秦萬能，梁紅書

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局三總隊(duì)，貴州遵義563000）

高水平構(gòu)造應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析及控制

秦萬能，梁紅書

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局三總隊(duì)，貴州遵義563000）

為了解決高水平構(gòu)造應(yīng)力條件下巷道圍巖易失穩(wěn)的難題，采用數(shù)值模擬的研究方法，分析了兩種支護(hù)形勢下巷道圍巖響應(yīng)特征，提出了巷道底板采用錨索束注漿加固的治理方案，并結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。結(jié)果表明：巷道圍巖原支護(hù)方式對巷道的頂板及兩幫起到較好支護(hù)效果，但巷道底鼓量較大；在進(jìn)行底板錨索束注漿加固支護(hù)后，頂?shù)装謇塾?jì)移近量為142 mm，兩幫的移近量為123 mm，較原支護(hù)圍巖斷面整體收縮減小48%左右，底板錨索束整體補(bǔ)強(qiáng)作用顯著，能夠有效控制巷道底鼓增大趨勢，保證了巷道圍巖的完整性和穩(wěn)定性。

構(gòu)造應(yīng)力；數(shù)值模擬；巷道圍巖；工業(yè)性試驗(yàn)；支護(hù)強(qiáng)度

構(gòu)造應(yīng)力是巷道圍巖應(yīng)力重要組成部分，多是沿水平方向，具有較強(qiáng)的區(qū)域性特征。隨著巷道埋深不斷加大，巷道圍巖出現(xiàn)的膨脹軟巖底鼓，沖擊地壓以及支護(hù)體嚴(yán)重破壞等地質(zhì)災(zāi)害與構(gòu)造應(yīng)力有著密切聯(lián)系。淺埋煤層地質(zhì)構(gòu)造較單一，巷道開挖后圍巖應(yīng)力集中程度低，造成的破壞范圍較小，簡單支護(hù)體即可達(dá)到控制目的，而深埋巷道多處在斷裂褶曲構(gòu)造較多的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，此時(shí)構(gòu)造應(yīng)力突出，演變成為最大主應(yīng)力，其特點(diǎn)為巷道整體圍巖變形大，破壞嚴(yán)重，冒頂片幫現(xiàn)象頻繁，嚴(yán)重制約著礦井安全生產(chǎn)。針對深部巷道圍巖控制國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的理論與實(shí)踐研究，考慮到巷道圍巖變形具有區(qū)域性特征，支護(hù)技術(shù)與工藝存在較大差異性，本文以新景礦運(yùn)輸大巷為研究對象，應(yīng)用底板錨

索束注漿加固的治理思路進(jìn)行支護(hù)，通過現(xiàn)場圍巖監(jiān)測，驗(yàn)證了該方案在新景礦運(yùn)輸大巷的可行性。

1 工程概況

1.1 圍巖特性及構(gòu)造

新景礦運(yùn)輸大巷位于礦井工業(yè)廣場西部，沿著11#煤層頂板掘進(jìn)，巷道平均埋深為750m，該巷道頂板依次為粉砂巖、泥巖，裂隙發(fā)育，泥質(zhì)膠結(jié)較軟；底板依次為中粒砂巖、泥巖，裂隙發(fā)育，含有伊利石、蒙脫石、高嶺石等結(jié)構(gòu)軟弱的黏土礦物，遇水極易膨脹，強(qiáng)度較低，其巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 運(yùn)輸大巷頂?shù)装鍘r性特征

從現(xiàn)場巖層實(shí)際揭露情況得知，褶曲與小斷層構(gòu)造有13條。結(jié)合地應(yīng)力實(shí)地測量結(jié)果分析表明，水平構(gòu)造應(yīng)力為最大主應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)多在1.3～1.8之間。由此可以得知，高水平構(gòu)造應(yīng)力是影響巷道圍巖變形、支護(hù)體破壞主要因素。

1.2 原支護(hù)形式及破壞特征

新景礦運(yùn)輸大巷原設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形，巷道斷面4500mm×3600mm，頂板錨桿采用Φ22mm× 2000mm，間排距為800mm×800mm，錨索采用Φ15.24mm×6200mm，間排距為1800mm× 1600mm；兩幫采用Φ18mm×1800mm圓形錨桿，間排距為800mm×800mm，錨桿間采用梯子梁連接；巷道表面噴射150mm厚混凝土，頂板與兩幫實(shí)施錨梁網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)方式（圖1）。

圖1 新景礦運(yùn)輸大巷原支護(hù)形式

通過巷道圍巖長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，巷道使用前3個(gè)月內(nèi)，礦壓顯現(xiàn)尤為劇烈，局部頂板冒頂現(xiàn)象較為嚴(yán)重，兩幫出現(xiàn)大面積漿皮開裂、擴(kuò)容，多以剪切破壞為主，由于巷道底板未經(jīng)支護(hù)，造成底鼓最為劇烈，底鼓量最大達(dá)到800mm，錨桿彎曲，破斷現(xiàn)象較為普遍，大巷內(nèi)軌道已嚴(yán)重變形，影響了礦井安全生產(chǎn)。

2 高水平構(gòu)造應(yīng)力巷道數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

采用FLACK3D數(shù)值模擬軟件分析不同水平構(gòu)造應(yīng)力條件下巷道圍巖變形特征。模型尺寸為150m×70m×80m（長×寬×高），為了盡可能達(dá)到模擬效果的準(zhǔn)確性，模型上邊界設(shè)定為自由面，加載載荷為γH=25k N/m3×750m=18.75MPa，水平方向位移與模型下邊界垂直位移固定約束，巷道頂?shù)装宀捎脩?yīng)變軟化模型，剩余巖層采用Mohr-Coulomb模型作為運(yùn)算準(zhǔn)則來進(jìn)行計(jì)算，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2.2 模擬方案設(shè)計(jì)

分別計(jì)算側(cè)壓系數(shù)λ為1.3、1.5和1.8時(shí)，巷道原支護(hù)形式下巷道圍巖位移場、應(yīng)力場以及圍巖塑性區(qū)分布特征，設(shè)計(jì)方案見表3。

2.3 不同側(cè)壓系數(shù)巷道圍巖變形分析

由圖2可以看出：當(dāng)測壓系數(shù)λ為1.3時(shí)，巷道頂板出現(xiàn)明顯剪切破壞帶，垂直位移最大值為69mm，同時(shí)巷道底板整體出現(xiàn)200mm的底鼓量；當(dāng)測壓系數(shù)λ為1.5時(shí)，頂板仍受剪切破壞為主，垂直位移變化有所增大，巷道底板由中心線處出現(xiàn)位移最大值，達(dá)到250mm，其他區(qū)域面積變化不明顯；當(dāng)測壓系數(shù)λ達(dá)到1.8時(shí)，巷道頂板垂直位移發(fā)生明顯變化，下沉區(qū)域面積明顯減小，深部位移具有增大趨勢，且巷道底板垂直位移又不斷向底板深部轉(zhuǎn)移，最大值達(dá)到239mm。

同樣在原支護(hù)條件下，觀察圖3所示巷道圍巖水平位移分布圖可以得知：側(cè)壓系數(shù)λ=1.3條件下，巷道底板兩幫角出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，水平位移

最大值約為95mm；側(cè)壓系數(shù)λ=1.5時(shí)，巷道兩幫角應(yīng)力集中現(xiàn)象變化不明顯，位移最大值不斷增大；當(dāng)測壓系數(shù)λ=1.8時(shí)，巷道兩幫角位移最大值達(dá)到180mm，且不斷向深部轉(zhuǎn)移，三種不同側(cè)壓系數(shù)條件下，巷道整體水平位移變化區(qū)域范圍不明顯。對巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析，圖4給出了原支護(hù)條件下，不同測壓系數(shù)垂直應(yīng)力分布特征，可以得知：λ= 1.3時(shí)，在巷道兩幫淺部圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，最大值約為26MPa；當(dāng)λ=1.5時(shí)，巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)消失，但巷道圍巖整體垂直應(yīng)力分布區(qū)域范圍變化并不明顯；當(dāng)λ=1.8時(shí)，巷道兩幫深部圍巖、頂板以及底板幫角均出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，最大值約為24MPa，這容易對巷道穩(wěn)定性造成極大影響。

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)

表3 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

圖2 巷道圍巖垂直位移分布特征

圖3 巷道圍巖水平位移分布特征

調(diào)取巷道圍巖水平應(yīng)力分布圖，圖5分析了不同測壓系數(shù)條件下水平應(yīng)力分布特征，可以得知：在巷道頂?shù)装鍦\部圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，隨著側(cè)壓系數(shù)不斷增大，水平應(yīng)力集中區(qū)域面積不斷縮小，但巷道頂板水平應(yīng)力最大值由33MPa增至53.1MPa，底板水平應(yīng)力最大值由7MPa增至10MPa。

由圖6得知，原支護(hù)形式能夠有效控制頂板

與巷道兩幫圍巖的塑性變形，起到了較好的支護(hù)效果，但隨著側(cè)壓系數(shù)不斷增大，由于巷道底板未經(jīng)支護(hù)造成塑性破壞區(qū)域面積與深度都在不斷擴(kuò)大，這也正與在高水平構(gòu)造應(yīng)力條件下巷道底鼓極為嚴(yán)重的實(shí)際情況相吻合。

綜上分析可知，高水平構(gòu)造應(yīng)力對巷道位移場、應(yīng)力場以及塑性破壞區(qū)域存在顯著影響，特別是在巷道底板未經(jīng)支護(hù)情況下，為水平構(gòu)造應(yīng)力的轉(zhuǎn)移與釋放提供了有利條件，最終造成底鼓不斷增大，直至趨于穩(wěn)定，為此，建議對原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用底板錨索束注漿加固治理方案，強(qiáng)化底板支護(hù)作用。

圖4 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征

圖5 巷道圍巖水平應(yīng)力分布特征

圖6 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

2.4 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

本著簡化支護(hù)，節(jié)約成本的原則，確定在原支護(hù)形式不變情況下，對巷道底板實(shí)施錨索束注漿加固治理思路，錨索束選用三根Φ17.8mm×7800mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線組合而成，利用礦區(qū)廢舊鋼軌制備長2100mm，內(nèi)間距80mm鋼軌梁，采用錯(cuò)距布置方式，排距為2m，錨索束外擺30°（圖7），錨索束孔內(nèi)灌入由425#普通硅酸鹽水泥配制的水灰比為0.6∶1的水泥漿。

2.4.1 測壓系數(shù)為1.3時(shí)圍巖特征分析

巷道底板采用錨索束強(qiáng)化支護(hù)后，巷道最大垂直位移發(fā)生在底板（圖8（a）），其值約為147mm，同時(shí)，巷道頂板出現(xiàn)局部位移，最大值達(dá)到85.2mm；在巷道底板的幫角出現(xiàn)了水平應(yīng)力最大區(qū)域（圖8（b）），其值達(dá)到102mm，表明該支護(hù)方式并未對巷道底板在圍巖應(yīng)力作用下產(chǎn)生水平位移起到約束作用；對底板進(jìn)行錨索束支護(hù)后，仍在巷道兩幫圍巖出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)（圖8（c）），巷道底板應(yīng)力降

低區(qū)面積不變，但巷道頂板應(yīng)力降低區(qū)面積明顯減小；從水平應(yīng)力特征分析（圖8（d）），在頂板與底板均出現(xiàn)了水平應(yīng)力集中區(qū)域，最大值分別達(dá)到31.3MPa和25.1MPa，可見巷道底板圍巖應(yīng)力降低區(qū)比較原支護(hù)情況下面積明顯減小；巷道幫頂塑性破壞區(qū)范圍減?。▓D8（e）），與原支護(hù)情況下基本相同，但底板巷道圍巖的塑性破壞區(qū)明顯增大。

圖7 運(yùn)輸大巷優(yōu)化設(shè)計(jì)支護(hù)方案

圖8 λ=1.3時(shí)底板錨索束支護(hù)位移、應(yīng)力及塑性區(qū)特征分析

2.4.2 測壓系數(shù)為1.5時(shí)圍巖特征分析

對底板進(jìn)行錨索束注漿后，巷道底板圍巖出現(xiàn)垂直位移最大值區(qū)域（圖9（a）），最大值約為171mm，巷道頂板中淺部圍巖出現(xiàn)約為92mm的垂直位移，且巷道底板圍巖中出現(xiàn)垂直向上位移區(qū)域面積相對原支護(hù)方式明顯增大；進(jìn)行錨索束支護(hù)后，只在巷道底板兩底角圍巖中出現(xiàn)水平位移最大值區(qū)域（圖9（b）），最大值約為119mm，巷道兩幫只產(chǎn)生最大值約為75mm的水平位移，且底板兩底角圍巖出現(xiàn)水平位移的區(qū)域面積明顯增大；在巷道兩幫圍巖中出現(xiàn)垂直應(yīng)力最大值區(qū)域（圖9（c）），最大值為28.4MPa，巷道頂板應(yīng)力降低區(qū)面積明顯減?。辉谙锏赖醉攪鷰r出現(xiàn)水平應(yīng)力最大值區(qū)域（圖9（d）），其最大值為38.4MPa，巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力較低區(qū)面積明顯減小；巷道兩幫與頂板塑性破壞區(qū)面積基本相等（圖9（e）），且與原支護(hù)情況下區(qū)域面積基本相等，巷道底板圍巖出現(xiàn)大于底板注漿支護(hù)時(shí)的塑性區(qū)面積，只在巷道兩幫與頂板中淺部圍巖出現(xiàn)先拉伸破壞再剪切破壞的塑性破壞區(qū)域。

2.4.3 測壓系數(shù)為1.8時(shí)圍巖特征分析

進(jìn)行底板錨索束注漿后，巷道頂?shù)装寰霈F(xiàn)垂直位移最大值區(qū)域（圖10（a）），其最大值分別達(dá)到220.6mm和108.5mm的垂直位移，且巷道深部大范圍底板出現(xiàn)垂直向上位移區(qū)域的面積相比原支護(hù)形式明顯減??；巷道底板兩幫的底幫角圍巖出現(xiàn)水平位移最大值區(qū)域（圖10（b）），約為149.2mm，且大范圍水平位移也出現(xiàn)在巷道底板，巷道兩幫水平位移約為126.0mm；只在巷道兩幫上部圍巖出現(xiàn)垂直應(yīng)力最大值區(qū)域（圖10（c）），其值約為26.8MPa，且巷道頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力降低區(qū)面積均明顯減??；巷道兩幫及頂板圍巖塑性破壞區(qū)面積基本相同且有所減小（圖10（e）），巷道底板巖層塑性區(qū)

面積增大，且在錨索束穿過巷道底板19mm的11#煤層處產(chǎn)生大面積的塑性破壞區(qū)。

由數(shù)值模擬分析可知，原支護(hù)方式一定程度上對巷道頂板及兩幫起到較好支護(hù)效果，但巷道較大底鼓量說明底板圍巖支護(hù)收效甚微，在進(jìn)行錨索束支護(hù)后，與原支護(hù)相比，巷道圍巖位移均明顯減小，應(yīng)分布更加均勻合理，塑性區(qū)破壞明顯縮小，效果顯著。

圖9 λ=1.5時(shí)底板錨索束支護(hù)位移、應(yīng)力及塑性區(qū)特征分析

圖10 λ=1.8時(shí)底板錨索束支護(hù)位移、應(yīng)力及塑性區(qū)特征分析

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

利用優(yōu)化方案進(jìn)行支護(hù)后，對巷道進(jìn)行定點(diǎn)位移采集，繪制位移變化曲線圖，并與原支護(hù)條件下位移變化曲線進(jìn)行分析對比（圖11）。

從圖中可以得知，采用新的支護(hù)方案后，底板錨索束整體補(bǔ)強(qiáng)作用顯著，能夠有效控制巷道底鼓增大趨勢；巷道表面位移明顯減小，呈現(xiàn)出“巷道頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平俊钡姆植家?guī)律，這主要是由于巷道水平構(gòu)造應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的結(jié)果，在擠壓變形作用下，巷道頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平浚豁數(shù)装謇塾?jì)移近量為142mm，移近平均速度為3.3mm/d，兩幫的移近量為123mm，移近平均速度為3.2mm/d，較原支護(hù)圍巖斷面整體收縮減小48%左右，支護(hù)效果顯著。

4 結(jié) 論

1）巷道原支護(hù)初期階段，礦壓顯現(xiàn)尤為劇烈，局部頂板冒頂現(xiàn)象較為嚴(yán)重，兩幫出現(xiàn)大面積漿皮開裂、擴(kuò)容，以剪切破壞為主，由于巷道底板未經(jīng)支護(hù)，造成底鼓最為劇烈，錨桿彎曲，破斷現(xiàn)象較為普遍，嚴(yán)重影響了礦井安全生產(chǎn)。

圖11 巷道表面位移隨時(shí)間的變化曲線

2）高水平構(gòu)造應(yīng)力對巷道位移場、應(yīng)力場以及塑性破壞區(qū)域存在顯著影響，在巷道底板未經(jīng)支護(hù)情況下，為水平構(gòu)造應(yīng)力的轉(zhuǎn)移與釋放提供了有利條件，造成底鼓不斷增大，建議對原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用底板錨索束注漿加固的治理方案。

3）采用新的支護(hù)方案后，底板錨索束整體補(bǔ)強(qiáng)作用顯著，能夠有效控制巷道底鼓增大趨勢；巷道表面位移明顯減小，呈現(xiàn)出“巷道頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平俊钡姆植家?guī)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

秦萬能（1962-），男，貴州遵義人，漢族，本科，高級工程師，主要從事巖土工程研究。