深部高应力巷道围岩稳定性分析

王保龙

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河煤矿，山西晋城048200）



深部高应力巷道围岩稳定性分析

王保龙

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河煤矿，山西晋城048200）

摘要：通过对深部巷道围岩稳定性进行数值模拟分析，得出：巷道断面形状、支护形式、岩层结构面、地应力对巷道围岩变形影响较大。改善围岩特性、支护断面和支护形式等可以改变巷道围岩的稳定性。

关键词：深部开采；高地应力；围岩稳定性；数值模拟

我国煤矿开采深度以每年8 m～12 m的速度增加，部分煤矿的开采深度已经超过1 000 m，有的甚至达到1 400 m。在深部高应力环境中，巷道围岩的控制变得比较困难，围岩长期变形不止，围岩的变形主要受到围岩性质、巷道埋深、地应力、地质水文等因素的影响，同时也受到了巷道支护断面、支护形式、采动的影响，且各种因素相互作用，相互影响，最终导致巷道不稳定[1-3]。

目前，许多学者[4-5]在工程实践中不断探索，发现了巷道围岩变形的基本规律，认识到了支架与围岩的共同作用原理，还有学者对巷道开挖后围岩破坏进行了研究，提出了松动圈理论，同时也开发出了不同形式的支护材料，不同程度上解决了部分巷道的支护问题，但是对于高地应力巷道的围岩控制，目前还没有合适的支护形式，主要是由于深部围岩系统比较复杂。因此，对深部巷道围岩稳定性控制技术进行研究就显得非常重要。

1　深部高应力巷道稳定性数值模拟

模拟对象为某煤矿运输巷，该巷埋深约1 107 m～1 207 m。最大水平主应力为32.6 MPa，方向为N12.5°E；最小水平主应力为16.89 MPa，垂直主应力为30.24 MPa。巷道围岩岩性及力学参数如表1所示。

表1　巷道围岩力学参数表

1.1不同断面形状对巷道围岩变形的影响

在无支护情况下，梯形断面巷道变形如图1所示，顶板最大变形达到68 mm。

在无支护情况下，直墙半圆拱形断面巷道变形如图2所示。与梯形断面变形相比，由于巷道拱形部分切割了直接顶，导致直接顶暴露部分变形增加，超过了梯形断面巷道变形，最大变形达到77 mm；顶板粗砂岩暴露位置变形减少，其它位置变形大致相当。

在无支护情况下，矩形断面巷道变形如图3所示。与梯形断面变形相比，由于巷道顶板部分切割了直接顶，导致直接顶暴露部分变形增加，超过了梯形断面巷道变形，最大变形达到76 mm；顶板粗砂岩暴露位置变形减少，其它位置变形大致相当。

图1　梯形断面巷道变形

图2　直墙半圆拱形巷道变形

图3　矩形巷道变形

1.2不同岩层强度对围岩变形的影响

在无支护情况下，改变巷道围岩强度，分三个等级进行模拟。模拟结果显示，随着围岩强度提高，巷道变形显著减少。

在硬煤和直接顶、无支护情况下，巷道变形见图4。与中等强度煤和顶板相比，巷道整体变形大大降低，最大变形为37 mm。

在中等煤和直接顶、无支护情况下，巷道变形见图5，顶板最大变形达到68 mm。

在软煤和直接顶、无支护情况下，巷道变形见图6。与中等强度煤和顶板相比，巷道整体变形有较大增加，最大变形为98 mm。

图4　硬煤和直接顶时围岩变形

图5　中等煤和直接顶时围岩变形

图6　软煤和直接顶时围岩变形

1.3不同岩层结构面

在无支护情况下，改变分层节理面强度，分强、中、弱三个等级进行模拟。模拟结果显示，随着节理面强度达到一定程度，再提高节理面强度，对巷道变形基本没有影响；但是降低节理面强度，可以使巷道变形显著增加。

在硬岩层结构面、无支护情况下，巷道变形见图7。与中等岩层结构面相比，巷道变形大致相同，顶板最大变形达到68 mm。

在中等岩层结构面、无支护情况下，巷道变形见图8，顶板最大变形达到68 mm。

在软岩层结构面、无支护情况下，巷道变形见图9。与中等岩层结构面相比，巷道变形急剧增大，顶板最大变形达到365 mm。模拟结果表明煤层上部0.7 m的直接顶和煤层下部0.5 m粘土岩对结构面强度变弱十分敏感。

图7　硬岩层结构面巷道变形

图8　中等岩层结构面巷道变形

图9　软岩层结构面巷道变形

1.4不同地应力

在无支护情况下，保持其它地质力学参数不变，仅改变地应力大小，分高、中、低三个等级进行模拟。模拟结果显示，随着地应力水平增大，巷道变形显著增加；随着地应力水平降低，巷道变形显著减少。

在高地应力、无支护情况下，巷道变形见图10。与中等地应力情况相比，巷道变形大大增加，最大变形达到99 mm。

在中等地应力、无支护情况下，巷道变形见图11，巷道最大变形达到68 mm。

在低地应力、无支护情况下，巷道变形见图12。与中等地应力情况相比，巷道变形大大减少，最大变形为40 mm。

图10　高地应力巷道变形

图11　中等地应力巷道变形

图12　低地应力巷道变形

1.5不同支护形式的巷道围岩变形

在保持其它地质力学参数不变情况下，仅改变支护方式，分无支护、强力锚杆支护和普通锚杆支护进行模拟。模拟结果显示，两种支护方式都能从一定程度上限制巷道变形。就限制巷道变形效果而言，强力锚杆支护明显好于普通锚杆支护。

在无支护情况下，梯形断面巷道变形见图13，顶板最大变形达到68 mm。

采用强力锚杆支护时，巷道变形见图14。与无支护相比，巷道变形有明显的减少，巷道最大变形降低为61 mm。

采用普通锚杆支护时，巷道变形见图15。与无支护相比，巷道变形有明显的减少，巷道最大变形降低为63 mm。

图13　无支护巷道围岩变形

图14　强力锚杆支护巷道围岩变形

图15　普通锚杆支护巷道围岩变形

2　深部巷道围岩变形与破坏机理分析

深部巷道围岩变形与破坏主要受三方面的因素影响：其一是巷道围岩地质条件，包括煤岩体物理力学性质，地质构造及节理、裂隙发育程度；其二是巷道工程赋存环境，主要包括应力环境、地下水环境和温度环境；三是巷道施工因素，包括巷道类型，巷道断面形状与尺寸，巷道开挖方式，以及巷道支护形式、支护参数和支护时机等。

在巷道围岩地质条件中，煤岩体的强度与变形特征，围岩内结构面形式、结构面分布、结构面力学参数，是影响深部巷道围岩变形与破坏的重要因素。在结构面比较发育的围岩中，结构面是最关键的影响因素。

在巷道工程环境中，高应力环境是深部巷道变形与破坏的根本原因。深部巷道围岩的应力场不仅取决于原岩应力，而且还与采动应力环境密切相关。即巷道围岩应力环境是原岩应力与采动应力叠加后的应力环境。

在巷道施工因素方面，通过优化巷道断面形状与尺寸，进行合理的巷道支护形式与参数设计，是保持巷道围岩稳定性与安全性的主要手段。

3　结论

1）在深井高应力回采巷道中采用不同的支护形式和支护断面对围岩变形影响很大，强力锚杆支护控制围岩效果较好，由于梯形支护未切割直接顶，采用梯形支护断面巷道变形较小。

2）围岩强度是影响围岩变形和破坏的关键参数。随着岩层强度降低，围岩变形大大增加，特别是顶底板岩层较软时，巷道变形急剧增加。

3）结构面强度也是影响围岩变形和破坏的关键参数。随着结构面强度降低，结构面剪切滑动加剧，围岩变形大大增加。特别是煤巷直接顶和直接底对结构面强度变弱十分敏感。

4）随着地应力水平的降低，围岩变形显著降低；当地应力小到一定程度，巷道变形变得很小。地应力大小对巷道围岩变形和稳定性影响非常显著。

参考文献：

[1]康红普，王金华，林健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J].煤炭学报，2007，32（12）：1234- 1238．

[2]贺永年，韩立军，邵鹏，等.深部巷道稳定的若干岩石力学问题[J].岩石力学与工程学报，2006，35（3）：288- 295．

[3]何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（16）：2803- 2813．

[4]孔祥义，高波，焦洪斌.软岩巷道联合支护方式在生产中的应用[J].辽宁工程技术大学学报，2003（22）：33 - 34．

[5]康红普，王金华，林健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29（4）：649- 664．

（编辑：武晓平）

Stability Analysis of Surrounding Rock in Deep Roadways with High Geostress

WANG Baolong
(Sihe Mine, Jincheng Anthracite Mining Group, Jincheng 048200, China)

Abstract:Numerical simulation of the stability of surrounding rock in deep roadways demonstrates that cross- section shape, supporting pattern, structural plane of rock, and geostress have greater influence on the deformation of the surrounding rock. To better control the deformation, effective improvement of the features of the surrounding rock, supporting cross- section, and supporting pattern could change the stabilityofthe surroundingrock in the roadway.

Keywords:deep mining; high geostress; stabilityofsurroundingrock; numerical simulation

作者简介：王保龙（1987-），男，山西晋城人，大学专科，助理工程师，从事煤炭设计与研究工作。

收稿日期：2015- 10- 29

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.019

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0065- 04

中图分类号：TD322

文献标识码：A