刁明富

（山東神能煤電投資有限公司，山東 肥城 271608）

復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖穩(wěn)定控制與數(shù)值模擬研究

刁明富

（山東神能煤電投資有限公司，山東 肥城 271608）

在剖析復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下巷道圍巖穩(wěn)定影響因素的基礎(chǔ)上，對巷道圍巖穩(wěn)定控制機理進行了探討，提出了支護方案的設(shè)計思路，并給出了兩種選擇方案。

復(fù)雜地質(zhì)；穩(wěn)定機理；探討；數(shù)值模擬

1 巷道概況

楊營煤礦3100采區(qū)水倉位于采區(qū)下部車場左側(cè)，位于泥巖、炭質(zhì)泥巖和粉砂巖層位。水倉設(shè)計標高為-753m～-751m，附近有F8斷層帶及SDF13斷層，由于受附近斷層構(gòu)造、沖刷邊界及埋深的影響，圍巖松軟破碎，屬于典型的軟巖巷道。另外，3100采區(qū)水倉與采區(qū)泵房、變電所及采區(qū)三條下山集中布置。

2 水倉圍巖穩(wěn)定影響因素分析

（1）圍巖性質(zhì)。根據(jù)地質(zhì)資料知，3100采區(qū)水倉圍巖較破碎，含有大量的泥巖、砂質(zhì)泥巖成分，強度較低，直接底為砂質(zhì)泥巖，如果對水倉底板不采取有效的支護措施，當頂幫壓力傳遞到底板時，會容易導(dǎo)致底板產(chǎn)生過大的塑性變形而底鼓，進而會影響水倉頂幫的穩(wěn)定；（2）應(yīng)力環(huán)境。水倉形狀為直墻半圓拱，掘進斷面設(shè)計為12m2，巷道斷面較大，相應(yīng)的圍巖松動圈就大。另外，水倉附近的一些輔助巷道，泵房、配水井、吸水井、變電所、變電所回風(fēng)巷、管子道、3100軌道下山、膠帶下山、回風(fēng)下山及聯(lián)絡(luò)巷等與之形成了復(fù)雜的巷硐群，水倉圍巖存在多重應(yīng)力疊加，處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中。F8斷層帶及SDF13斷層的存在又會加大水倉圍巖與支護體的荷載和應(yīng)力集中程度；（3）支護形式。水倉支護方案要保證支護結(jié)構(gòu)有足夠的承載能力，確保靜動壓下的穩(wěn)定，應(yīng)盡可能采取主動支護措施，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，大大提高支護結(jié)構(gòu)的承載力和適應(yīng)性。

3 水倉圍巖穩(wěn)定控制分析

結(jié)合現(xiàn)場條件提出兩種支護方案：

方案Ⅰ：一次錨網(wǎng)噴+二次混凝土砌碹支護。其中，錨桿采用高強預(yù)應(yīng)力錨桿，規(guī)格為Φ20×2100mm，間排距為700mm×700mm；初噴厚度為100mm；混凝土碹體厚度為300mm，水泥標號為C30；底板混凝土澆筑400mm。

方案Ⅱ：一次錨網(wǎng)索噴+二次錨網(wǎng)索噴+底板鋼梁澆注支護。其中，一次支護時：錨桿規(guī)格為Φ20×2400mm高強預(yù)應(yīng)力錨桿，間排距為800mm×800mm；錨索規(guī)格為Φ17.8×6300mm，間排距為1600mm×1600mm；噴漿厚度150mm。二次支護時：錨桿規(guī)格為Φ20×2400mm等強錨桿，間排距為1000mm×1000mm；錨索規(guī)格為Φ17.8×6300mm，間排距為2000mm×1000mm。底板打設(shè)規(guī)格為Φ20×2000mm等強錨桿，間排距為1000mm×1000mm；底梁由11#工字鋼加工而成。

4 數(shù)值模擬

為了深入了解水倉圍巖的變形情況，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值分析軟件對上述兩種方案支護狀態(tài)下巷道的變形情況進行了模擬。本構(gòu)模型采用Column-mohr模型，平面應(yīng)變模型（寬×長×厚=60m×60m×1m）。邊界條件：左右邊界水平約束，上邊界承受豎直應(yīng)力19.75MPa，水平內(nèi)力為19.75MPa（側(cè)壓系數(shù)λ設(shè)為1），底邊界為水平和豎直方向約束，模型前后方向為水平約束。

4.1 圍巖位移

通過對上述兩種支護方案的模擬，從圍巖位移等值線云圖可以看出：方案Ⅱ與方案Ⅰ相比，巷道底鼓量有明顯降低，且頂幫位移量有所減少，位移梯度有所增加；從等值線整體分布情況來看，方案Ⅱ支護狀態(tài)下圍巖位移等值線分布較平滑，特別是巷道底板附近，這說明方案Ⅱ與方案Ⅰ相比巷道圍巖受力均勻，應(yīng)力集中程度較小。

方案Ⅱ支護狀態(tài)下，水倉頂板下沉量為148.2mm，底鼓量155.2mm，幫部（單側(cè)）移近量為115.6mm。這充分說明應(yīng)用方案Ⅱ支護結(jié)構(gòu)后，水倉圍巖的承載能力增強，圍巖尤其是巷道底板的強度得到了較好強化，理論上方案Ⅱ能夠滿足水倉圍巖變形控制要求。

4.2 圍巖應(yīng)力與塑性區(qū)分布

最大主應(yīng)力σmax峰值和最小主應(yīng)力σmin分布是巷道圍巖完整性的重要指標，主應(yīng)力峰值離巷道表面距離越遠，說明巷道圍巖的松動范圍越大。從主應(yīng)力分布云圖可以看出，方案Ⅱ與方案Ⅰ相比圍巖的主應(yīng)力峰值更接近巷道表面。

為了更加直觀地反映圍巖主應(yīng)力的分布情況，同樣在巷道頂板、底板和右?guī)头謩e設(shè)置測線，并提取相關(guān)數(shù)據(jù)繪制位移曲線。

兩種支護狀態(tài)下拱頂測線最大主應(yīng)力σmax的位置：方案Ⅰ支護狀態(tài)下，25.83MPa，距巷道表面1.22m；方案Ⅱ支護狀態(tài)下，24.93MPa，距巷道表面1.13m；這說明隨支護能力的提高，圍巖最大主應(yīng)力σmax峰值向巷道表面移動。兩種支護狀態(tài)下底板測線最大主應(yīng)力σmax的位置：方案Ⅰ支護狀態(tài)下，26.16MPa，距巷道表面3.73m；方案Ⅱ支護狀態(tài)下，26.53MPa，距巷道表面3.21m；方案Ⅱ與方案Ⅰ相比圍巖最大主應(yīng)力σmax峰值向巷道表面移動了0.52m，有效控制了底板的變形。兩種支護狀態(tài)下右?guī)蜏y線最大主應(yīng)力σmax的位置：方案Ⅰ支護狀態(tài)下，27.18MPa，距巷道表面1.67m；方案Ⅱ支護狀態(tài)下，27.57MPa，距巷道表面1.90m；兩種支護方案下，巷道幫部的應(yīng)力分布基本一致。

方案Ⅱ與方案Ⅰ相比圍巖最小主應(yīng)力σmin從巷道周邊到圍巖深部都有所增大，這表明方案Ⅱ支護狀態(tài)下巷道圍巖受力更加均勻、合理，其巷道周邊塑性區(qū)范圍尤其是底板大幅度減小。

綜上，方案Ⅰ不能有效地控制采區(qū)水倉圍巖的位移和塑性區(qū)的分布范圍，特別是底板無任何加固措施，會導(dǎo)致底板變形嚴重，影響水倉的正常使用；方案Ⅱ這種主動支護方式可以充分發(fā)揮圍巖的自承能力，有效控制頂幫圍巖，底板鋼梁加錨桿支護降低了硐室的底鼓程度。

5 工程應(yīng)用效果

根據(jù)分析，選定方案Ⅱ作為采區(qū)水倉支護方案并在現(xiàn)場應(yīng)用。為了掌握水倉圍巖的變形情況，采用十字交叉法對水倉變形進行了監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測記錄，在斷面收斂測試期（3個月）內(nèi)，兩幫收斂量為180mm，頂?shù)装迨諗苛繛?00mm，巷道斷面收斂率為10.9％，巷道圍巖整體變形量不大。在支護完成第80天左右，巷道變形基本趨于穩(wěn)定，日收斂速率平均為0.05mm/d，支護效果良好。

6 結(jié)論

聯(lián)合支護、綜合治理是軟巖巷道支護的基本原則，要通過支護結(jié)構(gòu)改善水倉圍巖的力學(xué)性能，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，促進圍巖穩(wěn)定，實現(xiàn)主動支護。結(jié)合楊營煤礦3100采區(qū)水倉現(xiàn)場條件，應(yīng)用“一次錨網(wǎng)索噴+二次錨網(wǎng)索噴+底板鋼梁澆注”支護方式，實現(xiàn)了巷道的穩(wěn)定。

[1]韋四江，馬建宏，李小軍.返修大斷面硐室加固及數(shù)值模擬研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2009,26(2)：217-224。

刁明富(1961-)，男，畢業(yè)于山東科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)從事采礦技術(shù)工作。