软岩巷道底板卸压槽合理深度的模拟研究

赵高杰，孙法升

（1．河南理工大学能源学院，河南 焦作 454000；2．中平神马建工集团，河南 平顶山 467000）

·技术经验·

软岩巷道底板卸压槽合理深度的模拟研究

赵高杰1，孙法升2

（1．河南理工大学能源学院，河南 焦作 454000；2．中平神马建工集团，河南 平顶山 467000）

随着开采深度的增加，深部软岩巷道的地应力变大，软岩巷道围岩出现显著变形，围岩破碎、底鼓也越来越严重，对巷道围岩稳定性的控制变得极其困难［1］。底板中部开挖卸压槽，使巷道周边形成的应力峰值向远离巷道周边的围岩深部转移，使巷道处于应力降低区中，达到有效维护巷道的目的，但是卸压槽的深度会影响巷道的维护质量，太浅影响卸压效果，太深则不容易施工。利用FLAC3D数值模拟软件［2］，模拟不同深度的卸压槽，观测巷道围岩的应力和位移变化，分析对巷道底鼓和围岩的影响。

卸压槽；FLAC3D；支护；合理深度

1 研究现状

软岩巷道底板通常会产生较大的变形，巷道在支护的情况下也很难有效控制其变形，通过在底板开挖卸压槽，可以为围岩的膨胀变形提供一定的变形补偿空间，使高应力向深部转移，减少巷道周边的围岩变形量，有利于巷道的稳定［1］。

目前，高应力软岩巷道常采用的加固法有底板注浆、底板锚杆、封闭式支架及混凝土反拱等。这些加固法都是围绕巷道底板进行的，虽然可以起到一定的控制底鼓的作用，但在有强烈底鼓趋势的巷道中不仅材料消耗量大，支护费用高，而且并不能起到控制底鼓的作用［3］。原因在于这些加固法只是被动地维护底板，在高应力、松软底板条件下，封闭式支架底梁往往无法充分发挥其承载能力，致使底梁向巷道内撅起，失去控制底鼓的能力；底板锚杆施工困难，往往因锚固力不足及锚杆延伸量与巷道底鼓量不匹配而失效：底板注浆则因注浆达不到底板破坏深度而被下部岩层顶起，失去阻止底板位移的能力。

卸压法与加固法控制底鼓的机理不同，它的特点在于设法改变巷道底板受力状况．使其处于应力降低区，达到保持巷道底板稳定的目的。底板中部卸压槽是指在巷道底部利用风镐开掘出一定宽度和深度的槽，其作用在于使巷道周边形成的应力峰值向远离巷道周边的围岩深部转移，使巷道处于应力降低区中，达到有效维护巷道的目的［4］。

2 方案提出

随着开采深度的增加，由岩体自重引起的垂直和水平应力也增大，这样就加大了巷道支护的难度［5］。河南省某煤矿，目前，-720大巷沿煤层底板掘进，肩负着材料的运输、通风、行人、排水任务，对采区准备起着至关重要的作用。该巷道直接顶为砂质泥岩，平均厚度为2．5 m，老顶为中粒砂岩平均厚度为15．5 m。该区域大巷为穿层巷道，穿过的岩层主要有煤层、泥岩、砂质泥岩，但大部分区段为泥质砂岩，地层构造非常复杂。

巷道设计断面为矩形巷道，净断面5 000 mm× 4 000 mm，巷道顶和两帮采用锚梁网喷注联合支护。支护参数：22 mm×2 400 mm螺纹钢锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm；拱顶锚索每排布置3根，间排距1 800 mm×1 400 mm。

卸压槽深度的大小对泄压的效果影响很大，德国埃森采矿研究中心对巷道周边各种切缝情况进行了研究，得出当切槽深度大于巷帮到切缝的间距时，卸压效果最好。结合该矿的实际情况，巷道切槽到巷帮的距离是2．5 m，故提出卸压槽的深度是1 m、2 m、3 m时的三种情况，运用FLAC3D数值分析软件，分析对比三种情况时卸压的效果。

3 数值模型的建立

FLAC3D为三维快速拉格朗日分析方法，该方法采用三维显示有限差分法程序，可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为［2］。

从理论分析可知，巷道对围岩中应力分布影响范围一般是巷道半径的3～5倍，宽度取一个循环进尺，故取计算模型尺寸为长×宽×高=50 m×20 m×50 m，巷道设计为矩形断面，巷道宽5 m，高4 m。根据地质勘探资料揭露，此煤层属于缓斜煤层，倾角较小，因此，在模拟过程中可以简化为水平的。此模型建立的网格为50×20×50，每个网格为1 m，开挖的卸压槽，沿巷道中心，长20 m，宽1 m，深1．5 m［2］。

4 模拟结果和分析

4．1 不同深度卸压槽垂直应力的对比

运用FLAC3D数值软件进行了分析对比，得到了卸压槽深度在1m、2m、3 m时，不同的卸压效果图见图1～图6。

图1 1 m深时的垂直应力图

图2 2 m深时的垂直应力图

图3 3 m深时的垂直应力图

图4 1 m深时的水平应力图

图5 2 m深时的水平应力图

图6 3 m深时的水平应力图

由图1、2、3可知，不同的颜色代表不同的垂直应力大小，巷道周边深色区域越大，表明垂直应力越低，从图中可知，图1深色区域＜图2深色区域＜图3深色区域。即图3的卸压效果最好，垂直应力向深部转移。图1和图2的卸压槽的深度是小于巷帮到切缝距离（2．5 m）的可知：卸压槽深度大于巷帮到切缝距离时，效果最好。

由图4、5、6可知，不同的颜色代表不同的水平应力大小，深色的区域越大，表明水平应力越低，属于低应力区。从图中可知，图4深色区域＜图5深色区域＜图6深色区域。即图6的卸压效果最好，巷道周围的水平应力向深部转移的更加明显。图4和图5的卸压槽的深度是小于巷帮到切缝距离（2．5 m）的，而图6的卸压槽深度是大于巷帮到切缝距离的，可知，卸压槽深度大于巷帮到切缝距离时效果最好。

4．2 水平位移量的变化

根据FLAC3D模拟的结果［2］，在距底板1 m水平方向上，分别距两帮0．5 m、1．0 m、1．5 m…10．5 m处，选取观测点。比较巷道开挖不同深度卸压槽后，两帮各个观测点的位移、应力的变化。开挖不同深度卸压槽时水平位移量见图7。

如图7所示，开挖卸压槽后，左帮的位移量，2 m的平均比1 m的平均增大5%，3 m的平均比2 m的平均增大10%；右帮的位移量，2 m的平均比1 m的平均增大28．2%，3 m的平均比2 m的平均增大34．3%，可见，卸压槽的深度并不是越大越好，2．5 m时是最合适的。

图7 开挖不同深度卸压槽时水平位移量

5 施工

卸压槽沿巷道走向布置在巷道中间，宽为400 mm，深为2．5 m。开挖好的卸压槽上面采用厚钢板或其它物件盖严，防止人员或物件陷入。开挖过卸压槽后，再次观测底鼓和两帮的变化量，发现底鼓和两帮位移变化严重的巷道得到了有效地控制，巷道周围的高应力向深部转移。

6 结论

对于深部围岩巷道，开挖卸压槽能使巷道周围的高应力向深部转移。开挖卸压槽的深度，当切槽深度大于巷帮到切缝的距离时，卸压效果最好，巷道周围的高应力向深部转移，巷道变形得到有效控制。

［1］ 陆家良．软岩巷道支护技术［M］．长春：吉林科学技术出版社，1995：103-104．

［2］ 彭文斌．FLAC3D实用教程［M］．北京：机械工业出版社，2008：73．

［3］ 钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制［M］．北京：煤炭工业出版社，1991：42-43．

［4］ 王其胜，李夕兵，李地元．深井软岩巷道围岩变形特征及支护参数的确定［J］．煤炭学报，2008，33（4）：364-367．

［5］ 马建军，蔡路军，程良奎．软岩巷道稳定性影响因素及其支护理论探讨［J］．有色金属，2005（11）：29-31．

Simulation Study on Reasonable Depth of Pressure Relief Groove in Soft Rock Roadway Floor

Zhao Gao-jie，Sun Fa-sheng

With the increase of mining depth，the stress of deep soft rock roadway is higher than before，the soft rock of roadway is significantly deformed，destruction of surrounding rock and heaving floor become more and more serious，the control of the stability of surrounding rock in roadway has become extremely difficult．Pressure relief groove is excavated in the middle of floor，the peak stress of surrounding rock around roadway transfers to the deep far away，as a result that the roadway lies in the stress decreasing zone so that the roadway can be effectively maintained．However，the pressure relief groove depth may influence the roadway maintenance quality．If the depth is too shallow，the pressure relief is not good enough．If too deep，the cost is high．By using the FLAC3Dsimulation software，the pressure relief groove of different depths can be simulated．By observing the change of stress and displacement of surrounding rock roadway，the effect on surrounding rock and bottom bulge is analyzed．

Pressure relief groove；FLAC3D；Support；The reasonable depth

TD322+．5

B

1672-0652（2013）09-0052-03

2013-06-16

赵高杰（1987—），男，河南偃师人，2011级河南理工大学在读硕士研究生，主要从事矿山压力及其控制的研究（E-mail）250987308＠qq．com