軟巖巷道底板卸壓槽合理深度的模擬研究

趙高杰，孫法升

（1．河南理工大學(xué)能源學(xué)院，河南 焦作 454000；2．中平神馬建工集團(tuán)，河南 平頂山 467000）

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

軟巖巷道底板卸壓槽合理深度的模擬研究

趙高杰1，孫法升2

（1．河南理工大學(xué)能源學(xué)院，河南 焦作 454000；2．中平神馬建工集團(tuán)，河南 平頂山 467000）

隨著開采深度的增加，深部軟巖巷道的地應(yīng)力變大，軟巖巷道圍巖出現(xiàn)顯著變形，圍巖破碎、底鼓也越來越嚴(yán)重，對巷道圍巖穩(wěn)定性的控制變得極其困難［1］。底板中部開挖卸壓槽，使巷道周邊形成的應(yīng)力峰值向遠(yuǎn)離巷道周邊的圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)中，達(dá)到有效維護(hù)巷道的目的，但是卸壓槽的深度會影響巷道的維護(hù)質(zhì)量，太淺影響卸壓效果，太深則不容易施工。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件［2］，模擬不同深度的卸壓槽，觀測巷道圍巖的應(yīng)力和位移變化，分析對巷道底鼓和圍巖的影響。

卸壓槽；FLAC3D；支護(hù)；合理深度

1 研究現(xiàn)狀

軟巖巷道底板通常會產(chǎn)生較大的變形，巷道在支護(hù)的情況下也很難有效控制其變形，通過在底板開挖卸壓槽，可以為圍巖的膨脹變形提供一定的變形補(bǔ)償空間，使高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，減少巷道周邊的圍巖變形量，有利于巷道的穩(wěn)定［1］。

目前，高應(yīng)力軟巖巷道常采用的加固法有底板注漿、底板錨桿、封閉式支架及混凝土反拱等。這些加固法都是圍繞巷道底板進(jìn)行的，雖然可以起到一定的控制底鼓的作用，但在有強(qiáng)烈底鼓趨勢的巷道中不僅材料消耗量大，支護(hù)費(fèi)用高，而且并不能起到控制底鼓的作用［3］。原因在于這些加固法只是被動(dòng)地維護(hù)底板，在高應(yīng)力、松軟底板條件下，封閉式支架底梁往往無法充分發(fā)揮其承載能力，致使底梁向巷道內(nèi)撅起，失去控制底鼓的能力；底板錨桿施工困難，往往因錨固力不足及錨桿延伸量與巷道底鼓量不匹配而失效：底板注漿則因注漿達(dá)不到底板破壞深度而被下部巖層頂起，失去阻止底板位移的能力。

卸壓法與加固法控制底鼓的機(jī)理不同，它的特點(diǎn)在于設(shè)法改變巷道底板受力狀況．使其處于應(yīng)力降低區(qū)，達(dá)到保持巷道底板穩(wěn)定的目的。底板中部卸壓槽是指在巷道底部利用風(fēng)鎬開掘出一定寬度和深度的槽，其作用在于使巷道周邊形成的應(yīng)力峰值向遠(yuǎn)離巷道周邊的圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)中，達(dá)到有效維護(hù)巷道的目的［4］。

2 方案提出

隨著開采深度的增加，由巖體自重引起的垂直和水平應(yīng)力也增大，這樣就加大了巷道支護(hù)的難度［5］。河南省某煤礦，目前，-720大巷沿煤層底板掘進(jìn)，肩負(fù)著材料的運(yùn)輸、通風(fēng)、行人、排水任務(wù)，對采區(qū)準(zhǔn)備起著至關(guān)重要的作用。該巷道直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為2．5 m，老頂為中粒砂巖平均厚度為15．5 m。該區(qū)域大巷為穿層巷道，穿過的巖層主要有煤層、泥巖、砂質(zhì)泥巖，但大部分區(qū)段為泥質(zhì)砂巖，地層構(gòu)造非常復(fù)雜。

巷道設(shè)計(jì)斷面為矩形巷道，凈斷面5 000 mm× 4 000 mm，巷道頂和兩幫采用錨梁網(wǎng)噴注聯(lián)合支護(hù)。支護(hù)參數(shù)：22 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm；拱頂錨索每排布置3根，間排距1 800 mm×1 400 mm。

卸壓槽深度的大小對泄壓的效果影響很大，德國埃森采礦研究中心對巷道周邊各種切縫情況進(jìn)行了研究，得出當(dāng)切槽深度大于巷幫到切縫的間距時(shí)，卸壓效果最好。結(jié)合該礦的實(shí)際情況，巷道切槽到巷幫的距離是2．5 m，故提出卸壓槽的深度是1 m、2 m、3 m時(shí)的三種情況，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值分析軟件，分析對比三種情況時(shí)卸壓的效果。

3 數(shù)值模型的建立

FLAC3D為三維快速拉格朗日分析方法，該方法采用三維顯示有限差分法程序，可以模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為［2］。

從理論分析可知，巷道對圍巖中應(yīng)力分布影響范圍一般是巷道半徑的3～5倍，寬度取一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，故取計(jì)算模型尺寸為長×寬×高=50 m×20 m×50 m，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道寬5 m，高4 m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料揭露，此煤層屬于緩斜煤層，傾角較小，因此，在模擬過程中可以簡化為水平的。此模型建立的網(wǎng)格為50×20×50，每個(gè)網(wǎng)格為1 m，開挖的卸壓槽，沿巷道中心，長20 m，寬1 m，深1．5 m［2］。

4 模擬結(jié)果和分析

4．1 不同深度卸壓槽垂直應(yīng)力的對比

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行了分析對比，得到了卸壓槽深度在1m、2m、3 m時(shí)，不同的卸壓效果圖見圖1～圖6。

圖1 1 m深時(shí)的垂直應(yīng)力圖

圖2 2 m深時(shí)的垂直應(yīng)力圖

圖3 3 m深時(shí)的垂直應(yīng)力圖

圖4 1 m深時(shí)的水平應(yīng)力圖

圖5 2 m深時(shí)的水平應(yīng)力圖

圖6 3 m深時(shí)的水平應(yīng)力圖

由圖1、2、3可知，不同的顏色代表不同的垂直應(yīng)力大小，巷道周邊深色區(qū)域越大，表明垂直應(yīng)力越低，從圖中可知，圖1深色區(qū)域＜圖2深色區(qū)域＜圖3深色區(qū)域。即圖3的卸壓效果最好，垂直應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。圖1和圖2的卸壓槽的深度是小于巷幫到切縫距離（2．5 m）的可知：卸壓槽深度大于巷幫到切縫距離時(shí)，效果最好。

由圖4、5、6可知，不同的顏色代表不同的水平應(yīng)力大小，深色的區(qū)域越大，表明水平應(yīng)力越低，屬于低應(yīng)力區(qū)。從圖中可知，圖4深色區(qū)域＜圖5深色區(qū)域＜圖6深色區(qū)域。即圖6的卸壓效果最好，巷道周圍的水平應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移的更加明顯。圖4和圖5的卸壓槽的深度是小于巷幫到切縫距離（2．5 m）的，而圖6的卸壓槽深度是大于巷幫到切縫距離的，可知，卸壓槽深度大于巷幫到切縫距離時(shí)效果最好。

4．2 水平位移量的變化

根據(jù)FLAC3D模擬的結(jié)果［2］，在距底板1 m水平方向上，分別距兩幫0．5 m、1．0 m、1．5 m…10．5 m處，選取觀測點(diǎn)。比較巷道開挖不同深度卸壓槽后，兩幫各個(gè)觀測點(diǎn)的位移、應(yīng)力的變化。開挖不同深度卸壓槽時(shí)水平位移量見圖7。

如圖7所示，開挖卸壓槽后，左幫的位移量，2 m的平均比1 m的平均增大5%，3 m的平均比2 m的平均增大10%；右?guī)偷奈灰屏浚? m的平均比1 m的平均增大28．2%，3 m的平均比2 m的平均增大34．3%，可見，卸壓槽的深度并不是越大越好，2．5 m時(shí)是最合適的。

圖7 開挖不同深度卸壓槽時(shí)水平位移量

5 施工

卸壓槽沿巷道走向布置在巷道中間，寬為400 mm，深為2．5 m。開挖好的卸壓槽上面采用厚鋼板或其它物件蓋嚴(yán)，防止人員或物件陷入。開挖過卸壓槽后，再次觀測底鼓和兩幫的變化量，發(fā)現(xiàn)底鼓和兩幫位移變化嚴(yán)重的巷道得到了有效地控制，巷道周圍的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。

6 結(jié)論

對于深部圍巖巷道，開挖卸壓槽能使巷道周圍的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。開挖卸壓槽的深度，當(dāng)切槽深度大于巷幫到切縫的距離時(shí)，卸壓效果最好，巷道周圍的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，巷道變形得到有效控制。

［1］ 陸家良．軟巖巷道支護(hù)技術(shù)［M］．長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1995：103-104．

［2］ 彭文斌．FLAC3D實(shí)用教程［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：73．

［3］ 錢鳴高，劉聽成．礦山壓力及其控制［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1991：42-43．

［4］ 王其勝，李夕兵，李地元．深井軟巖巷道圍巖變形特征及支護(hù)參數(shù)的確定［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（4）：364-367．

［5］ 馬建軍，蔡路軍，程良奎．軟巖巷道穩(wěn)定性影響因素及其支護(hù)理論探討［J］．有色金屬，2005（11）：29-31．

Simulation Study on Reasonable Depth of Pressure Relief Groove in Soft Rock Roadway Floor

Zhao Gao-jie，Sun Fa-sheng

With the increase of mining depth，the stress of deep soft rock roadway is higher than before，the soft rock of roadway is significantly deformed，destruction of surrounding rock and heaving floor become more and more serious，the control of the stability of surrounding rock in roadway has become extremely difficult．Pressure relief groove is excavated in the middle of floor，the peak stress of surrounding rock around roadway transfers to the deep far away，as a result that the roadway lies in the stress decreasing zone so that the roadway can be effectively maintained．However，the pressure relief groove depth may influence the roadway maintenance quality．If the depth is too shallow，the pressure relief is not good enough．If too deep，the cost is high．By using the FLAC3Dsimulation software，the pressure relief groove of different depths can be simulated．By observing the change of stress and displacement of surrounding rock roadway，the effect on surrounding rock and bottom bulge is analyzed．

Pressure relief groove；FLAC3D；Support；The reasonable depth

TD322+．5

B

1672-0652（2013）09-0052-03

2013-06-16

趙高杰（1987—），男，河南偃師人，2011級河南理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事礦山壓力及其控制的研究（E-mail）250987308＠qq．com