張藝昕，王宇涵，李康文

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

1 概述

目前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展嚴(yán)重依賴煤炭能源的支撐作用［1］。隨著我國(guó)工業(yè)不斷發(fā)展，淺部煤炭資源大量消耗，煤炭開(kāi)采逐漸向深部地層發(fā)展。深部巷道地應(yīng)力水平較高，表現(xiàn)出強(qiáng)動(dòng)壓、長(zhǎng)時(shí)流變的大變形破壞特征［2］，容易產(chǎn)生冒頂、片幫、沖擊礦壓、瓦斯突出等事故，對(duì)工人人身安全和煤炭開(kāi)采事業(yè)造成危害。因此，許多學(xué)者對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道的變形機(jī)理和支護(hù)對(duì)策進(jìn)行了研究。劉愛(ài)卿等［3］采用數(shù)值模擬軟件FLAC 3D 分析了“定寬不定高”和“定高不定寬”兩種狀況下大跨度高煤幫巷道的變形破壞特征；肖同強(qiáng)［4］分析了深部構(gòu)造應(yīng)力作用下厚煤層巷道圍巖塑性區(qū)、圍巖位移及圍巖應(yīng)力的分布特征，提出了“高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿支護(hù)、控讓耦合支護(hù)”圍巖控制技術(shù)；萬(wàn)世文［5］基于復(fù)變函數(shù)理論推導(dǎo)出矩形巷道圍巖應(yīng)力與位移的計(jì)算公式，提出了深部大跨度巷道卸壓減跨控頂與等強(qiáng)協(xié)調(diào)支護(hù)理論；張占濤［6］建立了巷道頂板無(wú)限長(zhǎng)薄板理論模型，闡明了巷道跨度對(duì)頂板彎曲變形的影響；孟慶彬等［7］以濟(jì)北礦區(qū)唐口煤礦為工程背景分析了高應(yīng)力作用下軟巖巷道圍巖的頂板、底板和兩幫的流變變形規(guī)律；馮海英等［8］分析了不同埋深條件下不同斷面巷道圍巖的塑性區(qū)分布和變形情況；勾攀峰等［9］通過(guò)相似模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究了不同水平應(yīng)力作用下錨桿支護(hù)巷道以及無(wú)支護(hù)條件下巷道圍巖變形破壞特征。本文以趙莊礦某巷為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，采用FLAC 3D 數(shù)值模擬的方法分析了不同巷高、巷寬、埋深、側(cè)壓系數(shù)條件下圍巖塑性區(qū)分布和變形情況。

2 地質(zhì)概況

趙莊煤礦位于山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣慈林鎮(zhèn)，為晉煤集團(tuán)新建特大型礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為800 萬(wàn)t/a，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組（C3t） 和二疊系下統(tǒng)山西組（P1s） ，其中一盤(pán)區(qū)主采3 號(hào)煤，煤層平均厚度為4．60 m，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。研究目標(biāo)巷道位于趙莊礦一盤(pán)區(qū)，巷道沿煤層全高掘進(jìn)，斷面為寬5．0 m，高4．5 m 的矩形，斷面面積為22．5 m2。巷道頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)粒砂巖，底板主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖。巷道埋深達(dá)到600 m 左右，屬于深埋巷道，地應(yīng)力水平較高，礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，瓦斯含量較高，煤質(zhì)與頂?shù)装鍑鷰r較為軟弱，支護(hù)效果不佳，巷道圍巖變形量較大。

3 模型建立

根據(jù)彈塑性理論，考慮巷道變形破壞的影響范圍，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，取模型尺寸為50 m×20 m×30 m，共生成121 800 個(gè)網(wǎng)格和129 930 個(gè)節(jié)點(diǎn)。本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb 模型，已挖掉的巖體部分采用Null 模型，模型上表面和側(cè)面采用應(yīng)力邊界條件，取上覆巖層平均容重為25 kN/m3，對(duì)上表面施加等同于上覆巖層重量的均布荷載約15 MPa，應(yīng)力解除法測(cè)量結(jié)果顯示該礦區(qū)最大水平主應(yīng)力為豎向應(yīng)力的1．1 倍左右。巷道開(kāi)挖模型及室內(nèi)試驗(yàn)所得圍巖物理力學(xué)參數(shù)如圖1，表1 所示。

圖1 巷道開(kāi)挖模型

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

4 巷道寬度對(duì)圍巖變形的影響

保持巷道高度為4．5 m 不變，分別模擬巷道寬度為3 m，4 m，5 m，6 m，7 m，8 m 的情況，模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同巷寬下巷道圍巖塑性區(qū)分布

圖3 可以看出，隨著巷道跨度的增加，兩幫塑性區(qū)范圍略有增大但變化不明顯，而頂板塑性區(qū)經(jīng)歷了豎向和橫向擴(kuò)展的循環(huán)過(guò)程，并以此規(guī)律逐漸向上層發(fā)展破壞。而頂板下沉量和兩幫移近量基本隨巷道跨度的增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，巷道跨度從3 m 增加到8 m 時(shí)，頂板下沉量從235 mm 增至329 mm，兩幫移近量從92 mm 增至148 mm，可見(jiàn)巷道跨度的增加對(duì)圍巖變形量具有顯著影響。

圖3 不同巷寬下巷道圍巖變形量

5 巷道高度對(duì)圍巖變形的影響

保持巷道寬度為5 m 不變，分別模擬巷高為3 m，3．5 m，4 m，4．5 m，5 m，5．5 m 的情況，模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同巷高下巷道圍巖塑性區(qū)分布

由圖5 可知，隨著巷道高度增加，巷道頂板塑性區(qū)范圍變化不大，而兩幫塑性區(qū)明顯增大，可深入巖體表面達(dá)5 m 左右，這表明采用純錨桿支護(hù)無(wú)法有效控制圍巖變形，必須加入錨索支護(hù)，且錨索長(zhǎng)度應(yīng)大于5 m 才能起到控制巷道變形的作用。巷道頂角的塑性區(qū)分布范圍隨著巷道高度的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，巷高達(dá)到4．5 m 后頂角處基本無(wú)塑性區(qū)分布。巷道底板的塑性區(qū)分布規(guī)律沒(méi)有明顯的變化，基本保持一致。頂板的下沉量呈下降趨勢(shì)，由巷高3 m 時(shí)的125 mm 不斷下降至巷高5．5 m 時(shí)的108 mm。而兩幫移近量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，巷道高度達(dá)到4．5 m 之前，兩幫移近量增長(zhǎng)幅度較大，而之后逐漸放緩。

圖5 不同巷高下巷道圍巖變形量

6 巷道埋深對(duì)圍巖變形的影響

通過(guò)改變施加于模型上表面的豎向荷載模擬不同埋深下巷道圍巖變形，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同埋深下巷道圍巖塑性區(qū)分布

如圖7 所示，隨著巷道埋深的增加，圍巖塑性區(qū)面積不斷增大，其中兩幫塑性區(qū)均勻向兩側(cè)擴(kuò)展，頂?shù)装逅苄詤^(qū)在埋深達(dá)到600 m 之前保持豎向增大的狀態(tài)，600 m 之后則以水平方向延伸為主，整體上塑性區(qū)呈圓形均勻擴(kuò)展。頂板下沉量和兩幫移近量均近似指數(shù)增長(zhǎng)，埋深較小時(shí)增長(zhǎng)速度較慢，埋深較大時(shí)增長(zhǎng)速度較快。當(dāng)埋深由400 m 增大到600 m 時(shí)頂板下沉量和兩幫移近量分別增大55 mm 和144 mm，當(dāng)埋深由1 200 m 增大到1 400 m時(shí)則分別增大了146 mm 和317 mm，增大幅度分別是前者的2．6 倍、2．2 倍。可以看出，巷道進(jìn)入深部后，埋深的增大對(duì)巷道圍巖變形量造成的影響比淺埋巷道大得多，且對(duì)兩幫移近量的影響大于頂板下沉量，埋深越大這種影響的差別就越明顯。

圖7 不同埋深下巷道圍巖變形量

7 側(cè)壓系數(shù)對(duì)圍巖變形的影響

分別模擬側(cè)壓系數(shù)為0．6，0．8，1．0，1．2，1．4，1．6，1．8，2．0 時(shí)巷道圍巖變形狀況，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)分布

如圖9 所示，側(cè)壓系數(shù)的改變對(duì)矩形巷道圍巖塑性區(qū)分布的影響十分明顯。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)K=0．6 時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)主要分布在兩幫區(qū)域，頂?shù)装鍘缀鯚o(wú)塑性區(qū)分布，整體分布呈橫向橢圓形。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)從0．6 增長(zhǎng)到1．4 時(shí)，兩幫塑性區(qū)范圍無(wú)明顯變化，而頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)呈現(xiàn)顯著豎向擴(kuò)散趨勢(shì)，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)K=1．4 時(shí)塑性區(qū)分布較為均勻，近似呈圓形，當(dāng)K從1．4 增長(zhǎng)到2．0 時(shí)巷道頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)開(kāi)始在豎直和水平方向上同時(shí)擴(kuò)大，且發(fā)展趨勢(shì)強(qiáng)于兩幫，圍巖塑性區(qū)整體呈豎向橢圓形分布。當(dāng)巷道高度和寬度保持不變，側(cè)壓系數(shù)改變對(duì)圍巖變形量的影響十分顯著，K值從0．6 增至2．0，兩幫移近量和頂板下沉量分別增加了192 mm 和130 mm，增長(zhǎng)率分別為83%和125%。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)小于0．8 時(shí)頂板下沉量略有減小，側(cè)壓系數(shù)大于0．8 時(shí)則呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)，而兩幫移近量自始至終均保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)K從0．8 增至1．0 時(shí)兩幫移近量從243 mm 增至262 mm，增長(zhǎng)率約8%，頂板下沉量從104 mm 增長(zhǎng)到110 mm，增長(zhǎng)率約6%；當(dāng)K從1．8 增至2．0 時(shí)兩幫移近量從375 mm 增至422 mm，增長(zhǎng)率約13%，頂板下沉量從196 mm 增至234 mm，增長(zhǎng)率約19%。可見(jiàn)側(cè)壓系數(shù)越大時(shí)，其增長(zhǎng)對(duì)圍巖變形的影響就越大。

圖9 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖變形量

8 結(jié)語(yǔ)

本文以趙莊礦某巷為例，分別研究了不同巷道寬度、巷道高度、巷道埋深、側(cè)壓系數(shù)條件下圍巖塑性區(qū)分布和變形量變化情況，結(jié)果表明：

1） 塑性區(qū)分布方面，巷道寬度的改變主要影響頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布，巷道高度的改變主要影響兩幫塑性區(qū)的分布，埋深的增加引起頂?shù)装搴蛢蓭退苄詤^(qū)大致呈圓形均勻擴(kuò)展，側(cè)壓系數(shù)的升高導(dǎo)致塑性區(qū)近似由橫向橢圓分布變?yōu)閳A形均勻分布再變?yōu)榭v向橢圓分布。

2） 圍巖變形量方面，巷道寬度的增加造成頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭妥冃瘟康慕凭€性增長(zhǎng)，巷道高度的增加造成頂板下沉量的減小和兩幫移近量的增大，而埋深和側(cè)壓系數(shù)的增大均造成頂板和兩幫變形量呈近似指數(shù)式增長(zhǎng)，影響顯著。