巷道围岩破坏区可视化程序的开发与应用∗

郭晓菲

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

巷道围岩破坏区可视化程序的开发与应用∗

郭晓菲

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

为了掌握井下巷道开挖后围岩破坏区的分布情况，基于现场围岩层状赋存特征和应力场的非均匀分布特性，建立了层状围岩条件下巷道围岩区域受采动及地质构造影响下的统一受力模型，并通过计算机编程实现了复杂应力场中巷道围岩破坏区的可视化。通过与FLAC3D数值模拟结果的对比分析验证了可视化程序的可靠性，并在现场十几个矿区的巷道围岩稳定性分析及巷道支护参数设计中得到应用，取得了良好的应用效果。

巷道围岩 围岩破坏区 可视化 程序开发

井下巷道开挖后，由于应力的重新分布导致围岩出现一定范围的破坏区，破坏区的形态及范围大小直接决定了巷道围岩的稳定性，同时也是巷道采取支护措施的依据。掌握巷道围岩破坏区形态分布对巷道稳定性分析、支护设计、冒顶灾害防治等工程实践有重要的指导意义。

目前主要用解析法、实测法和数值法3种方法来确定巷道围岩的破坏区范围。解析法目前应用较广泛的是卡斯特耐公式，用其计算巷道围岩松动圈范围，公式在推导过程中视围岩为均匀介质、所受应力场均匀分布，假设的巷道环境与现场实际条件相差很大，所以依据解析法得到的围岩破坏区形态及范围与实际情况相差很大。实测法主要通过现场钻孔窥视，观察围岩裂隙发育情况来确定围岩破坏区范围，这种方法虽然得到的结果较可靠但是现场操作难度大并且具有滞后性，巷道支护方案往往在巷道开挖之前就已经确定了。数值法目前应用较多的是FLAC数值模拟软件，在进行数值运算时首先要通过fish语言建立运算模型，对使用者要求较高，数值法在现场使用仍不方便。目前仍需要一种既做到在现场操作简单方便又能较准确反映巷道围岩破坏区形态范围的方法。本文从设计原理、测试验证、现场应用3个方面详细介绍巷道围岩破坏区的可视化程序。

1　可视化程序的设计原理

1.1 模拟巷道环境特征分析

巷道破坏区可视化研究实质是通过计算机模拟实际井下巷道围岩在应力场中破坏的力学问题，首先需要对模拟的现场巷道环境进行充分认识。本文研究的巷道环境包括围岩环境和应力场环境，其中围岩环境主要考虑岩石的物理力学性质。

1.1.1 巷道围岩呈层状赋存

煤岩系是在成因上具有共生关系的沉积岩，主要由泥岩、页岩、石灰岩、砂岩以及粉砂岩等沉积岩层组成。在沉积过程中，由于沉积环境变化、矿物成份不同造成煤系地层中的各岩层物理力学性质差别很大，形成明显的分层面。煤岩系中每个分层大致连续、所含的矿物成份相同、岩体的强度相近，在巷道稳定性的研究中可将每个分层简化为一个整体的均质连续体。

1.1.2 围岩处于非均匀应力场中

煤矿井下巷道围岩处于复杂的应力环境之中，其中最主要的是对巷道围岩破坏起决定作用的应力，包括原岩应力与采动应力。原岩应力主要包括自重应力和构造应力，反映了巷道开挖前岩体所处的初始应力状态，是研究巷道开挖后应力重新分布的基础。地下任意一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，具体计算式为：

式中：σz——垂直应力；

σx，σy——水平应力；

λ——侧压系数，水平应力与垂直应力之比；

τxy——水平方向剪应力；

γ——上覆岩层的平均体积力；

H——巷道距地表深度。

一般情况下地壳运动以水平运动为主，构造应力主要是水平应力，故可用侧压系数λ反映巷道围岩受构造应力的影响程度。巷道所受的采动影响包括巷道掘进期间影响和邻近工作面回采期间影响，其中邻近工作面回采期间的影响主要表现为工作面前方移动支承压力，造成影响区内垂直应力成倍增大，可用支承压力系数K表示受邻近工作面回采的影响程度。巷道掘进的影响主要是由于巷道的开挖引起巷道周围一定区域范围内应力重新分布造成的，这一区域一般认为在10倍巷道半径以内，巷道围岩的破坏区也都在这一区域内。所以可把这一区域作为一个研究单元，认为区域单元受到上覆岩层的自重应力、构造应力和工作面回采采动应力3种应力场不同组合的叠加应力场后在巷道周围又重新分布导致形成了巷道围岩破坏区的最终状态。图1为巷道围岩区域受力模型，当K=λ=1时，为静水等压受力状态，实际巷道区域应力场中K、λ均不等于1，围岩处于非均匀应力场中。

图1　巷道围岩区域单元受采动及构造影响的统一受力模型

1.2 基于摩尔-库仑强度准则的运算模型

层状围岩条件下非均匀应力场中巷道围岩破坏区运算模型见图2。

图2　层状围岩条件下非均匀应力场中巷道围岩破坏区运算模型

在巷道围岩区域受力模型中，层状围岩平行分布，在实际井下环境中分层面与水平方向往往存在一定角度，为岩层倾角，用α表示；在实际条件中区域应力也不完全是垂直水平存在，以垂直水平为参考系，逆时针旋转为正，设为应力转角，用β表示；在现有的理论条件下只有圆形断面巷道解决了周边各点应力解，其他断面形状的巷道在进行破坏区计算时可用相应的外接圆等效估算处理。本文建立了层状围岩条件下巷道围岩区域受采动及构造影响下的统一受力模型。

运用弹性力学理论，得出非均匀应力场中圆形巷道围岩任一点的应力状态为：

式中：σr——任一点的径向应力；

σθ——任一点的切向应力；

τrθ——任一点的剪应力；

a——巷道半径；

r、θ——任一点极坐标。

由弹性力学得任一点的主应力计算公式：

式中：σ1（r，θ）、σ3（r，θ）——任一点的最大、最小主应力。

在图2的运算模型中，各层围岩的物理力学参数为已知条件，根据摩尔-库伦破坏准则得判断该点破坏的条件为：

式中：C（r，θ）——任一点围岩的黏聚力；

φ（r，θ）——任一点围岩的内摩擦角。

根据式（1）、式（2）、式（3）和式（4）把巷道围岩区域内每个点都进行破坏性判断，即可得到巷道围岩破坏区，为可视化程序的编写提供了理论基础。

1.3 程序设计的技术路线

依据建立的层状围岩条件下非均匀应力场中巷道围岩破坏区运算模型，采用Visual Basic编程语言对巷道围岩破坏区可视化程序进行设计，具体设计技术路线如图3所示。

图3　程序设计技术路线图

由于运算需要输入的参数较多，将参数分为基本开采参数和岩层力学参数，放在设计好的Excel表格中，打开程序点击“输入参数”按钮，程序将自动调出参数输入表格，在相应位置输入数据。

参数输入完毕后点击“模拟塑性区”按钮，程序将开始运算。界面左侧为参数显示区，右侧为运算结果图形显示区，程序运算及输出界面见图4，图中类似椭圆形的浅色区域即为模拟的巷道围岩破坏区，实现了巷道围岩破坏区的可视化，同时可输出破坏区边界半径，为巷道支护参数的定量设计提供依据。

图4　程序运算及输出界面

2　基于FLAC3D数值模拟的测试验证及对比分析

本文建立了层状围岩条件下巷道在复杂应力环境中的受力模型，并进行了程序设计，实现了巷道围岩破坏区的可视化。由于实际巷道环境的复杂性，目前还很难在现场准确测出巷道围岩破坏区的范围。FLAC3D数值模拟软件是目前广泛使用的用于分析各种材料塑性破坏的软件，下面将使用FLAC3D数值模拟软件对可视化程序进行测试验证，并对两个软件进行相应的技术性能对比分析。

为了便于观察分析，使巷道围岩破坏区具有一定的形状特征，测试验证时巷道围岩采用均匀介质，具体力学参数参考实际条件下的煤岩力学参数，黏聚力为3 MPa，内摩擦角为30°，巷道半径为2 m。巷道围岩应力场分别模拟浅部400 m和深部600 m两种开采条件下的静水压力条件、采动影响条件、构造影响条件3种应力条件的应力场，具体参数如表1所示。

不同应力场条件下FLAC3D数值模拟计算结果和可视化程序计算结果的对比见图5和图6。

图5　浅部开采条件不同应力场条件下的测试验证对比

图6　深部开采条件不同应力场条件下的测试验证对比

由图5可得在不同应力场条件下可视化程序计算结果与FLAC3D数值模拟计算结果基本一致，主要表现为两软件模拟的巷道破坏区形态一致，破坏区范围尺寸相近；深部条件下巷道围岩破坏区范围大于浅部，模拟结果与现场巷道出现的变形破坏情况一致；采动影响条件下巷道两帮破坏严重，构造影响条件下巷道顶底板破坏严重，模拟结果与现场巷道出现的变形破坏情况一致。特别说明本文模拟的采动影响应力场条件与构造影响应力场条件只是相应应力场下的某一特例，所以模拟结果不能完全体现相应应力场条件下的巷道破坏特征。通过测试验证可看出可视化程序具有较好的可靠性。

与FLAC3D数值模拟软件相比可视化程序在操作应用中具有以下优势：输入输出界面简单直观，做到即看即所得，对操作者要求较低，更方便适合现场应用；程序内部自动建立了合理的运算模型，省去了使用者建模过程，使操作运算更快捷；可视化程序专门用以计算巷道围岩破坏区范围，为巷道围岩稳定性分析及支护定量设计提供依据，在设计上更专业。

3　现场应用

可视化程序的运算模型中考虑了巷道围岩的层状赋存特征与地下应力场受地质构造及采动影响的非均匀分布特性，模拟条件和实际的巷道围岩环境更加贴近；且可视化程序输入输出界面简单直观，更容易操作，为巷道围岩稳定性分析及巷道支护定量设计提供了有效的技术支持。目前，可视化程序已在赵固一矿、赵固二矿、五家沟矿、李家壕矿、塔拉壕矿等十几个矿区的巷道围岩稳定性分析及巷道支护定量设计中得到应用，并取得了良好的应用效果。下面以赵固二矿11030回风巷道为例对可视化程序的现场应用作详细分析。

11030回风巷道位于赵固二矿二1煤层主采煤层中，巷道平均埋深650 m，由于埋深较大且受到上一区段回采影响，巷道维护困难。通过现场地应力测试得到在上一区段回采期间工作面前方支承压力可达到原岩应力3倍以上，侧压系数在0.33～0.5之间，巷道断面为矩形，可视化程序计算的巷道等效外接圆半径为2.8 m。通过实验室试验得到巷道围岩区域范围内岩石物理力学参数，见表2。

巷道的受力条件及围岩的物理力学参数都已知的情况下即可用可视化程序计算出巷道围岩破坏区范围及形态，如图7所示。由图可得，巷道两帮及底板破坏区范围较小，其中两帮破坏区深度最大为1.4 m，底板破坏区深度在1 m范围内；巷道两肩破坏严重，破坏区深度达3.6 m；计算结果与现场巷道破坏及变形情况一致。根据破坏区的分布特征，采取相应了支护对策。巷道双肩破坏区范围较大，围岩变形严重，双肩采用延伸率较大的可接长锚杆支护；巷道两帮及中央顶板破坏区范围较小，采用普通锚杆支护。

采用上述支护方案，在受工作面采动影响期间，巷道肩部虽然出现较大变形，但是由于可接长锚杆具有锚固范围大、延伸性能好等优点，在巷道正常使用期间，较好地适应了顶板围岩的变形下沉，未出现杆体破断、锚固失效等情况，保障了生产期间的顶板安全。

表2　巷道围岩物理力学参数表

图7　程序计算的11030回风巷围岩破坏区可视化结果

4　结论

（1）建立了层状围岩条件下巷道围岩区域受采动及地质构造影响下的统一受力模型，并通过计算机编程实现了复杂应力场中巷道围岩破坏区的可视化，可为巷道围岩稳定性分析及支护参数定量设计提供技术支持。

（2）通过FLAC3D数值模拟软件的测试分析验证了可视化程序的可靠性；并且可视化程序输入输出界面简单直观，更容易操作，具有很强的现场使用价值。

（3）可视化程序在现场十几个矿区的巷道围岩稳定性分析及巷道支护参数设计中得到应用，并取得了良好的应用效果。

［1］ 侯朝炯.巷道围岩控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2013

［2］ 马念杰，李季，赵志强.圆形巷道围岩偏应力场及塑性区分布规律研究［J］.中国矿业大学学报，2015（2）

［3］ 孔恒，马念杰，王梦恕等.锚固技术及其理论研究现状和方向［J］.中国煤炭，2001（11）

［4］ 王卫军，郭罡业，朱永建等.高应力软岩巷道围岩塑性区恶性扩展过程及其控制［J］.煤炭学报，2015 （12）

［5］ 郭书英，武飞岐.锚杆支护巷道矿压监测仪的研发与应用［J］.中国煤炭，2016（4）

［6］ 李英明，贾安立，马念杰.煤巷顶板岩层赋存特征及块体梁顶板稳定性分析［J］.中国安全生产科学技术，2014（6）

［7］ 李增学.煤矿地质学［M］.北京：煤炭工业出版社，2009

［8］ 钱鸣高，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

［9］ 马念杰，赵希栋，赵志强等.深部采动巷道顶板稳定性分析与控制［J］.煤炭学报，2015（10）

［10］ KASTNER H.隧道与坑道静力学［M］.上海：上海科学技术出版社，1980

（责任编辑 张毅玲）

Development and application of visualization program of surrounding rock destruction zone

Guo Xiaofei
（Faculty of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

The shape and distribution of the surrounding rock failure zone directly determine the stability of the roadway，and it is also the foundation of the design of roadway support.In order to grasp the distribution characteristics of rock damage zone after the tunnel excavation，based on the layered occurrence characteristics of surrounding rock and the inhomogeneous distribution feature of stress field，the unified force model of the surrounding rock area under the influence of mining dynamic and geological structure is established.Then the visualization of roadway surrounding rock failure zone in complex stress field is achieved through computer programming. And the reliability of the is verified by FLAC3D numerical simulation comparison analysis.The visualization program has been applied in the field of more than a dozen mining area of roadway surrounding rock stability analysis and roadway support parameters design，and good results have been achieved.

roadway，damage zone，visualization，program development

TD355

A

国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2011CB201204），国家自然科学基金重点项目（51234005，51434006）

郭晓菲（1990-），男，2014年毕业于中国矿业大学（北京）采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事巷道围岩控制理论与支护技术方面的研究工作。