深部軟巖巷道底臌蠕變控制數(shù)值模擬研究

呂國強

深部軟巖巷道底臌蠕變控制數(shù)值模擬研究

呂國強

(徐州礦業(yè)集團垞城煤礦，江蘇 徐州 221000)

深部軟巖巷道底板具有強流變特征，引起深部軟巖巷道底臌變形破壞的原因是多方面的。本文借助FLAC軟件建立不同支護方案的計算模型，對深部軟巖巷道底臌蠕變特征進行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，全斷面錨注支護在降低圍巖快速蠕變的時間和速度，控制巷道變形、減小圍巖塑性區(qū)范圍等方面具有最佳的效果。

深部;軟巖巷道;底臌;蠕變;錨注支護;數(shù)值模擬

煤礦開采深度的增加帶來了地壓增大、巷道壓力大、支護物損壞嚴重等一系列問題，底臌成為軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)的主要特征。底臌導致巷道斷面縮小，嚴重影響礦山的生產(chǎn)和安全，成為制約煤礦發(fā)展的主要問題之一［1－5］。

目前，國內(nèi)外所提出的各種底臌機理都有其特定的適用環(huán)境和條件，有其自身的局限性。大多數(shù)底臌防治措施僅僅是針對底板，沒有考慮到巷道的頂板、兩幫和底板是一個相互作用、相互影響的有機整體。因此，本文將站在整體的角度，借助數(shù)值分析軟件FLAC模擬不同支護條件下深部軟巖巷道的位移、塑性區(qū)分布，對比分析不同支護方案對巷道底臌的治理效果，提出治理深部軟巖巷道更為合理的控制方法。

1 工程概況

本文研究以徐州礦務(wù)局某礦102采區(qū)行人上山為工程背景。102采區(qū)行人上山位于102軌道下部車場第一號交岔點內(nèi)，設(shè)計工程量共計1 542.442 m，其中：16°上山 990.188 m，8°上山 487.514 m，上、下部平巷64.74 m。

102行人上山巖性為細砂巖及斷層破碎泥巖和泥巖，向頂板緩穿層，依次為灰白色細－中粒，深灰色粉砂巖及灰白色泥巖。該區(qū)域水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，據(jù)鉆孔資料，砂巖中高角度裂隙發(fā)育，但裂隙發(fā)育具不均勻性。

此巷道富水性較弱，煤系砂巖裂隙水處于半封閉狀態(tài)，主要是 DF13∠65°－70°H=10～80 m 以及DF64∠70°H=0～8 m兩斷層的砂巖水。設(shè)計采用錨網(wǎng)噴砼支護，凈寬×凈高=4 000 mm×3 600 mm，錨桿采用d20 mm×2 400 mm等強樹脂錨桿，噴層厚150 mm，鋼筋網(wǎng)采用d6 mm帶肋鋼筋加工，長×寬=1 600 mm×900 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，錨桿間排距700 mm×700 mm，噴射砼強度C20。該上山于2010年7月已施工1 100 m左右，由于巖性等原因，曾采用U型鋼或錨噴支護經(jīng)過幾次修復(fù)，現(xiàn)巷道底臌依然比較嚴重，部分巷道底臌量達到700 mm。為了保證102采區(qū)行人上山的正常使用，必須對該上山進行重新修復(fù)加固。

2 數(shù)值模型的建立

模型選取FLAC程序中模擬材料蠕變性質(zhì)的伯格蠕變黏塑性模型(MODEL cvisc)。為了消除計算中可能出現(xiàn)的邊界效應(yīng)，建立的模型應(yīng)該具有足夠大的尺寸，本次選取尺寸為60 m×60 m計算模型，網(wǎng)格劃分為5萬個單元，模擬開挖巷道斷面為4.0 m×3.6 m。根據(jù)實際經(jīng)驗和采礦理論，模型上表面設(shè)為應(yīng)力邊界，模型左右表面設(shè)為水平位移約束邊界，模型下表面設(shè)為垂直位移約束邊界。根據(jù)某礦102行人上山層地應(yīng)力的實測情況，模型上表面載荷取19.75 MPa。模型中巷道圍巖和支護材料的力學參數(shù)分別見表1。

為了分析深部軟巖巷道底臌的蠕變特征和比較采用不同支護方案底臌的治理效果，建立如下4個計算模型，見圖1。

表1 巷道圍巖力學參數(shù)

模型Ⅰ：某礦102行人上山的無支護模型。

模型Ⅱ：某礦102行人上山的錨噴索支護模型。錨桿選用規(guī)格為d20 mm×2 400 mm的高強螺紋鋼錨桿，錨索規(guī)格為d17.8 mm×6 300 mm，噴層厚100 mm，強度等級為C20。

模型Ⅲ：某礦102行人上山的底板錨注支護模型。錨桿選用規(guī)格為d20 mm×2 400 mm的高強螺紋鋼錨桿，錨索規(guī)格為d17.8 mm×6300 mm，噴層厚100 mm，強度等級為C20，注漿錨桿選用規(guī)格為d25 mm×2 500 mm的螺紋鋼中空注漿錨桿，漿液擴散半徑取2 m。

模型IV：某礦102行人上山的全斷面錨注支護模型。錨桿選用規(guī)格為d20 mm×2400 mm的高強螺紋鋼錨桿，錨索規(guī)格為d17.8 mm×6 300 mm，噴層厚100 mm，強度等級為C20，注漿錨桿選用規(guī)格為d25 mm×2 500 mm的螺紋鋼中空注漿錨桿，漿液擴散半徑取2 m。

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

3.1 模型計算結(jié)果變形對比分析

在無支護條件下，分別截取60天內(nèi)巷道表面位移隨時間變化的曲線圖見圖2，巷道進入穩(wěn)定蠕變階段需要時間見表2。

表2 進入穩(wěn)定蠕變階段時間

從圖2可以看出，巷道表面位移隨時間的變化分為兩個階段。無支護狀態(tài)下，快速蠕變階段，巷道頂?shù)讕偷奈灰破骄俾史謩e為10 mm/d、12 mm/d和12 mm/d。巷道圍巖蠕變60天后，頂?shù)讕偷奈灰屏糠謩e達到272 mm、354 mm和345 mm。

從圖表中可以看出，錨噴索支護巷道與無支護巷道相比巷道在圍巖快速蠕變階段頂?shù)讕偷奈灰破骄俾时葻o支護巷道分別減小了63.31%、52.67%和59.49%。60天后，巷道頂?shù)讕捅砻嫖灰屏勘葻o支護巷道分別降低了67.96%、58.97%和69.64%?？梢钥闯?，錨噴索支護有效限制了巷道圍巖的蠕變速度，縮短了其快速蠕變的時間，使其變形較早收斂，對控制巷道變形發(fā)揮了積極的作用。

底板錨注支護巷道與錨噴索支護巷道相比，底板錨注支護巷道在圍巖快速蠕變階段頂?shù)讕偷奈灰破骄俾时儒^噴索支護巷道分別減小 25.19%、54.61%和22.20%。60天后，巷道頂?shù)讕偷谋砻嫖灰屏勘儒^噴索支護巷道分別降低了 28.75%、59.31%和29.74%。可知，底板錨注支護更有效的限制了底板巖層的蠕變速度，縮短了其快速蠕變的時間，使其變形較早收斂，對控制巷道底臌發(fā)揮了顯著的作用。

全斷面錨注支護巷道與底板錨注支護巷道相比，全斷面錨注支護巷道在圍巖快速蠕變階段頂?shù)讕偷奈灰破骄俾时鹊装邋^注支護巷道分別減小了64.29%、54.79%和 63.61%。計算 60 天后，巷道頂?shù)讕偷谋砻嫖灰屏勘鹊装邋^注支護巷道分別降低了77.97%、58.95%和 75.31%?？芍?，全斷面錨注支護更為有效的限制了整個巷道圍巖的蠕變速度，縮短了其快速蠕變的時間，使其變形較早收斂，對控制巷道變形發(fā)揮了顯著的作用。

3.2 模型計算結(jié)果塑性區(qū)對比分析

不同支護方案巷道圍巖蠕變60天后最大塑性區(qū)分布見圖3。

從圖3可以看出，在巷道圍巖蠕變過程中，塑性區(qū)以條帶狀向圍巖深處擴展，不斷形成剪切塑性帶，在巷道表面附近分布較為密集。在高水平應(yīng)力作用下，底板巖層向巷道內(nèi)彎曲鼓起，表層圍巖出現(xiàn)拉破壞區(qū)。無支護狀態(tài)下，巷道頂板、底板和幫部的塑性區(qū)范圍分別為4.7 m、4.8 m 和4.8 m。

模型Ⅱ的錨噴索支護在一定程度上控制了巷道底板塑性區(qū)的擴展，但底臌依然比較嚴重，底板表層仍存在拉破壞區(qū)。

模型Ⅲ的底板錨注支護塑性區(qū)范圍進一步減小，頂?shù)装鍦\部圍巖的剪切塑性帶明顯減少;底板表層的拉破壞區(qū)消失。由于錨注支護對底板巖層結(jié)構(gòu)及物理力學性質(zhì)的改善，和對圍巖自身承載能力的提高，底板錨注支護更加有效的控制了巷道底板塑性區(qū)的擴展。由于較好地限制了底臌量，避免了底板表層因較大彎曲而承受過高的拉應(yīng)力，最終導致拉斷破壞。

深部高應(yīng)力軟巖巷道底板的可錨性差，造成錨噴索支護體系中底板錨桿的錨固力低甚至失效。底板錨注支護則通過注漿把破碎的底板巖層膠結(jié)成整體，既提高了底板自身的承載能力，又為底板錨桿提供了可靠的著力基礎(chǔ)，使錨桿對松散底板巖層的錨固作用得以充分發(fā)揮，從而有效控制住深部高應(yīng)力軟巖巷道的底臌。

模型IV的全斷面錨注支護巷道塑性區(qū)范圍大幅度減小，可以看出，全斷面錨注支護更加有效地控制了整個巷道圍巖塑性區(qū)的擴展，其原因是全斷面錨注支護從整體上改善了巷道圍巖結(jié)構(gòu)及物理力學性質(zhì)，提高了圍巖自身承載能力。

值得注意的是，模型IV與模型III相比，增加了對巷道頂板和兩幫的錨注支護，這些并不是針對底板而做的支護卻進一步降低了巷道的底臌量，提高了底板巖層的承載能力?？梢?，巷道的頂?shù)讕褪且粋€相互作用的有機整體，要有效控制底臌，不能只考慮底板，應(yīng)同時加強對頂幫的支護強度，從整體上進行更為合理的支護。同時，這也進一步證明了全斷面錨注支護是一種控制巷道底臌的極為有效的支護措施。

4 結(jié)論

1)在對數(shù)值模型采用的4種支護方案中，全斷面錨注支護無論在降低圍巖快速蠕變的時間和速度方面，還是在控制巷道變形、減小圍巖塑性區(qū)范圍方面，都取得了最佳效果。

2)數(shù)值計算表明，要實現(xiàn)對底臌的有效控制，不能局限于對底板進行支護，還要考慮到巷道圍巖各個部位的相互作用，應(yīng)該從巷道的整體性出發(fā)，加強對頂幫的支護，提高支護結(jié)構(gòu)的整體性，擴大支護結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，充分調(diào)動圍巖自身的承載能力，在治理底臌的同時，也控制了整個巷道的變形，而全斷 面錨注支護無疑是一種十分有效的支護手段。

［1］ 洪伯潛.我國深井快速建井綜合技術(shù)［J］.煤炭科學技術(shù)，2006，34(1)：8－11.

［2］ 李希勇，孫慶國.深部巷道圍巖工程控制理論及支護實踐［M］.中國礦業(yè)大學出版社，2001：14－22.

［3］ 姜耀東，趙毅鑫，劉文崗，等.深部開采中巷道底臌問題的研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(14)：2396－2401.

［4］ 康紅普，林 健，張 曉.深部礦井地應(yīng)力測量方法研究與應(yīng)用［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(5)：929－933.

［5］ 李明遠，王連國，易恭獻，等.軟巖巷道錨注支護理論與實踐［M］.煤炭工業(yè)出版社，2001：114－119.

Numerical Simulation Study on Creep Control of Deep Soft Rock Roadway Floor Heave

Lv Guo－qiang

The floor of deep soft rock roadway has strong rheological characteristic，there are many reasons for the floor heave and da mage of deep soft rock roadway.In this paper different calculation models of support sche me were firstly set up，then the floor creep characteristics of the roadway were researched by nu merical si mulation，the reasult shows that the whole section bolt gouting support has the best effect in reducing the surrounding rock creep ti me and fast speed，controlling defor mation and reducing the scope of surrounding rock mass.

Deep;Soft rock roadway;Floor heave;Creep;Bolt grouting support;Numerical Simulation

TD322

A

1672－0652(2012)01－0011－05

2011－11－29

呂國強(1983—)，男，安徽蕪湖人，2005年畢業(yè)于華北科技學院，助理工程師，主要從事煤礦掘進工作(E －mail)houhuaqiang_cumt@126.com