复杂地质条件下巷道围岩稳定控制与数值模拟研究

刁明富

（山东神能煤电投资有限公司，山东 肥城 271608）

复杂地质条件下巷道围岩稳定控制与数值模拟研究

刁明富

（山东神能煤电投资有限公司，山东 肥城 271608）

在剖析复杂地质构造下巷道围岩稳定影响因素的基础上，对巷道围岩稳定控制机理进行了探讨，提出了支护方案的设计思路，并给出了两种选择方案。

复杂地质；稳定机理；探讨；数值模拟

1 巷道概况

杨营煤矿3100采区水仓位于采区下部车场左侧，位于泥岩、炭质泥岩和粉砂岩层位。水仓设计标高为-753m～-751m，附近有F8断层带及SDF13断层，由于受附近断层构造、冲刷边界及埋深的影响，围岩松软破碎，属于典型的软岩巷道。另外，3100采区水仓与采区泵房、变电所及采区三条下山集中布置。

2 水仓围岩稳定影响因素分析

（1）围岩性质。根据地质资料知，3100采区水仓围岩较破碎，含有大量的泥岩、砂质泥岩成分，强度较低，直接底为砂质泥岩，如果对水仓底板不采取有效的支护措施，当顶帮压力传递到底板时，会容易导致底板产生过大的塑性变形而底鼓，进而会影响水仓顶帮的稳定；（2）应力环境。水仓形状为直墙半圆拱，掘进断面设计为12m²，巷道断面较大，相应的围岩松动圈就大。另外，水仓附近的一些辅助巷道，泵房、配水井、吸水井、变电所、变电所回风巷、管子道、3100轨道下山、胶带下山、回风下山及联络巷等与之形成了复杂的巷硐群，水仓围岩存在多重应力叠加，处于复杂的应力环境中。F8断层带及SDF13断层的存在又会加大水仓围岩与支护体的荷载和应力集中程度；（3）支护形式。水仓支护方案要保证支护结构有足够的承载能力，确保静动压下的稳定，应尽可能采取主动支护措施，充分发挥围岩的自承能力，大大提高支护结构的承载力和适应性。

3 水仓围岩稳定控制分析

结合现场条件提出两种支护方案：

方案Ⅰ：一次锚网喷+二次混凝土砌碹支护。其中，锚杆采用高强预应力锚杆，规格为Φ20×2100mm，间排距为700mm×700mm；初喷厚度为100mm；混凝土碹体厚度为300mm，水泥标号为C30；底板混凝土浇筑400mm。

方案Ⅱ：一次锚网索喷+二次锚网索喷+底板钢梁浇注支护。其中，一次支护时：锚杆规格为Φ20×2400mm高强预应力锚杆，间排距为800mm×800mm；锚索规格为Φ17.8×6300mm，间排距为1600mm×1600mm；喷浆厚度150mm。二次支护时：锚杆规格为Φ20×2400mm等强锚杆，间排距为1000mm×1000mm；锚索规格为Φ17.8×6300mm，间排距为2000mm×1000mm。底板打设规格为Φ20×2000mm等强锚杆，间排距为1000mm×1000mm；底梁由11#工字钢加工而成。

4 数值模拟

为了深入了解水仓围岩的变形情况，应用FLAC3D数值分析软件对上述两种方案支护状态下巷道的变形情况进行了模拟。本构模型采用Column-mohr模型，平面应变模型（宽×长×厚=60m×60m×1m）。边界条件：左右边界水平约束，上边界承受竖直应力19.75MPa，水平内力为19.75MPa（侧压系数λ设为1），底边界为水平和竖直方向约束，模型前后方向为水平约束。

4.1 围岩位移

通过对上述两种支护方案的模拟，从围岩位移等值线云图可以看出：方案Ⅱ与方案Ⅰ相比，巷道底鼓量有明显降低，且顶帮位移量有所减少，位移梯度有所增加；从等值线整体分布情况来看，方案Ⅱ支护状态下围岩位移等值线分布较平滑，特别是巷道底板附近，这说明方案Ⅱ与方案Ⅰ相比巷道围岩受力均匀，应力集中程度较小。

方案Ⅱ支护状态下，水仓顶板下沉量为148.2mm，底鼓量155.2mm，帮部（单侧）移近量为115.6mm。这充分说明应用方案Ⅱ支护结构后，水仓围岩的承载能力增强，围岩尤其是巷道底板的强度得到了较好强化，理论上方案Ⅱ能够满足水仓围岩变形控制要求。

4.2 围岩应力与塑性区分布

最大主应力σmax峰值和最小主应力σmin分布是巷道围岩完整性的重要指标，主应力峰值离巷道表面距离越远，说明巷道围岩的松动范围越大。从主应力分布云图可以看出，方案Ⅱ与方案Ⅰ相比围岩的主应力峰值更接近巷道表面。

为了更加直观地反映围岩主应力的分布情况，同样在巷道顶板、底板和右帮分别设置测线，并提取相关数据绘制位移曲线。

两种支护状态下拱顶测线最大主应力σmax的位置：方案Ⅰ支护状态下，25.83MPa，距巷道表面1.22m；方案Ⅱ支护状态下，24.93MPa，距巷道表面1.13m；这说明随支护能力的提高，围岩最大主应力σmax峰值向巷道表面移动。两种支护状态下底板测线最大主应力σmax的位置：方案Ⅰ支护状态下，26.16MPa，距巷道表面3.73m；方案Ⅱ支护状态下，26.53MPa，距巷道表面3.21m；方案Ⅱ与方案Ⅰ相比围岩最大主应力σmax峰值向巷道表面移动了0.52m，有效控制了底板的变形。两种支护状态下右帮测线最大主应力σmax的位置：方案Ⅰ支护状态下，27.18MPa，距巷道表面1.67m；方案Ⅱ支护状态下，27.57MPa，距巷道表面1.90m；两种支护方案下，巷道帮部的应力分布基本一致。

方案Ⅱ与方案Ⅰ相比围岩最小主应力σmin从巷道周边到围岩深部都有所增大，这表明方案Ⅱ支护状态下巷道围岩受力更加均匀、合理，其巷道周边塑性区范围尤其是底板大幅度减小。

综上，方案Ⅰ不能有效地控制采区水仓围岩的位移和塑性区的分布范围，特别是底板无任何加固措施，会导致底板变形严重，影响水仓的正常使用；方案Ⅱ这种主动支护方式可以充分发挥围岩的自承能力，有效控制顶帮围岩，底板钢梁加锚杆支护降低了硐室的底鼓程度。

5 工程应用效果

根据分析，选定方案Ⅱ作为采区水仓支护方案并在现场应用。为了掌握水仓围岩的变形情况，采用十字交叉法对水仓变形进行了监测，根据现场监测记录，在断面收敛测试期（3个月）内，两帮收敛量为180mm，顶底板收敛量为200mm，巷道断面收敛率为10.9％，巷道围岩整体变形量不大。在支护完成第80天左右，巷道变形基本趋于稳定，日收敛速率平均为0.05mm/d，支护效果良好。

6 结论

联合支护、综合治理是软岩巷道支护的基本原则，要通过支护结构改善水仓围岩的力学性能，充分发挥围岩的自承能力，促进围岩稳定，实现主动支护。结合杨营煤矿3100采区水仓现场条件，应用“一次锚网索喷+二次锚网索喷+底板钢梁浇注”支护方式，实现了巷道的稳定。

[1]韦四江，马建宏，李小军.返修大断面硐室加固及数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2009,26(2)：217-224。

刁明富(1961-)，男，毕业于山东科技大学采矿工程专业，现从事采矿技术工作。