深部软岩巷道底臌蠕变控制数值模拟研究

吕国强

深部软岩巷道底臌蠕变控制数值模拟研究

吕国强

(徐州矿业集团垞城煤矿，江苏 徐州 221000)

深部软岩巷道底板具有强流变特征，引起深部软岩巷道底臌变形破坏的原因是多方面的。本文借助FLAC软件建立不同支护方案的计算模型，对深部软岩巷道底臌蠕变特征进行数值模拟研究，结果表明，全断面锚注支护在降低围岩快速蠕变的时间和速度，控制巷道变形、减小围岩塑性区范围等方面具有最佳的效果。

深部;软岩巷道;底臌;蠕变;锚注支护;数值模拟

煤矿开采深度的增加带来了地压增大、巷道压力大、支护物损坏严重等一系列问题，底臌成为软岩巷道矿压显现的主要特征。底臌导致巷道断面缩小，严重影响矿山的生产和安全，成为制约煤矿发展的主要问题之一［1－5］。

目前，国内外所提出的各种底臌机理都有其特定的适用环境和条件，有其自身的局限性。大多数底臌防治措施仅仅是针对底板，没有考虑到巷道的顶板、两帮和底板是一个相互作用、相互影响的有机整体。因此，本文将站在整体的角度，借助数值分析软件FLAC模拟不同支护条件下深部软岩巷道的位移、塑性区分布，对比分析不同支护方案对巷道底臌的治理效果，提出治理深部软岩巷道更为合理的控制方法。

1 工程概况

本文研究以徐州矿务局某矿102采区行人上山为工程背景。102采区行人上山位于102轨道下部车场第一号交岔点内，设计工程量共计1 542.442 m，其中：16°上山 990.188 m，8°上山 487.514 m，上、下部平巷64.74 m。

102行人上山岩性为细砂岩及断层破碎泥岩和泥岩，向顶板缓穿层，依次为灰白色细－中粒，深灰色粉砂岩及灰白色泥岩。该区域水文地质条件较复杂，据钻孔资料，砂岩中高角度裂隙发育，但裂隙发育具不均匀性。

此巷道富水性较弱，煤系砂岩裂隙水处于半封闭状态，主要是 DF13∠65°－70°H=10～80 m 以及DF64∠70°H=0～8 m两断层的砂岩水。设计采用锚网喷砼支护，净宽×净高=4 000 mm×3 600 mm，锚杆采用d20 mm×2 400 mm等强树脂锚杆，喷层厚150 mm，钢筋网采用d6 mm带肋钢筋加工，长×宽=1 600 mm×900 mm，网格100 mm×100 mm，锚杆间排距700 mm×700 mm，喷射砼强度C20。该上山于2010年7月已施工1 100 m左右，由于岩性等原因，曾采用U型钢或锚喷支护经过几次修复，现巷道底臌依然比较严重，部分巷道底臌量达到700 mm。为了保证102采区行人上山的正常使用，必须对该上山进行重新修复加固。

2 数值模型的建立

模型选取FLAC程序中模拟材料蠕变性质的伯格蠕变黏塑性模型(MODEL cvisc)。为了消除计算中可能出现的边界效应，建立的模型应该具有足够大的尺寸，本次选取尺寸为60 m×60 m计算模型，网格划分为5万个单元，模拟开挖巷道断面为4.0 m×3.6 m。根据实际经验和采矿理论，模型上表面设为应力边界，模型左右表面设为水平位移约束边界，模型下表面设为垂直位移约束边界。根据某矿102行人上山层地应力的实测情况，模型上表面载荷取19.75 MPa。模型中巷道围岩和支护材料的力学参数分别见表1。

为了分析深部软岩巷道底臌的蠕变特征和比较采用不同支护方案底臌的治理效果，建立如下4个计算模型，见图1。

表1 巷道围岩力学参数

模型Ⅰ：某矿102行人上山的无支护模型。

模型Ⅱ：某矿102行人上山的锚喷索支护模型。锚杆选用规格为d20 mm×2 400 mm的高强螺纹钢锚杆，锚索规格为d17.8 mm×6 300 mm，喷层厚100 mm，强度等级为C20。

模型Ⅲ：某矿102行人上山的底板锚注支护模型。锚杆选用规格为d20 mm×2 400 mm的高强螺纹钢锚杆，锚索规格为d17.8 mm×6300 mm，喷层厚100 mm，强度等级为C20，注浆锚杆选用规格为d25 mm×2 500 mm的螺纹钢中空注浆锚杆，浆液扩散半径取2 m。

模型IV：某矿102行人上山的全断面锚注支护模型。锚杆选用规格为d20 mm×2400 mm的高强螺纹钢锚杆，锚索规格为d17.8 mm×6 300 mm，喷层厚100 mm，强度等级为C20，注浆锚杆选用规格为d25 mm×2 500 mm的螺纹钢中空注浆锚杆，浆液扩散半径取2 m。

3 数值模拟计算结果分析

3.1 模型计算结果变形对比分析

在无支护条件下，分别截取60天内巷道表面位移随时间变化的曲线图见图2，巷道进入稳定蠕变阶段需要时间见表2。

表2 进入稳定蠕变阶段时间

从图2可以看出，巷道表面位移随时间的变化分为两个阶段。无支护状态下，快速蠕变阶段，巷道顶底帮的位移平均速率分别为10 mm/d、12 mm/d和12 mm/d。巷道围岩蠕变60天后，顶底帮的位移量分别达到272 mm、354 mm和345 mm。

从图表中可以看出，锚喷索支护巷道与无支护巷道相比巷道在围岩快速蠕变阶段顶底帮的位移平均速率比无支护巷道分别减小了63.31%、52.67%和59.49%。60天后，巷道顶底帮表面位移量比无支护巷道分别降低了67.96%、58.97%和69.64%。可以看出，锚喷索支护有效限制了巷道围岩的蠕变速度，缩短了其快速蠕变的时间，使其变形较早收敛，对控制巷道变形发挥了积极的作用。

底板锚注支护巷道与锚喷索支护巷道相比，底板锚注支护巷道在围岩快速蠕变阶段顶底帮的位移平均速率比锚喷索支护巷道分别减小 25.19%、54.61%和22.20%。60天后，巷道顶底帮的表面位移量比锚喷索支护巷道分别降低了 28.75%、59.31%和29.74%。可知，底板锚注支护更有效的限制了底板岩层的蠕变速度，缩短了其快速蠕变的时间，使其变形较早收敛，对控制巷道底臌发挥了显著的作用。

全断面锚注支护巷道与底板锚注支护巷道相比，全断面锚注支护巷道在围岩快速蠕变阶段顶底帮的位移平均速率比底板锚注支护巷道分别减小了64.29%、54.79%和 63.61%。计算 60 天后，巷道顶底帮的表面位移量比底板锚注支护巷道分别降低了77.97%、58.95%和 75.31%。可知，全断面锚注支护更为有效的限制了整个巷道围岩的蠕变速度，缩短了其快速蠕变的时间，使其变形较早收敛，对控制巷道变形发挥了显著的作用。

3.2 模型计算结果塑性区对比分析

不同支护方案巷道围岩蠕变60天后最大塑性区分布见图3。

从图3可以看出，在巷道围岩蠕变过程中，塑性区以条带状向围岩深处扩展，不断形成剪切塑性带，在巷道表面附近分布较为密集。在高水平应力作用下，底板岩层向巷道内弯曲鼓起，表层围岩出现拉破坏区。无支护状态下，巷道顶板、底板和帮部的塑性区范围分别为4.7 m、4.8 m 和4.8 m。

模型Ⅱ的锚喷索支护在一定程度上控制了巷道底板塑性区的扩展，但底臌依然比较严重，底板表层仍存在拉破坏区。

模型Ⅲ的底板锚注支护塑性区范围进一步减小，顶底板浅部围岩的剪切塑性带明显减少;底板表层的拉破坏区消失。由于锚注支护对底板岩层结构及物理力学性质的改善，和对围岩自身承载能力的提高，底板锚注支护更加有效的控制了巷道底板塑性区的扩展。由于较好地限制了底臌量，避免了底板表层因较大弯曲而承受过高的拉应力，最终导致拉断破坏。

深部高应力软岩巷道底板的可锚性差，造成锚喷索支护体系中底板锚杆的锚固力低甚至失效。底板锚注支护则通过注浆把破碎的底板岩层胶结成整体，既提高了底板自身的承载能力，又为底板锚杆提供了可靠的着力基础，使锚杆对松散底板岩层的锚固作用得以充分发挥，从而有效控制住深部高应力软岩巷道的底臌。

模型IV的全断面锚注支护巷道塑性区范围大幅度减小，可以看出，全断面锚注支护更加有效地控制了整个巷道围岩塑性区的扩展，其原因是全断面锚注支护从整体上改善了巷道围岩结构及物理力学性质，提高了围岩自身承载能力。

值得注意的是，模型IV与模型III相比，增加了对巷道顶板和两帮的锚注支护，这些并不是针对底板而做的支护却进一步降低了巷道的底臌量，提高了底板岩层的承载能力。可见，巷道的顶底帮是一个相互作用的有机整体，要有效控制底臌，不能只考虑底板，应同时加强对顶帮的支护强度，从整体上进行更为合理的支护。同时，这也进一步证明了全断面锚注支护是一种控制巷道底臌的极为有效的支护措施。

4 结论

1)在对数值模型采用的4种支护方案中，全断面锚注支护无论在降低围岩快速蠕变的时间和速度方面，还是在控制巷道变形、减小围岩塑性区范围方面，都取得了最佳效果。

2)数值计算表明，要实现对底臌的有效控制，不能局限于对底板进行支护，还要考虑到巷道围岩各个部位的相互作用，应该从巷道的整体性出发，加强对顶帮的支护，提高支护结构的整体性，扩大支护结构的有效承载范围，充分调动围岩自身的承载能力，在治理底臌的同时，也控制了整个巷道的变形，而全断 面锚注支护无疑是一种十分有效的支护手段。

［1］ 洪伯潜.我国深井快速建井综合技术［J］.煤炭科学技术，2006，34(1)：8－11.

［2］ 李希勇，孙庆国.深部巷道围岩工程控制理论及支护实践［M］.中国矿业大学出版社，2001：14－22.

［3］ 姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等.深部开采中巷道底臌问题的研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(14)：2396－2401.

［4］ 康红普，林 健，张 晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(5)：929－933.

［5］ 李明远，王连国，易恭献，等.软岩巷道锚注支护理论与实践［M］.煤炭工业出版社，2001：114－119.

Numerical Simulation Study on Creep Control of Deep Soft Rock Roadway Floor Heave

Lv Guo－qiang

The floor of deep soft rock roadway has strong rheological characteristic，there are many reasons for the floor heave and da mage of deep soft rock roadway.In this paper different calculation models of support sche me were firstly set up，then the floor creep characteristics of the roadway were researched by nu merical si mulation，the reasult shows that the whole section bolt gouting support has the best effect in reducing the surrounding rock creep ti me and fast speed，controlling defor mation and reducing the scope of surrounding rock mass.

Deep;Soft rock roadway;Floor heave;Creep;Bolt grouting support;Numerical Simulation

TD322

A

1672－0652(2012)01－0011－05

2011－11－29

吕国强(1983—)，男，安徽芜湖人，2005年毕业于华北科技学院，助理工程师，主要从事煤矿掘进工作(E －mail)houhuaqiang_cumt@126.com