高水平构造应力巷道围岩稳定性数值模拟分析及控制

秦万能，梁红书

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局三总队，贵州遵义563000）

高水平构造应力巷道围岩稳定性数值模拟分析及控制

秦万能，梁红书

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局三总队，贵州遵义563000）

为了解决高水平构造应力条件下巷道围岩易失稳的难题，采用数值模拟的研究方法，分析了两种支护形势下巷道围岩响应特征，提出了巷道底板采用锚索束注浆加固的治理方案，并结合数值模拟进行现场工业性试验。结果表明：巷道围岩原支护方式对巷道的顶板及两帮起到较好支护效果，但巷道底鼓量较大；在进行底板锚索束注浆加固支护后，顶底板累计移近量为142 mm，两帮的移近量为123 mm，较原支护围岩断面整体收缩减小48%左右，底板锚索束整体补强作用显著，能够有效控制巷道底鼓增大趋势，保证了巷道围岩的完整性和稳定性。

构造应力；数值模拟；巷道围岩；工业性试验；支护强度

构造应力是巷道围岩应力重要组成部分，多是沿水平方向，具有较强的区域性特征。随着巷道埋深不断加大，巷道围岩出现的膨胀软岩底鼓，冲击地压以及支护体严重破坏等地质灾害与构造应力有着密切联系。浅埋煤层地质构造较单一，巷道开挖后围岩应力集中程度低，造成的破坏范围较小，简单支护体即可达到控制目的，而深埋巷道多处在断裂褶曲构造较多的复杂地质环境下，此时构造应力突出，演变成为最大主应力，其特点为巷道整体围岩变形大，破坏严重，冒顶片帮现象频繁，严重制约着矿井安全生产。针对深部巷道围岩控制国内外学者进行了深入的理论与实践研究，考虑到巷道围岩变形具有区域性特征，支护技术与工艺存在较大差异性，本文以新景矿运输大巷为研究对象，应用底板锚

索束注浆加固的治理思路进行支护，通过现场围岩监测，验证了该方案在新景矿运输大巷的可行性。

1 工程概况

1.1 围岩特性及构造

新景矿运输大巷位于矿井工业广场西部，沿着11#煤层顶板掘进，巷道平均埋深为750m，该巷道顶板依次为粉砂岩、泥岩，裂隙发育，泥质胶结较软；底板依次为中粒砂岩、泥岩，裂隙发育，含有伊利石、蒙脱石、高岭石等结构软弱的黏土矿物，遇水极易膨胀，强度较低，其岩石力学参数见表1。

表1 运输大巷顶底板岩性特征

从现场岩层实际揭露情况得知，褶曲与小断层构造有13条。结合地应力实地测量结果分析表明，水平构造应力为最大主应力，侧压系数多在1.3～1.8之间。由此可以得知，高水平构造应力是影响巷道围岩变形、支护体破坏主要因素。

1.2 原支护形式及破坏特征

新景矿运输大巷原设计为直墙半圆拱形，巷道断面4500mm×3600mm，顶板锚杆采用Φ22mm× 2000mm，间排距为800mm×800mm，锚索采用Φ15.24mm×6200mm，间排距为1800mm× 1600mm；两帮采用Φ18mm×1800mm圆形锚杆，间排距为800mm×800mm，锚杆间采用梯子梁连接；巷道表面喷射150mm厚混凝土，顶板与两帮实施锚梁网喷联合支护方式（图1）。

图1 新景矿运输大巷原支护形式

通过巷道围岩长期监测发现，巷道使用前3个月内，矿压显现尤为剧烈，局部顶板冒顶现象较为严重，两帮出现大面积浆皮开裂、扩容，多以剪切破坏为主，由于巷道底板未经支护，造成底鼓最为剧烈，底鼓量最大达到800mm，锚杆弯曲，破断现象较为普遍，大巷内轨道已严重变形，影响了矿井安全生产。

2 高水平构造应力巷道数值模拟分析

2.1 模型建立

采用FLACK3D数值模拟软件分析不同水平构造应力条件下巷道围岩变形特征。模型尺寸为150m×70m×80m（长×宽×高），为了尽可能达到模拟效果的准确性，模型上边界设定为自由面，加载载荷为γH=25k N/m3×750m=18.75MPa，水平方向位移与模型下边界垂直位移固定约束，巷道顶底板采用应变软化模型，剩余岩层采用Mohr-Coulomb模型作为运算准则来进行计算，各岩层物理力学参数见表2。

2.2 模拟方案设计

分别计算侧压系数λ为1.3、1.5和1.8时，巷道原支护形式下巷道围岩位移场、应力场以及围岩塑性区分布特征，设计方案见表3。

2.3 不同侧压系数巷道围岩变形分析

由图2可以看出：当测压系数λ为1.3时，巷道顶板出现明显剪切破坏带，垂直位移最大值为69mm，同时巷道底板整体出现200mm的底鼓量；当测压系数λ为1.5时，顶板仍受剪切破坏为主，垂直位移变化有所增大，巷道底板由中心线处出现位移最大值，达到250mm，其他区域面积变化不明显；当测压系数λ达到1.8时，巷道顶板垂直位移发生明显变化，下沉区域面积明显减小，深部位移具有增大趋势，且巷道底板垂直位移又不断向底板深部转移，最大值达到239mm。

同样在原支护条件下，观察图3所示巷道围岩水平位移分布图可以得知：侧压系数λ=1.3条件下，巷道底板两帮角出现应力集中现象，水平位移

最大值约为95mm；侧压系数λ=1.5时，巷道两帮角应力集中现象变化不明显，位移最大值不断增大；当测压系数λ=1.8时，巷道两帮角位移最大值达到180mm，且不断向深部转移，三种不同侧压系数条件下，巷道整体水平位移变化区域范围不明显。对巷道围岩应力进行分析，图4给出了原支护条件下，不同测压系数垂直应力分布特征，可以得知：λ= 1.3时，在巷道两帮浅部围岩出现应力集中区，最大值约为26MPa；当λ=1.5时，巷道两帮应力集中区消失，但巷道围岩整体垂直应力分布区域范围变化并不明显；当λ=1.8时，巷道两帮深部围岩、顶板以及底板帮角均出现应力集中区，最大值约为24MPa，这容易对巷道稳定性造成极大影响。

表2 岩石物理力学参数

表3 数值模拟方案设计

图2 巷道围岩垂直位移分布特征

图3 巷道围岩水平位移分布特征

调取巷道围岩水平应力分布图，图5分析了不同测压系数条件下水平应力分布特征，可以得知：在巷道顶底板浅部围岩出现应力集中区，随着侧压系数不断增大，水平应力集中区域面积不断缩小，但巷道顶板水平应力最大值由33MPa增至53.1MPa，底板水平应力最大值由7MPa增至10MPa。

由图6得知，原支护形式能够有效控制顶板

与巷道两帮围岩的塑性变形，起到了较好的支护效果，但随着侧压系数不断增大，由于巷道底板未经支护造成塑性破坏区域面积与深度都在不断扩大，这也正与在高水平构造应力条件下巷道底鼓极为严重的实际情况相吻合。

综上分析可知，高水平构造应力对巷道位移场、应力场以及塑性破坏区域存在显著影响，特别是在巷道底板未经支护情况下，为水平构造应力的转移与释放提供了有利条件，最终造成底鼓不断增大，直至趋于稳定，为此，建议对原支护方案进行优化设计，采用底板锚索束注浆加固治理方案，强化底板支护作用。

图4 巷道围岩垂直应力分布特征

图5 巷道围岩水平应力分布特征

图6 巷道围岩塑性区分布特征

2.4 方案优化设计

本着简化支护，节约成本的原则，确定在原支护形式不变情况下，对巷道底板实施锚索束注浆加固治理思路，锚索束选用三根Φ17.8mm×7800mm的高强度低松弛钢绞线组合而成，利用矿区废旧钢轨制备长2100mm，内间距80mm钢轨梁，采用错距布置方式，排距为2m，锚索束外摆30°（图7），锚索束孔内灌入由425#普通硅酸盐水泥配制的水灰比为0.6∶1的水泥浆。

2.4.1 测压系数为1.3时围岩特征分析

巷道底板采用锚索束强化支护后，巷道最大垂直位移发生在底板（图8（a）），其值约为147mm，同时，巷道顶板出现局部位移，最大值达到85.2mm；在巷道底板的帮角出现了水平应力最大区域（图8（b）），其值达到102mm，表明该支护方式并未对巷道底板在围岩应力作用下产生水平位移起到约束作用；对底板进行锚索束支护后，仍在巷道两帮围岩出现垂直应力集中区（图8（c）），巷道底板应力降

低区面积不变，但巷道顶板应力降低区面积明显减小；从水平应力特征分析（图8（d）），在顶板与底板均出现了水平应力集中区域，最大值分别达到31.3MPa和25.1MPa，可见巷道底板围岩应力降低区比较原支护情况下面积明显减小；巷道帮顶塑性破坏区范围减小（图8（e）），与原支护情况下基本相同，但底板巷道围岩的塑性破坏区明显增大。

图7 运输大巷优化设计支护方案

图8 λ=1.3时底板锚索束支护位移、应力及塑性区特征分析

2.4.2 测压系数为1.5时围岩特征分析

对底板进行锚索束注浆后，巷道底板围岩出现垂直位移最大值区域（图9（a）），最大值约为171mm，巷道顶板中浅部围岩出现约为92mm的垂直位移，且巷道底板围岩中出现垂直向上位移区域面积相对原支护方式明显增大；进行锚索束支护后，只在巷道底板两底角围岩中出现水平位移最大值区域（图9（b）），最大值约为119mm，巷道两帮只产生最大值约为75mm的水平位移，且底板两底角围岩出现水平位移的区域面积明显增大；在巷道两帮围岩中出现垂直应力最大值区域（图9（c）），最大值为28.4MPa，巷道顶板应力降低区面积明显减小；在巷道底顶围岩出现水平应力最大值区域（图9（d）），其最大值为38.4MPa，巷道两帮出现应力较低区面积明显减小；巷道两帮与顶板塑性破坏区面积基本相等（图9（e）），且与原支护情况下区域面积基本相等，巷道底板围岩出现大于底板注浆支护时的塑性区面积，只在巷道两帮与顶板中浅部围岩出现先拉伸破坏再剪切破坏的塑性破坏区域。

2.4.3 测压系数为1.8时围岩特征分析

进行底板锚索束注浆后，巷道顶底板均出现垂直位移最大值区域（图10（a）），其最大值分别达到220.6mm和108.5mm的垂直位移，且巷道深部大范围底板出现垂直向上位移区域的面积相比原支护形式明显减小；巷道底板两帮的底帮角围岩出现水平位移最大值区域（图10（b）），约为149.2mm，且大范围水平位移也出现在巷道底板，巷道两帮水平位移约为126.0mm；只在巷道两帮上部围岩出现垂直应力最大值区域（图10（c）），其值约为26.8MPa，且巷道顶底板围岩应力降低区面积均明显减小；巷道两帮及顶板围岩塑性破坏区面积基本相同且有所减小（图10（e）），巷道底板岩层塑性区

面积增大，且在锚索束穿过巷道底板19mm的11#煤层处产生大面积的塑性破坏区。

由数值模拟分析可知，原支护方式一定程度上对巷道顶板及两帮起到较好支护效果，但巷道较大底鼓量说明底板围岩支护收效甚微，在进行锚索束支护后，与原支护相比，巷道围岩位移均明显减小，应分布更加均匀合理，塑性区破坏明显缩小，效果显著。

图9 λ=1.5时底板锚索束支护位移、应力及塑性区特征分析

图10 λ=1.8时底板锚索束支护位移、应力及塑性区特征分析

3 现场工业性试验

利用优化方案进行支护后，对巷道进行定点位移采集，绘制位移变化曲线图，并与原支护条件下位移变化曲线进行分析对比（图11）。

从图中可以得知，采用新的支护方案后，底板锚索束整体补强作用显著，能够有效控制巷道底鼓增大趋势；巷道表面位移明显减小，呈现出“巷道顶底板移近量大于两帮移近量”的分布规律，这主要是由于巷道水平构造应力大于垂直应力的结果，在挤压变形作用下，巷道顶底板移近量大于两帮移近量；顶底板累计移近量为142mm，移近平均速度为3.3mm/d，两帮的移近量为123mm，移近平均速度为3.2mm/d，较原支护围岩断面整体收缩减小48%左右，支护效果显著。

4 结 论

1）巷道原支护初期阶段，矿压显现尤为剧烈，局部顶板冒顶现象较为严重，两帮出现大面积浆皮开裂、扩容，以剪切破坏为主，由于巷道底板未经支护，造成底鼓最为剧烈，锚杆弯曲，破断现象较为普遍，严重影响了矿井安全生产。

图11 巷道表面位移随时间的变化曲线

2）高水平构造应力对巷道位移场、应力场以及塑性破坏区域存在显著影响，在巷道底板未经支护情况下，为水平构造应力的转移与释放提供了有利条件，造成底鼓不断增大，建议对原支护方案进行优化设计，采用底板锚索束注浆加固的治理方案。

3）采用新的支护方案后，底板锚索束整体补强作用显著，能够有效控制巷道底鼓增大趋势；巷道表面位移明显减小，呈现出“巷道顶底板移近量大于两帮移近量”的分布规律。

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Numerical modeling analysis and control for roadway surrounding rock stability with high horizontal tectonic stress

QIN Wan-neng，LIANG Hong-shu
（The Third Team，Non-Ferrous Metals and Nuclear Industry Geological Survey Bureau of Guizhou Province，Zunyi 563000，China）

In order to solve the problem of surrounding rock instability under the condition of high horizontal tectonic stress，the characteristics of roadway surrounding rock is analyzed in two supporting situation by the method of numerical simulation，and the treatment scheme that roadway floor uses the anchor beam of grouting reinforcement is proposed，at the same time the industrial test is carried on with numerical simulation.The results show that the original support way plays a good supporting effect for roof and two sides of the roadway，but the amount of floor heave of roadway is bigger；after the anchor beam of grouting reinforcement has been used in roadway floor，the cumulative displacement of roof to floor is 142mm，and two sides roadway's cumulative displacement is 123mm，which decreases about 48%compared with the original supporting section，the effect of integral reinforcing action in floor anchor beam is obvious.The increase of floor heave of roadway can be controlled effectively，and the integrity and stability of the surrounding rock of roadway is ensured.

tectonic stress；numerical simulation；surrounding rock；industrial test；support strength

TD353

A

1004-4051（2016）09-0116-07

2016-06-11

秦万能（1962-），男，贵州遵义人，汉族，本科，高级工程师，主要从事岩土工程研究。