(jì)算的11030回風(fēng)巷圍巖破壞區(qū)可視化結(jié)果

4　結(jié)論

（1）建立了層狀圍巖條件下巷道圍巖區(qū)域受采動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造影響下的統(tǒng)一受力模型，并通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)中巷道圍巖破壞區(qū)的可視化，可為巷道圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)參數(shù)定量設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

（2）通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件的測(cè)試分析驗(yàn)證了可視化程序的可靠性；并且可視化程序輸入輸出界面簡(jiǎn)單直觀，更容易操作，具有很強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)使用價(jià)值。

（3）可視化程序在現(xiàn)場(chǎng)十幾個(gè)礦區(qū)的巷道圍巖穩(wěn)定性分析及巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。

［1］ 侯朝炯.巷道圍巖控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2013

［2］ 馬念杰，李季，趙志強(qiáng).圓形巷道圍巖偏應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)分布規(guī)律研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（2）

［3］ 孔恒，馬念杰，王夢(mèng)恕等.錨固技術(shù)及其理論研究現(xiàn)狀和方向［J］.中國(guó)煤炭，2001（11）

［4］ 王衛(wèi)軍，郭罡業(yè)，朱永建等.高應(yīng)力軟巖巷道圍巖塑性區(qū)惡性擴(kuò)展過(guò)程及其控制［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2015 （12）

［5］ 郭書(shū)英，武飛岐.錨桿支護(hù)巷道礦壓監(jiān)測(cè)儀的研發(fā)與應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭，2016（4）

［6］ 李英明，賈安立，馬念杰.煤巷頂板巖層賦存特征及塊體梁頂板穩(wěn)定性分析［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014（6）

［7］ 李增學(xué).煤礦地質(zhì)學(xué)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009

［8］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［9］ 馬念杰，趙希棟，趙志強(qiáng)等.深部采動(dòng)巷道頂板穩(wěn)定性分析與控制［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2015（10）

［10］ KASTNER H.隧道與坑道靜力學(xué)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980

（責(zé)任編輯 張毅玲）

Development and application of visualization program of surrounding rock destruction zone

Guo Xiaofei
（Faculty of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

The shape and distribution of the surrounding rock failure zone directly determine the stability of the roadway，and it is also the foundation of the design of roadway support.In order to grasp the distribution characteristics of rock damage zone after the tunnel excavation，based on the layered occurrence characteristics of surrounding rock and the inhomogeneous distribution feature of stress field，the unified force model of the surrounding rock area under the influence of mining dynamic and geological structure is established.Then the visualization of roadway surrounding rock failure zone in complex stress field is achieved through computer programming. And the reliability of the is verified by FLAC3D numerical simulation comparison analysis.The visualization program has been applied in the field of more than a dozen mining area of roadway surrounding rock stability analysis and roadway support parameters design，and good results have been achieved.

roadway，damage zone，visualization，program development

TD355

A

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）資助項(xiàng)目（2011CB201204），國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51234005，51434006）

郭曉菲（1990-），男，2014年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦工程專業(yè)，現(xiàn)為博士研究生，主要從事巷道圍巖控制理論與支護(hù)技術(shù)方面的研究工作。