复杂地质条件下巷道围岩控制数值模拟分析及应用

复杂地质条件下巷道围岩控制数值模拟分析及应用

吴忠秋

开滦能源化工股份有限公司，河北 唐山 063000

摘 要 结合软岩巷道围岩控制理论，提出“锚网喷+混凝土砌碹”（方案Ⅰ）和“锚网索喷+锚网索棚喷+底板钢梁浇注” （方案Ⅱ）两种支护方案。结果表明：采用方案Ⅱ现场性试验表明，支护效果良好，技术上可行，经济上合理，安全上可靠。

关键词 复杂地质 围岩 稳定控制 数值模拟

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1 巷道概况

井田范围内埋深600～1200m，区内地层总体呈单斜，构造发育情况受区域构造控制明显，断层较发育，断层落差变化大，相互切割，构造较复杂。

范各庄矿3100采区水仓位于采区下部车场左侧，在泥岩、炭质泥岩和粉砂岩层位中。水仓设计标高为-753～-751m，附近有F8断层带及SDF13断层，由于受附近断层构造、冲刷边界及埋深的影响，围岩松软破碎，属于典型的软岩巷道。另外，3100采区水仓与采区泵房、变电所及采区三条下山集中布置。

2水仓围岩稳定控制分析

在水仓围岩变形与稳定的过程中，要通过支护结构改善围岩的力学性能，强化围岩结构，以促进围岩稳定，控制围岩变形，实现主动支护，以最经济的方式满足工程需要^[1]。结合现场条件提出两种支护方案：

方案Ⅰ：一次锚网喷+二次混凝土砌碹支护。其中，锚杆采用直径20mm、长2100mm的高强预应力锚杆，间排距为700×700（mm）；初喷混凝土厚度为100mm；混凝土碹体厚度为300mm，水泥标号为C₃₀；底板混凝土浇筑400mm。

方案Ⅱ：一次锚网索喷+二次锚网索棚喷+底板钢梁浇注支护。一次支护时，锚杆采用直径20mm、长2400mm的高强预应力锚杆，间排距为800×800（mm）；锚索采用直径17.8mm、长6300mm的钢绞线，间排距为1600×1600（mm）；喷浆厚度150mm。二次支护时，锚杆采用直径20mm、长2400mm的等强锚杆，间排距为1000×1000（mm）；锚索采用直径17.8mm、长6300mm，间排距为2000×1000（mm）；棚采用18^#槽钢加工制作，每棚由3节组成，两节之间搭接长度为100mm，棚距为1000mm。底板安设直径20mm、长2000mm的等强锚杆，间排距为1000×1000（mm）；底梁由11^#工字钢加工而成。

3数值模拟

本构模型采用Column-mohr模型，平面应变模型（宽60m、长60m、厚1m）。边界条件：左右边界水平约束，上边界承受竖直应力19.75MPa，水平内力为19.75MPa（侧压系数λ设为1），底边界为水平和竖直方向约束，模型前后方向为水平约束。运用由Mitri在RMR值基础上所提及的岩块弹性模量E_int和岩体的弹性模量E_rm之间的减小因子计算公式^[4]：

在煤岩体减小因子基础上，得到3100采区水仓围岩体的力学参数如表1所示。

表1 折减后岩体力学参数

3.1 围岩位移

通过对上述两种支护方案的模拟，从围岩位移等值线云图（图1）可以看出：方案Ⅱ与方案Ⅰ相比，巷道底鼓量有明显降低，且顶帮位移量有所减少，位移梯度有所增加；从等值线整体分布情况来看，方案Ⅱ支护状态下围岩位移等值线分布较平滑，特别是巷道底板附近，这说明方案Ⅱ与方案Ⅰ相比巷道围岩受力较均匀，应力集中程度较小。

（a）方案Ⅰ位移等值线分布

（b）方案Ⅱ位移等值线分布

图1 两种支护方式下位移等值线云图

3.2 围岩应力与塑性区分布

最大主应力峰值和最小主应力分布是巷道围岩完整性的重要指标，主应力峰值离巷道表面距离越远，说明巷道围岩的松动范围越大。两种方案支护状态下围岩的最大主应力分布状态如图2所示，从图中可以看出，方案Ⅱ与方案Ⅰ相比围岩的主应力峰值更接近巷道表面。

（a）方案Ⅰ最大主应力分布

（b）方案Ⅱ最大主应力分布

图3 两种支护方式下最大主应力分布云图

综上，方案Ⅰ不能有效地控制采区水仓围岩的位移和塑性区的分布范围，特别是底板无任何加固措施，会导致底板变形严重，影响水仓的正常使用；方案Ⅱ这种主动支护方式可以充分发挥围岩的自承能力，有效控制顶帮围岩，底板钢梁加锚杆支护降低了硐室的底鼓程度。

结 论

①对3100采区水仓围岩稳定影响因素和围岩稳定控制机理分析表明，要通过支护结构改善水仓围岩的力学性能，充分发挥围岩的自承能力，促进围岩稳定，实现主动支护。

②通过建立了水仓数值模拟模型比较证明，采用一次锚网索喷+二次锚网索棚喷+底板钢梁浇注支护支护方式，水仓围岩的承载能力增强，围岩尤其是底板的强度得到了很好强化，塑性区范围显著减小。

③现场工业性试验表明，支护取得了良好的应用效果，技术上可行，经济上合理，安全上可靠，实现了水仓围岩的稳定，满足生产使用要求。

参考文献

1. 何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002.

2. 常庆粮，周华强，李大伟，柏建彪，侯朝炯.软岩破碎巷道大刚度二次支护稳定原理[J].采矿与安全工程学报，2007，24(2)：169-172.

作者简介 吴忠秋（1987-），男，辽宁省大连人，2011年毕业于辽宁工程技术大学采矿专业。现在开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司生产技术部煤矿从事技术管理工作，工程师。