張曉宇， 蔣元男， 李 者

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 3.煤炭科學(xué)研究總院 沈陽研究院， 遼寧 撫順 113122)

深井軟巖巷道底臌的數(shù)值模擬

張曉宇1，2， 蔣元男2， 李 者3

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 3.煤炭科學(xué)研究總院 沈陽研究院， 遼寧 撫順 113122)

針對龍煤公司某礦-800水平2442工作面材料巷底臌嚴(yán)重的問題，根據(jù)巷道實(shí)際工程地質(zhì)條件，在原支護(hù)方式的前提下提出巷道底板錨注的方法，并采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析深井軟巖巷道底臌變形情況。結(jié)果表明，采用新的支護(hù)方式，巷道頂板下沉量、底臌量及兩幫收縮量明顯減小，頂?shù)装寮皟蓭偷乃苄詤^(qū)范圍縮小。巷道底臌變形監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)支護(hù)方案的合理性。此方案可以很好地控制深井軟巖巷道底臌變形，為深井軟巖巷道支護(hù)提供了借鑒。

軟巖巷道； 底臌； 數(shù)值模擬

一直以來，巷道底臌都是煤礦地下開采中難以解決的問題之一，強(qiáng)烈的巷道底臌帶來大量維修工作，既增加了巷道維護(hù)費(fèi)用，又嚴(yán)重影響礦井的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在深井軟巖巷道中，由于軟巖具有的獨(dú)特的性質(zhì)，底臌現(xiàn)象更為突出，給巷道的正常掘進(jìn)和安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重影響[1-6]。國內(nèi)外學(xué)者針對深井軟巖巷道圍巖支護(hù)技術(shù)，開展了大量研究工作，取得了一些進(jìn)展，但由于深井軟巖巷道圍巖性質(zhì)與地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致巷道圍巖控制支護(hù)技術(shù)具有不可復(fù)制性，必須根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)條件，制定經(jīng)濟(jì)可行的圍巖控制方案。龍煤公司某礦-800水平2442工作面巷道為深井軟巖巷道，筆者針對該巷道底臌嚴(yán)重的情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，模擬分析巷道支護(hù)方式改進(jìn)前后的圍巖變形情況，并驗(yàn)證新支護(hù)方式的合理性，擬為深部軟巖巷道支護(hù)方式的改進(jìn)提供借鑒。

1 工程概況

龍煤公司某礦-800水平2442工作面材料巷布置在2煤中，巷道埋深800 m，斷面為梯形。直接頂為砂頁巖，厚度為2.6 m；底板為砂巖，厚度為3.1 m。巷道原支護(hù)形式為恒阻大變形錨桿(索)網(wǎng)+混凝土聯(lián)合支護(hù)。頂板錨桿型號為φ20 mm×2 400 mm，兩幫為φ20 mm×2 000 mm，間排距為700 mm×700 mm，噴射混凝土厚度為50 mm。錨索型號為φ15.24 mm×7 300 mm，采用“五花形”布置。由于該工程埋深大、地壓高、地質(zhì)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，巷道掘進(jìn)350 m時，出現(xiàn)了頂板下沉嚴(yán)重、底臌和幫收縮量大等大變形現(xiàn)象，底臌尤為嚴(yán)重，巷道底臌量平均達(dá)650 mm，破壞范圍占巷道3/4以上。底臌以弧線形為主，不對稱性明顯，靠近右?guī)偷纂可源?，靠左幫一?cè)局部地段暴露砂頁巖底板時出現(xiàn)彎曲斷裂，裂縫長約1.2 m。

2 數(shù)值模型

根據(jù)巷道的實(shí)測工程地質(zhì)剖面[7-8]，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析該巷道在擴(kuò)修后的圍巖變形特征，建立模型的長×寬×高為20 m×30 m×30 m，共劃分19 520個單元，21 714個節(jié)點(diǎn)。該模型側(cè)面限制水平移動，底部固定，上表面為應(yīng)力邊界，最大限度地與現(xiàn)場實(shí)際相吻合，施加的荷載為20.2 MPa，模擬上覆巖體的自重邊界。材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，取x方向荷載大小為24.2 MPa，y方向的荷載大小為22 MPa。工程巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1，根據(jù)巷道原有支護(hù)形式，得到支護(hù)工況下的地質(zhì)工程力學(xué)模型,如圖1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

圖1 支護(hù)工程地質(zhì)力學(xué)模型

Fig.1Geologicalmechanicsmodelofsupportengineering

3 巷道底臌變形

3.1原支護(hù)巷道

3.1.1 垂向位移與水平位移

對原支護(hù)形式的巷道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析巷道水平位移場和垂向位移場，結(jié)果如圖2、3所示。

由圖2可以看出，隨著計(jì)算步數(shù)(即時間)的增加，頂板下沉量和底臌量增加，其中尤以底臌最為嚴(yán)重，底板塑性區(qū)范圍逐步擴(kuò)大。與此同時，巷道水平方向的變形越來越大，且兩幫收斂變形出現(xiàn)明顯的不對稱現(xiàn)象，左幫明顯大于右?guī)?。下沉最大的區(qū)域主要集中在巷道頂板左側(cè)，該區(qū)域頂板最大垂向位移值達(dá)到539 mm；巷道兩幫收縮嚴(yán)重，右?guī)痛笥谧髱?，兩幫相差達(dá)50 mm。

分析圖2、3可知，底臌量主要由兩部分組成：主要部分為傾斜煤層在水平應(yīng)力的擠壓作用下煤層沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移破壞而涌入巷道造成的底臌量，來自傾斜煤層的位移矢量值要大于底板的矢量值，表現(xiàn)出左側(cè)底臌量大的特點(diǎn)；其次是直接底板砂頁巖為具有較高膨脹性的軟巖，因此發(fā)生一定程度的底臌變形，兩部分最大垂向位移達(dá)643 mm。頂板下沉、兩幫收縮和底臌變形均表現(xiàn)出明顯的不對稱性，這與現(xiàn)場實(shí)際情況相吻合。

a 500步

b 1 000步

c 2 000步

d 3 000步

從圖2、3還可以看出，計(jì)算步數(shù)較少時，傾斜的煤層位移矢量值較大，說明最先的底臌量主要由底板傾斜煤層破壞引起。這是因?yàn)榈装鍍A斜煤層在巷道開挖后失去支撐面，在圍巖應(yīng)力作用下，由于自身存在弱的結(jié)構(gòu)面以及自身強(qiáng)度較低，無法抵抗應(yīng)力作用，最先發(fā)生破壞，產(chǎn)生滑移和應(yīng)力擴(kuò)容現(xiàn)象而引起底臌。但隨著計(jì)算步數(shù)的增加，直接底板不斷破壞，位移矢量逐漸增大，反映了破壞是由表及里逐漸發(fā)展的過程。

a 500步

b 1 000步

c 2 000步

d 3 000步

3.1.2 塑性區(qū)分布

圖4為原支護(hù)巷道塑性區(qū)分布。

圖4 原支護(hù)巷道塑性區(qū)分布

Fig.4Distributionofplasticzoneinoriginalsupportroadway

從圖4可以看出，巷道兩幫的塑性區(qū)已經(jīng)開始向頂?shù)装鍞U(kuò)散，圍巖塑性區(qū)分布范圍大，而兩幫和底板的塑性區(qū)也明顯偏大。

3.2新支護(hù)巷道

3.2.1 垂向位移與水平位移

根據(jù)以上分析，結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)條件，采用恒阻大變形錨桿(索)網(wǎng)+底角錨桿支護(hù)形式，即在原有支護(hù)的情況下，對巷道底板進(jìn)行錨注，錨注間排距700 mm×700 mm，錨注深度2 m。對新支護(hù)的巷道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析巷道水平位移場和垂向位移場，結(jié)果如圖5所示。

a 垂向位移

b 水平位移

Fig.5Verticaldisplacementandhorizontaldisplacementofnewsupportroadway

從圖5a可以看出，改進(jìn)支護(hù)形式對巷道的支護(hù)效果明顯優(yōu)于原支護(hù)。采用底角錨桿支護(hù)后，頂板下沉量最大為103 mm，而底臌量最大為300 mm，可見，底角錨桿對于減小底臌量具有明顯效果，還可以一定程度上減小底板的下沉量 。

從圖5b可以看出，采用底角錨桿后，兩幫的收縮量減小，左幫最大收縮量為223 mm，右?guī)妥畲笫湛s量為192 mm，可見，底角錨桿對幫部的收縮量也具有明顯的控制效果。

3.2.2 塑性區(qū)分布

圖6為新支護(hù)巷道塑性區(qū)分布。

圖6 新支護(hù)巷道塑性區(qū)分布

從圖6可以看出，采用新的支護(hù)方式，巷道周圍塑性區(qū)變小，兩幫的塑性區(qū)范圍明顯減小，底板頂板塑性區(qū)也有一定程度的減小。由此可見,底角錨桿對于減小圍巖塑性區(qū)具有明顯作用。

4 巷道底臌監(jiān)測

此次選取2442工作面材料巷200 m巷道進(jìn)行底臌變形觀測，每50 m布置一個測站，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。監(jiān)測結(jié)果表明，經(jīng)過50 d左右底臌量約為100 mm，底板逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。變形量在允許范圍內(nèi)，說明改進(jìn)的支護(hù)方案是合理的，且保持了巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖7 巷道底臌監(jiān)測值

5 結(jié)束語

龍煤公司某礦-800水平2442工作面巷道處于埋深大、地壓高的地質(zhì)軟巖區(qū)域，巷道底臌變形嚴(yán)重。FLAC3D數(shù)值模型分析表明，巷道底臌主要是由巖體擠壓造成的，采用原支護(hù)形式不能有效控制圍巖穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工程地質(zhì)條件，提出在原支護(hù)情況下，對巷道底板進(jìn)行錨注的支護(hù)對策。數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果證明，改進(jìn)的支護(hù)方案限制了圍巖的破壞性變形，驗(yàn)證了方案的合理性,有效地控制了深井軟巖巷道底臌問題，達(dá)到了良好的支護(hù)效果，具有較大的推廣應(yīng)用價值。

[1] 何滿潮, 景海河, 孫曉明, 等. 軟巖工程力學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[2] 姜耀東, 陸士良. 巷道底鼓的機(jī)理研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 1994, 19(4): 343-351.

[3] 劉東星, 祁 樂， 李 磊. 軟巖巷道底鼓變形機(jī)理與治理技術(shù)研究[J]. 煤炭技術(shù)， 2015， 34(9): 106-108.

[4] 閆高峰， 高明仕， 杜 哲， 等. 治理深部軟巖巷道底鼓時數(shù)值模擬的應(yīng)用[J]. 金屬礦山， 2011, 40(4): 24-27.

[5] 柏建彪， 李文峰， 王襄禹， 等. 采動巷道底鼓機(jī)理與控制技術(shù)[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)， 2011， 28(1)： 1-5.

[6] 劉泉聲， 劉學(xué)偉， 黃 興， 等. 深井軟巖破碎巷道底鼓原因及處置技術(shù)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2013, 38(4)： 566-571.

[7] 彭文斌. FLAC3D實(shí)用教程[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[8] 陳育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2009.

(編校荀海鑫)

Numericalsimulationoffloorheaveofsoftrockroadwayindeepmine

ZhangXiaoyu1,2，JiangYuannan2，LiZhe3

(1.Key Laboratory of Mining Engineering, College of Heilongjiang Province, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3.Shenyang Branch of China Coal Research Institute， Fushun 113112, China)

This paper seeks a solution to the serious floor heave and deformation occurring in-800 level material roadway of 2442 work face in a mine of Long Coal Group Corporation. The study building on roadway engineering geological condition and existing supporting scheme involves developing a method of anchor grouting in roadway floor and analyzing deep soft rock roadway floor heave deformation using numerical FLAC3D. The results show that the novel method could contribute to an obvious reduction in the displacement of floor heave, roof and two-side and range of plastic zone of floor heave, roof and two-side. The field test verifies the validity of the improved supporting scheme-a method capable of a better control of the deformation of the floor heave. The research may provide a reference for soft rock roadway support in deep mines.

soft rock roadway; floor heave; numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.003

TD353

2095-7262(2017)06-0587-05

A

2017-06-06

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11544043)； 黑龍江省普通高校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(2013-KF03)

張曉宇(1977-)，男，黑龍江省齊齊哈爾人，副教授，博士研究生，研究方向：礦井設(shè)計(jì)、軟巖支護(hù)，E-mail：149319929@qq.com。