李建永

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 晉城 048006)

針對(duì)深井軟巖巷道圍巖控制問題，從軟巖巷道的變形機(jī)理及支護(hù)方面,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究。張振全[1]針對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道難以支護(hù)的問題，系統(tǒng)分析總結(jié)了該類巷道變形破壞特征，并提出了錨網(wǎng)索注聯(lián)合支護(hù)對(duì)策。文獻(xiàn)[2-3]提出了適用于深井軟巖的新型復(fù)合支護(hù)技術(shù)體系，使圍巖整體穩(wěn)定性得到顯著加強(qiáng)。文獻(xiàn)[4-5]采用數(shù)值模擬方法，基于實(shí)際地質(zhì)條件，模擬了軟巖巷道支護(hù)方案，得出具體的支護(hù)參數(shù)，為支護(hù)方案提供設(shè)計(jì)依據(jù)。僅從理論層面難以解決深井軟巖巷道大流變、大變形難題，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用多種研究手段綜合研究解決。依據(jù)山西省晉東南地區(qū)某深部礦井的實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬方法，研究深井軟巖巷道圍巖變形具體參數(shù)，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

1 工程概況

該深部礦井受到深部高應(yīng)力環(huán)境的影響，井下高應(yīng)力軟巖巷道變形量大，且圍巖變形速度較快，嚴(yán)重地制約了巷道的正常使用。尤其是在受掘進(jìn)、開采影響下，巷道圍巖變形破壞趨勢(shì)更加顯著。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)實(shí)測(cè)巷道斷面收縮率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，巷道斷面收縮率平均值為32%，局部變形破壞嚴(yán)重的地方收縮率高達(dá)65%以上。

該礦井井下東二南采區(qū)軌道大巷存在長(zhǎng)約60 m的某段每年圍巖位移變形量高達(dá)1.1～1.5 m，斷面收縮變形率24%～36%，每隔3個(gè)月就需要臥底一次。井下西二軌道下山段每年頂板下沉量1.5～2.0 m，斷面收縮變形率37.5%～64.75%. 東二南采區(qū)軌道大巷標(biāo)高-790～-960 m，巷道圍巖局部裂隙發(fā)育，部分裂隙嚴(yán)重發(fā)育地段出現(xiàn)短期滴水的現(xiàn)象，頂板嚴(yán)重下沉，兩幫嚴(yán)重收縮，底鼓量也大，巷道圍巖整體斷面收縮，嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)。

本文根據(jù)東二南采區(qū)軌道大巷實(shí)際地質(zhì)條件為工程背景，通過研究分析巷道圍巖變形破壞機(jī)理，以此為基礎(chǔ)為后續(xù)的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深井軟巖巷道圍巖的良好控制，進(jìn)而保障后續(xù)礦井的安全生產(chǎn)。

2 巷道圍巖變形數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)井下東二南采區(qū)軌道大巷B64地質(zhì)勘探點(diǎn)實(shí)際工程地質(zhì)條件，適當(dāng)簡(jiǎn)化建立FLAC3D數(shù)值模型，所建尺寸為長(zhǎng)60 m×寬60 m×高80 m，采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則作為煤巖體材料的屈服判據(jù)。模型中各巖層參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)情況加以修正確定，見表1.

表1 各主要巖層力學(xué)參數(shù)表

所建模型左、右兩側(cè)邊界采用水平位移約束，底部邊界水平和豎直方向約束，在模型上部邊界根據(jù)不同埋深情況施加相對(duì)應(yīng)的均布載荷替代上覆巖層的重力效果，取重力加速度為9.8 m/s2.

2.2 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬研究了500 m、600 m、700 m、800 m、900 m和1 000 m等6種不同埋深情況下巷道圍巖中垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的變化規(guī)律，并計(jì)算得到了巷道圍巖中變形破壞的塑性區(qū)范圍變化情況。

2.2.1巷道圍巖頂部應(yīng)力分析

對(duì)不同埋深的巷道圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，其對(duì)應(yīng)的巷道圍巖頂板垂直應(yīng)力分布隨采深變化情況見圖1. 由圖1可知，不同埋深的巷道圍巖頂板均在巷道中心線位置處垂直應(yīng)力最小，且在距離巷道中心線0～5.5 m隨著距離的遞增垂直應(yīng)力逐漸增大，之后垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定而處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，整體變化呈現(xiàn)出以巷道中心線為對(duì)稱軸的倒漏斗形狀。隨著巷道埋深的遞增，頂板中對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力整體上也遞增。

圖1 巷道頂板垂直應(yīng)力分布圖

東二南采區(qū)軌道大巷埋深800 m左右，巷道整體承受垂直應(yīng)力較大，巷道左右側(cè)垂直應(yīng)力近似對(duì)稱分布，兩幫向外5 m附近垂直應(yīng)力集中程度最大，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的集中應(yīng)力作用，右?guī)痛怪睉?yīng)力與左幫近似分布。在巷道頂部和底角附近形成較大的應(yīng)力升高區(qū)，圍巖產(chǎn)生應(yīng)力松弛，并伴隨拉應(yīng)力破壞，支護(hù)結(jié)構(gòu)不能有效阻止應(yīng)力破壞，使巷道整體支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。

在巷道兩肩和兩底角一定距離處均出現(xiàn)剪應(yīng)力集中區(qū)，且剪應(yīng)力在左、右肩深部圍巖應(yīng)力達(dá)到8.7 MPa，左、右側(cè)底角區(qū)域由于圍巖變形破壞嚴(yán)重，形成了剪切破壞后的低應(yīng)力區(qū)，巷道頂部及兩側(cè)底角處成為支護(hù)最薄弱處，巷道由底角破壞引發(fā)整體失穩(wěn)。

綜上所述可知，巷道頂板中垂直應(yīng)力大小與巷道埋深呈正比例關(guān)系，且在距離巷道頂板中心線兩側(cè)5.5 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力存在急劇變化的規(guī)律。

2.2.2巷道圍巖幫部應(yīng)力分析

對(duì)不同埋深的巷道圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，其對(duì)應(yīng)的巷道圍巖幫部垂直應(yīng)力分布隨采深變化情況見圖2. 由圖2可知，巷道幫部垂直應(yīng)力在距離巷道中心線0～1.5 m隨著距離的遞增垂直應(yīng)力逐漸增大，之后垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定而處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，說明巷道兩幫0～1.5 m圍巖呈彈-塑性狀態(tài)，是需要重點(diǎn)控制的范圍。

圖2 巷道幫部垂直應(yīng)力分布圖

由圖2可知，隨著巷道埋深的遞增，巷道圍巖幫部對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力整體上呈遞增趨勢(shì)。根據(jù)幫部受力特點(diǎn)分析可知，當(dāng)采深超過800 m后，應(yīng)力呈現(xiàn)較大的變化，因此，800 m埋深是巷道圍巖急劇變化的臨界采深。東二南采區(qū)軌道大巷埋深平均在800～900 m，有必要針對(duì)性進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

2.2.3巷道圍巖塑性區(qū)分析

塑性區(qū)分布范圍變化見圖3. 由圖3可知，巷道圍巖剪切破壞區(qū)、拉伸破壞區(qū)均隨著采深增加而增大，且在埋深大于800 m后急劇增大，因此800 m埋深為一拐點(diǎn)。東二南采區(qū)軌道大巷埋深超過800 m時(shí)，巷道表現(xiàn)為變形嚴(yán)重及維護(hù)困難，800 m為巖巷變形嚴(yán)重的臨界埋深值，因此東二南采區(qū)軌道大巷支護(hù)需要研究新的支護(hù)體系。

圖3 塑性區(qū)分布范圍變化圖

模擬結(jié)果顯示800 m埋深巷道周圍呈現(xiàn)巨大塑性破壞區(qū)，巷道頂板塑性范圍為2.6 m，左幫和右?guī)退苄詤^(qū)分別為5.2 m和5.4 m，同時(shí)巷道右側(cè)底角處出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，拉、剪復(fù)合破壞區(qū)大范圍擴(kuò)展造成了巷道的破壞，巷道底板塑性破壞達(dá)到最大值為6.1 m，由于巷道受應(yīng)力和滲流水影響相互疊加作用，使塑性區(qū)大范圍擴(kuò)展，巷道幫頂及底板區(qū)域均具有破壞性質(zhì)，進(jìn)而造成巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)。

3 工程控制效果分析

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，在大量實(shí)際礦壓觀測(cè)基礎(chǔ)上，研究得出了適合該礦軟巖巷道支護(hù)技術(shù)參數(shù)及體系，即預(yù)留圍巖變形量讓壓局部二次噴漿補(bǔ)強(qiáng)工藝技術(shù)。支護(hù)工藝參數(shù)見圖4.

圖4 東二南采區(qū)軌道大巷支護(hù)斷面示意圖

采用預(yù)留變形量讓壓局部二次補(bǔ)強(qiáng)錨網(wǎng)索聯(lián)合承載拱支護(hù)技術(shù)后，圍巖的變形過程平緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。巷道觀測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逦灰屏孔畲笾禐?6 mm，兩幫位移量最大值為22 mm，巷道整體呈現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，變形極為緩慢，頂?shù)着c兩幫的變形量都在可控范圍之內(nèi)，巷道斷面可以滿足正常使用要求，保證礦井安全運(yùn)輸及高效開采。

東二南采區(qū)軌道大巷支護(hù)方案改進(jìn)前后的巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果見圖5. 由圖5可知，支護(hù)方案改進(jìn)后，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境要明顯好于原有的支護(hù)方案，巷道頂板、兩幫和底板中的垂直應(yīng)力集中明顯降低，有利于巷道的長(zhǎng)久維護(hù)。

圖5 東二南采區(qū)軌道大巷支護(hù)改進(jìn)前后數(shù)值模擬結(jié)果圖

4 結(jié) 論

1) 隨巷道埋深增加，巷道圍巖垂直應(yīng)力分布呈圓筒狀近似對(duì)稱分布，頂板及底板出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，其范圍隨采深增加而增大，埋深超過800 m時(shí)巷道塑性區(qū)破壞范圍明顯增大，變形破壞程度加大。

2) 巷道兩幫垂直應(yīng)力近似對(duì)稱分布，兩幫外5 m附近出現(xiàn)較大垂直應(yīng)力集中，剪應(yīng)力在左、右肩深部圍巖應(yīng)力達(dá)到8.7 MPa左右，在距巷道中心0～5.5 m頂部垂直應(yīng)力急劇增大，且在距巷道中心6～8 m達(dá)到峰值。

3) 巷道幫部水平應(yīng)力距巷道中心0～1.5 m急劇增加到最大值。800 m埋深巷道圍巖呈現(xiàn)巨大塑性破壞區(qū)，巷道頂板塑性范圍為2.6 m，左幫和右?guī)退苄詤^(qū)分別為5.2 m和5.4 m，同時(shí)巷道右側(cè)底角處出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，拉、剪復(fù)合破壞區(qū)的大范圍擴(kuò)展造成了巷道的破壞，巷道底板塑性破壞達(dá)到最大值為6.1 m，此結(jié)果可為支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

4) 結(jié)合數(shù)值模擬綜合分析，得出適合該礦軟巖巷道支護(hù)技術(shù)參數(shù)及體系，即預(yù)留圍巖變形量讓壓局部二次噴漿補(bǔ)強(qiáng)工藝技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果及數(shù)值模擬結(jié)果表明其對(duì)巷道圍巖的支護(hù)效果良好。