深部巷道底板开槽卸压数值模拟分析

高 一 朝

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003)

目前，一般采用加固法解决巷道底鼓问题，通过各种支护方式提升岩体强度，进而增大底板的自承能力。这种控制技术只能在中短期内满足深部巷道的支护要求，因为在深部环境中高应力会持续不断地作用在围岩上，底板的变形仍然会逐渐增大直至破坏。因此，需要采用卸压法，通过一定的技术手段使巷道处于低应力环境中，从源头上控制底鼓的发生。在卸压法中，在巷道底板上开挖出一条合适尺寸的卸压槽，使围岩附近的高应力向深部岩体转移，是一种控制底鼓效果比较好的方案[1-3]。

近年来，许多专家对卸压槽进行了研究。康红普等[4-5]认为底板开槽卸压的实质在于使围岩应力向深部转移，使底板承受的压力变小，但是需要找到合适的尺寸参数才能保证取得最好的效果。杨青松等[6]认为底板卸压槽为围岩变形提供了补偿空间，增大了吸收变形能的能力，从而达到维持巷道稳定控制围岩变形的效果。杨战标[7]认为如果对开槽尺寸不加限制，则开槽引起的底板围岩塑性区增加带来的底鼓将会超过卸压槽吸收的底板变形量。因此，需要研究卸压槽尺寸对卸压效果的影响，为深部巷道的开槽卸压方案设计提供参考依据。

1 工程概况

告成矿南翼副井深部运输大巷埋深821.55 m，巷道断面形状为直墙半圆拱，最大宽度5 m、最大高度4 m、直墙高1.5 m、拱顶半径2.5 m。巷道周围岩层的参数如表1所示。

表1 岩层的力学参数

巷道的原支护方式为锚网喷联合支护，支护参数为：打设Φ22 mm × 2 400 mm的右旋螺纹钢全丝锚杆，锚杆间排距为800 mm × 800 mm，锚固长度不小于1 200 mm，锚杆锚固力不小于80 kN，锚杆螺帽的扭矩力不小于140 N·m；锚杆托盘为10 mm × 150 mm × 150 mm铁托盘。金属网采用Φ6 mm光面钢筋制作，网目为80 mm × 80 mm。锚网支护施工完毕后，采用C20喷射混凝土封闭，初喷厚度为50 mm，复喷厚度为150 mm。巷道支护示意图如图1所示。

图1 巷道支护形式示意图

从现场情况来看，由于深部环境下恶劣的地质条件以及原始支护的不足，巷道出现了严重的底鼓，多次落底仍然无法稳定。底板的破坏也影响到了两帮和顶板的稳定，巷道支护体系严重失效，出现了巷道两底角内移、锚杆扭曲断裂、顶板与两帮的混凝土喷层大面积剥落的情况，如图2所示。

图2 巷道变形与破坏

2 数值模拟

2.1 模型概况

为研究卸压槽深度与宽度对卸压效果的影响，使用FLAC3D建立横向长36 m、竖向高30 m、纵向深5 m的计算模型，对不同的宽度与深度进行模拟分析，整个模型采用Mohr-Coulomb本构关系。岩层分布如图3所示。

图3 岩层分布示意图

在模型的上边界施加大小为20.538 MPa的垂直压应力作为应力边界条件，无位移边界条件。侧压力系数为1.7，因此在模型的左右两边界均施以34.914 MPa的水平压应力并约束其横向位移，下边界约束其竖向位移。使用线型结构单元中的cable单元模拟锚杆，壳型结构单元里面的shell单元与liner单元分别模拟金属网与喷层。

2.2 卸压槽深度模拟

假定在巷道底板中部开挖宽度为底板宽度4.0%的卸压槽，槽的深度分别为巷道高度的12.5%、25.0%、37.5%、50.0%、62.5%、75.0%、87.5%和100.0%，巷道周围塑性区、峰值水平应力位置与最大底鼓量的变化如图4和图5所示。

图4 不同槽深下的塑性区

图5 不同槽深下最大底鼓量与峰值应力位置

根据图4可知，当相对深度不超过25.0%时，塑性区面积增加较少，说明槽深过浅，卸压效果较差；在25.0%～37.5%之间时，塑性区面积增加幅度开始变大，但卸压效果仍旧不明显；相对槽深在37.5%～100.0%时，两类塑性区面积增加率一直都处于攀升状态，说明卸压槽已经开始大幅度地释放压力；但在相对槽深是87.5%和100%时，无法确认其所增加的塑性区面积是开槽卸压所产生的占多数还是破坏底板岩层所产生的占多数。

根据图5可得，相对槽深在12.5%～37.5%之间时，基本上没有卸去巷道底板附近的高水平应力；在37.5%～50.0%之间时，最大底鼓减小量与峰值水平应力向深部移动的距离开始逐渐增大，卸压效果开始显现；在50.0%～75.0%的过程中，最大底鼓减小量与峰值水平应力转移距离的变化最为明显，卸压效果的增加幅度最大；超过75.0%后，卸压效果的增加开始变弱；甚至在相对槽深为100.0%的时候，最大底鼓量反而开始增加；这是因为随着卸压效果减弱，相对槽深增加所减小的底鼓量小于由于底板岩层破碎所增加的底鼓量。因此，选择卸压槽最优深度为75%的巷道高度。

2.3 卸压槽宽度模拟

在巷道底板中部开挖深度为巷道高度75.0%的卸压槽，模拟卸压槽宽度分别为巷道宽度的2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%、8.0%，分析模拟结果来优化卸压槽的宽度。巷道周围塑性区范围、峰值应力与最大底鼓量关系如图6和图7所示。

由图6可得，卸压槽宽度对巷道周围塑性区的影响较小，无法通过塑性区面积来确定卸压槽宽度对卸压效果的影响规律。

图6 不同槽宽下的塑性区

由图7可得，相对槽宽为2.0%和3.0%，卸压槽宽度过小，卸压效果较差。相对宽度为4.0%、5.0%和6.0%，卸压效果持续增长，但是由于底板破坏引起的底鼓增加，卸压效果的增加仅能够在峰值水平应力向围岩深部移动距离上体现出来。若相对宽度为7.0%和8.0%，由于槽宽增加所增长的卸压效果逐渐减弱而底板破坏所增加的底鼓越来越大，导致整体卸压效果不理想。因此，选择卸压槽最优宽度为6.0%的巷道高度。

图7 不同槽宽下最大底鼓量与峰值水平应力位置

3 结 语

根据告成矿南翼副井深部运输大巷的底鼓问题，提出了卸压槽解决方案。通过对卸压槽尺寸数值模拟结果分析得出，底板开挖卸压槽的最佳深度为巷道高度的75.0%、最佳宽度为巷道宽度的6.0%。此时，巷道附近卸压范围大幅增加，最大底鼓量从底板未开槽时的499.85 mm减小到223.87 mm，峰值水平应力与底板之间的距离从未开槽时的8.075 m增加到10.841 m，综合卸压效果较好。