松软破碎围岩大断面跨层巷道层位确定及其稳定性研究

田和平，牛 显，王嘉乐

（1.山西寿阳潞阳长榆河煤业公司，山西 寿阳 045414；2.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

松软破碎围岩大断面跨层巷道层位确定及其稳定性研究

田和平1，牛 显2，王嘉乐2

（1.山西寿阳潞阳长榆河煤业公司，山西 寿阳 045414；2.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

以国内某大型矿井为工程背景，采用数值计算方法，分析了巷道处于煤层附近不同层位时的围岩应力及破坏区分布规律，并据此确定巷道的稳定性及合理布置层位。研究结果表明：从压酥带范围大小来看，砂质泥岩压酥带范围最小，但是出现跨层，对围岩稳定性不利，综合选择中细砂岩层作为巷道所处层位。从应力云图和位移云图可知，巷道选择在中细砂岩层，能较好地维护围岩的稳定性，可为巷道的长期服务作基础。

巷道；稳定型；数值计算

随着我国经济的高速发展，对煤炭资源的需求量逐年增长，许多大型矿井建设项目已经开始；然而需知，不同的地质条件对应不同的工程背景[1-3]，由于地质构造、煤层埋深、工程背景等原因，巷道常要处于岩层交接面处，由于层面之间连接性较差，加之岩石材料在层面处物理力学性质发生突变，巷道的稳定性变得很难确定[4-5]。为了确定某大型矿井的大断面巷道层位，本文运用大型三维数值计算软件，对该矿巷道处于煤层附近不同岩层位置时的巷道应力场、破坏区域进行了分析研究，并据此提出了巷道的合理层位位置。研究结果可给同类条件下矿井的支护设计和生产提供参考。

1 数值计算模型

分析目的：掌握不同层位下的大断面巷道围岩力学环境特征，包括应力分布特征、变形分布特征，为大断面巷道的层位选择提供依据。分析模型：长度80m，高度54.46m。其中巷道长11.8m，高6.6m，巷道底板分别位于中细砂岩层底、砂质泥岩层底、3号煤层层底。模型离散：模型共划分18306个单元，设置18582个节点。边界条件：模型底部铅垂方向0位移约束，侧边界水平方向0位移约束；模型施加重力载荷，并在上边界施加均布载荷。

岩层厚度及力学参数，如表1所示。计算过程中首先平衡重力场，随后开挖顺槽部分，最后开挖开切眼部分。

表1 数值计算岩层分布和物理力学参数表

2 巷道处于不同层位的稳定性分析

2.1 巷道处在中细砂岩层时

图1为巷道处在中细砂岩层时的模型及网格划分图。图2为巷道处在中细砂岩层时的铅垂应力云图。从图看出，铅垂应力分布对称，最大铅垂应力出现在巷道两帮附近，巷道顶底板铅垂应力最小；尤其是在巷道顶底板表面，铅垂应力值接近零。图3为巷道处在中细砂岩层的沿右帮中线铅垂应力分布曲线。由图得知，帮部出现了压酥带，压酥带深度大约1.194m。

图1 模型及网格划分

图2 铅垂应力云图

图3 沿右帮中线铅垂应力分布曲线

2.2 巷道处在砂质泥岩层时

图4为巷道处在砂质泥岩层时的模型及网格划分图。图5为巷道处在砂质泥岩层时的铅垂应力云图。从图看出，铅垂应力分布对称，最大铅垂应力出现在巷道两帮附近，巷道顶底板铅垂应力最小；尤其是在巷道顶底板表面，铅垂应力值接近零。图6为巷道处在砂质泥岩层的沿右帮中线铅垂应力分布曲线。由图得知，帮部出现了压酥带，压酥带深度大约0.853m。

2.3 当巷道处在煤层时

图7为巷道处在煤层时的模型及网格划分图。图8为巷道处在煤层时的铅垂应力云图。从图看出，铅垂应力分布对称，最大铅垂应力出现在巷道两帮附近，巷道顶底板铅垂应力最小；尤其是在巷道顶底板表面，铅垂应力值接近零。图9为巷道处在煤层时的沿右帮中线铅垂应力分布曲线。由图得知，帮部出现了压酥带，压酥带深度大约1.535m。

3 巷道层位选择建议

图4 模型及单元划分

图5 铅垂应力云图

图6 沿右帮中线岩铅垂应力分布曲线

图7 模型及单元划分

图8 铅垂应力云图

图9 沿右帮中线铅垂应力分布曲线

经对高河矿巷道群的层位选择的理论分析、数值计算分析得出如下结论：(1)从压酥带范围大小来看，砂质泥岩压酥带范围最小，但是出现跨层，对围岩稳定性不利，综合来讲还是选择了中细砂岩层作为巷道所处层位。(2)从应力云图和位移云图得知，巷道选择在中细砂岩层能较好地维护围岩的稳定性，可为巷道的长期服务作基础。

4 结束语

本文利用大型数值计算软件，分析了某大型矿井的大断面巷道处于煤层附近不同位置时的应力及破坏区域，并据此判断巷道的稳定性状况，给出了巷道布置的合理位置。

[1] 牛少卿，杨双锁，王志刚，寇永嘉.非均匀水平应力场中井壁结构的优化设计研究[J].山西大同大学学报(自然科学版)，2010，26(3):60-63.

[2] 赖小彬，徐小敏，张伯虎，等.某矿山巷道交岔口的三维有限元模拟分析[J].地下空间与工程学报.2007，3(4)：633-636.

[3]Shaoqing NIU，Shuangsuo YANG，Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softeningmodel after Peak Based onmorh-Cloumb Theory Criterion[J].Advancedmaterials Research，Vols.261-263(2011)：1439-1443.

[4] 蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.

[5] 钱铭高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

Layer Position Determination and Stability Study of Large Cross-section Cross-layer Roadways in Soft and Broken Surrounding Rocks

TIAN He-ping1,NIU Xian2,WANG Jia-le2
(1.Luyang Changyuhe Coal Co.,Shouyang Shanxi 045414;2.College ofmining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

On the basis of one large-scalemine,numerical calculation is used to study the surrounding rock stress and failure zones distribution at the different layers,and then the roadways stability and rational layout are determined.The results show that:in sandymudstone,pressure crisp belt is smallest in terms of its range,but cross layers appear which are harmful to the stability.Given all the conditions,middle-and-fine sandstone is selected as the layer for roadways.From stress nephogram and displacement nephogram,the selection can satisfy the bettermaintenance of surrounding rock stability and long service for the roadways.

roadways;stability;numerical calculation

TD322+4

A

1672-5050（2012）05-0050-03

2011-11-18

田和平（1968—），男，山西长治人，大专，助理工程师，从事煤炭开采技术及管理方面的工作。

徐树文