高水平構造應力巷道圍巖穩(wěn)定性數值模擬分析及控制

秦萬能，梁紅書

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質勘查局三總隊，貴州遵義563000）

高水平構造應力巷道圍巖穩(wěn)定性數值模擬分析及控制

秦萬能，梁紅書

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質勘查局三總隊，貴州遵義563000）

為了解決高水平構造應力條件下巷道圍巖易失穩(wěn)的難題，采用數值模擬的研究方法，分析了兩種支護形勢下巷道圍巖響應特征，提出了巷道底板采用錨索束注漿加固的治理方案，并結合數值模擬進行現場工業(yè)性試驗。結果表明：巷道圍巖原支護方式對巷道的頂板及兩幫起到較好支護效果，但巷道底鼓量較大；在進行底板錨索束注漿加固支護后，頂底板累計移近量為142 mm，兩幫的移近量為123 mm，較原支護圍巖斷面整體收縮減小48%左右，底板錨索束整體補強作用顯著，能夠有效控制巷道底鼓增大趨勢，保證了巷道圍巖的完整性和穩(wěn)定性。

構造應力；數值模擬；巷道圍巖；工業(yè)性試驗；支護強度

構造應力是巷道圍巖應力重要組成部分，多是沿水平方向，具有較強的區(qū)域性特征。隨著巷道埋深不斷加大，巷道圍巖出現的膨脹軟巖底鼓，沖擊地壓以及支護體嚴重破壞等地質災害與構造應力有著密切聯系。淺埋煤層地質構造較單一，巷道開挖后圍巖應力集中程度低，造成的破壞范圍較小，簡單支護體即可達到控制目的，而深埋巷道多處在斷裂褶曲構造較多的復雜地質環(huán)境下，此時構造應力突出，演變成為最大主應力，其特點為巷道整體圍巖變形大，破壞嚴重，冒頂片幫現象頻繁，嚴重制約著礦井安全生產。針對深部巷道圍巖控制國內外學者進行了深入的理論與實踐研究，考慮到巷道圍巖變形具有區(qū)域性特征，支護技術與工藝存在較大差異性，本文以新景礦運輸大巷為研究對象，應用底板錨

索束注漿加固的治理思路進行支護，通過現場圍巖監(jiān)測，驗證了該方案在新景礦運輸大巷的可行性。

1 工程概況

1.1 圍巖特性及構造

新景礦運輸大巷位于礦井工業(yè)廣場西部，沿著11#煤層頂板掘進，巷道平均埋深為750m，該巷道頂板依次為粉砂巖、泥巖，裂隙發(fā)育，泥質膠結較軟；底板依次為中粒砂巖、泥巖，裂隙發(fā)育，含有伊利石、蒙脫石、高嶺石等結構軟弱的黏土礦物，遇水極易膨脹，強度較低，其巖石力學參數見表1。

表1 運輸大巷頂底板巖性特征

從現場巖層實際揭露情況得知，褶曲與小斷層構造有13條。結合地應力實地測量結果分析表明，水平構造應力為最大主應力，側壓系數多在1.3～1.8之間。由此可以得知，高水平構造應力是影響巷道圍巖變形、支護體破壞主要因素。

1.2 原支護形式及破壞特征

新景礦運輸大巷原設計為直墻半圓拱形，巷道斷面4500mm×3600mm，頂板錨桿采用Φ22mm× 2000mm，間排距為800mm×800mm，錨索采用Φ15.24mm×6200mm，間排距為1800mm× 1600mm；兩幫采用Φ18mm×1800mm圓形錨桿，間排距為800mm×800mm，錨桿間采用梯子梁連接；巷道表面噴射150mm厚混凝土，頂板與兩幫實施錨梁網噴聯合支護方式（圖1）。

圖1 新景礦運輸大巷原支護形式

通過巷道圍巖長期監(jiān)測發(fā)現，巷道使用前3個月內，礦壓顯現尤為劇烈，局部頂板冒頂現象較為嚴重，兩幫出現大面積漿皮開裂、擴容，多以剪切破壞為主，由于巷道底板未經支護，造成底鼓最為劇烈，底鼓量最大達到800mm，錨桿彎曲，破斷現象較為普遍，大巷內軌道已嚴重變形，影響了礦井安全生產。

2 高水平構造應力巷道數值模擬分析

2.1 模型建立

采用FLACK3D數值模擬軟件分析不同水平構造應力條件下巷道圍巖變形特征。模型尺寸為150m×70m×80m（長×寬×高），為了盡可能達到模擬效果的準確性，模型上邊界設定為自由面，加載載荷為γH=25k N/m3×750m=18.75MPa，水平方向位移與模型下邊界垂直位移固定約束，巷道頂底板采用應變軟化模型，剩余巖層采用Mohr-Coulomb模型作為運算準則來進行計算，各巖層物理力學參數見表2。

2.2 模擬方案設計

分別計算側壓系數λ為1.3、1.5和1.8時，巷道原支護形式下巷道圍巖位移場、應力場以及圍巖塑性區(qū)分布特征，設計方案見表3。

2.3 不同側壓系數巷道圍巖變形分析

由圖2可以看出：當測壓系數λ為1.3時，巷道頂板出現明顯剪切破壞帶，垂直位移最大值為69mm，同時巷道底板整體出現200mm的底鼓量；當測壓系數λ為1.5時，頂板仍受剪切破壞為主，垂直位移變化有所增大，巷道底板由中心線處出現位移最大值，達到250mm，其他區(qū)域面積變化不明顯；當測壓系數λ達到1.8時，巷道頂板垂直位移發(fā)生明顯變化，下沉區(qū)域面積明顯減小，深部位移具有增大趨勢，且巷道底板垂直位移又不斷向底板深部轉移，最大值達到239mm。

同樣在原支護條件下，觀察圖3所示巷道圍巖水平位移分布圖可以得知：側壓系數λ=1.3條件下，巷道底板兩幫角出現應力集中現象，水平位移

最大值約為95mm；側壓系數λ=1.5時，巷道兩幫角應力集中現象變化不明顯，位移最大值不斷增大；當測壓系數λ=1.8時，巷道兩幫角位移最大值達到180mm，且不斷向深部轉移，三種不同側壓系數條件下，巷道整體水平位移變化區(qū)域范圍不明顯。對巷道圍巖應力進行分析，圖4給出了原支護條件下，不同測壓系數垂直應力分布特征，可以得知：λ= 1.3時，在巷道兩幫淺部圍巖出現應力集中區(qū)，最大值約為26MPa；當λ=1.5時，巷道兩幫應力集中區(qū)消失，但巷道圍巖整體垂直應力分布區(qū)域范圍變化并不明顯；當λ=1.8時，巷道兩幫深部圍巖、頂板以及底板幫角均出現應力集中區(qū)，最大值約為24MPa，這容易對巷道穩(wěn)定性造成極大影響。

表2 巖石物理力學參數

表3 數值模擬方案設計

圖2 巷道圍巖垂直位移分布特征

圖3 巷道圍巖水平位移分布特征

調取巷道圍巖水平應力分布圖，圖5分析了不同測壓系數條件下水平應力分布特征，可以得知：在巷道頂底板淺部圍巖出現應力集中區(qū)，隨著側壓系數不斷增大，水平應力集中區(qū)域面積不斷縮小，但巷道頂板水平應力最大值由33MPa增至53.1MPa，底板水平應力最大值由7MPa增至10MPa。

由圖6得知，原支護形式能夠有效控制頂板

與巷道兩幫圍巖的塑性變形，起到了較好的支護效果，但隨著側壓系數不斷增大，由于巷道底板未經支護造成塑性破壞區(qū)域面積與深度都在不斷擴大，這也正與在高水平構造應力條件下巷道底鼓極為嚴重的實際情況相吻合。

綜上分析可知，高水平構造應力對巷道位移場、應力場以及塑性破壞區(qū)域存在顯著影響，特別是在巷道底板未經支護情況下，為水平構造應力的轉移與釋放提供了有利條件，最終造成底鼓不斷增大，直至趨于穩(wěn)定，為此，建議對原支護方案進行優(yōu)化設計，采用底板錨索束注漿加固治理方案，強化底板支護作用。

圖4 巷道圍巖垂直應力分布特征

圖5 巷道圍巖水平應力分布特征

圖6 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

2.4 方案優(yōu)化設計

本著簡化支護，節(jié)約成本的原則，確定在原支護形式不變情況下，對巷道底板實施錨索束注漿加固治理思路，錨索束選用三根Φ17.8mm×7800mm的高強度低松弛鋼絞線組合而成，利用礦區(qū)廢舊鋼軌制備長2100mm，內間距80mm鋼軌梁，采用錯距布置方式，排距為2m，錨索束外擺30°（圖7），錨索束孔內灌入由425#普通硅酸鹽水泥配制的水灰比為0.6∶1的水泥漿。

2.4.1 測壓系數為1.3時圍巖特征分析

巷道底板采用錨索束強化支護后，巷道最大垂直位移發(fā)生在底板（圖8（a）），其值約為147mm，同時，巷道頂板出現局部位移，最大值達到85.2mm；在巷道底板的幫角出現了水平應力最大區(qū)域（圖8（b）），其值達到102mm，表明該支護方式并未對巷道底板在圍巖應力作用下產生水平位移起到約束作用；對底板進行錨索束支護后，仍在巷道兩幫圍巖出現垂直應力集中區(qū)（圖8（c）），巷道底板應力降

低區(qū)面積不變，但巷道頂板應力降低區(qū)面積明顯減??；從水平應力特征分析（圖8（d）），在頂板與底板均出現了水平應力集中區(qū)域，最大值分別達到31.3MPa和25.1MPa，可見巷道底板圍巖應力降低區(qū)比較原支護情況下面積明顯減?。幌锏缼晚斔苄云茐膮^(qū)范圍減?。▓D8（e）），與原支護情況下基本相同，但底板巷道圍巖的塑性破壞區(qū)明顯增大。

圖7 運輸大巷優(yōu)化設計支護方案

圖8 λ=1.3時底板錨索束支護位移、應力及塑性區(qū)特征分析

2.4.2 測壓系數為1.5時圍巖特征分析

對底板進行錨索束注漿后，巷道底板圍巖出現垂直位移最大值區(qū)域（圖9（a）），最大值約為171mm，巷道頂板中淺部圍巖出現約為92mm的垂直位移，且巷道底板圍巖中出現垂直向上位移區(qū)域面積相對原支護方式明顯增大；進行錨索束支護后，只在巷道底板兩底角圍巖中出現水平位移最大值區(qū)域（圖9（b）），最大值約為119mm，巷道兩幫只產生最大值約為75mm的水平位移，且底板兩底角圍巖出現水平位移的區(qū)域面積明顯增大；在巷道兩幫圍巖中出現垂直應力最大值區(qū)域（圖9（c）），最大值為28.4MPa，巷道頂板應力降低區(qū)面積明顯減小；在巷道底頂圍巖出現水平應力最大值區(qū)域（圖9（d）），其最大值為38.4MPa，巷道兩幫出現應力較低區(qū)面積明顯減??；巷道兩幫與頂板塑性破壞區(qū)面積基本相等（圖9（e）），且與原支護情況下區(qū)域面積基本相等，巷道底板圍巖出現大于底板注漿支護時的塑性區(qū)面積，只在巷道兩幫與頂板中淺部圍巖出現先拉伸破壞再剪切破壞的塑性破壞區(qū)域。

2.4.3 測壓系數為1.8時圍巖特征分析

進行底板錨索束注漿后，巷道頂底板均出現垂直位移最大值區(qū)域（圖10（a）），其最大值分別達到220.6mm和108.5mm的垂直位移，且巷道深部大范圍底板出現垂直向上位移區(qū)域的面積相比原支護形式明顯減?。幌锏赖装鍍蓭偷牡讕徒菄鷰r出現水平位移最大值區(qū)域（圖10（b）），約為149.2mm，且大范圍水平位移也出現在巷道底板，巷道兩幫水平位移約為126.0mm；只在巷道兩幫上部圍巖出現垂直應力最大值區(qū)域（圖10（c）），其值約為26.8MPa，且巷道頂底板圍巖應力降低區(qū)面積均明顯減小；巷道兩幫及頂板圍巖塑性破壞區(qū)面積基本相同且有所減?。▓D10（e）），巷道底板巖層塑性區(qū)

面積增大，且在錨索束穿過巷道底板19mm的11#煤層處產生大面積的塑性破壞區(qū)。

由數值模擬分析可知，原支護方式一定程度上對巷道頂板及兩幫起到較好支護效果，但巷道較大底鼓量說明底板圍巖支護收效甚微，在進行錨索束支護后，與原支護相比，巷道圍巖位移均明顯減小，應分布更加均勻合理，塑性區(qū)破壞明顯縮小，效果顯著。

圖9 λ=1.5時底板錨索束支護位移、應力及塑性區(qū)特征分析

圖10 λ=1.8時底板錨索束支護位移、應力及塑性區(qū)特征分析

3 現場工業(yè)性試驗

利用優(yōu)化方案進行支護后，對巷道進行定點位移采集，繪制位移變化曲線圖，并與原支護條件下位移變化曲線進行分析對比（圖11）。

從圖中可以得知，采用新的支護方案后，底板錨索束整體補強作用顯著，能夠有效控制巷道底鼓增大趨勢；巷道表面位移明顯減小，呈現出“巷道頂底板移近量大于兩幫移近量”的分布規(guī)律，這主要是由于巷道水平構造應力大于垂直應力的結果，在擠壓變形作用下，巷道頂底板移近量大于兩幫移近量；頂底板累計移近量為142mm，移近平均速度為3.3mm/d，兩幫的移近量為123mm，移近平均速度為3.2mm/d，較原支護圍巖斷面整體收縮減小48%左右，支護效果顯著。

4 結 論

1）巷道原支護初期階段，礦壓顯現尤為劇烈，局部頂板冒頂現象較為嚴重，兩幫出現大面積漿皮開裂、擴容，以剪切破壞為主，由于巷道底板未經支護，造成底鼓最為劇烈，錨桿彎曲，破斷現象較為普遍，嚴重影響了礦井安全生產。

圖11 巷道表面位移隨時間的變化曲線

2）高水平構造應力對巷道位移場、應力場以及塑性破壞區(qū)域存在顯著影響，在巷道底板未經支護情況下，為水平構造應力的轉移與釋放提供了有利條件，造成底鼓不斷增大，建議對原支護方案進行優(yōu)化設計，采用底板錨索束注漿加固的治理方案。

3）采用新的支護方案后，底板錨索束整體補強作用顯著，能夠有效控制巷道底鼓增大趨勢；巷道表面位移明顯減小，呈現出“巷道頂底板移近量大于兩幫移近量”的分布規(guī)律。

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Numerical modeling analysis and control for roadway surrounding rock stability with high horizontal tectonic stress

QIN Wan-neng，LIANG Hong-shu
（The Third Team，Non-Ferrous Metals and Nuclear Industry Geological Survey Bureau of Guizhou Province，Zunyi 563000，China）

In order to solve the problem of surrounding rock instability under the condition of high horizontal tectonic stress，the characteristics of roadway surrounding rock is analyzed in two supporting situation by the method of numerical simulation，and the treatment scheme that roadway floor uses the anchor beam of grouting reinforcement is proposed，at the same time the industrial test is carried on with numerical simulation.The results show that the original support way plays a good supporting effect for roof and two sides of the roadway，but the amount of floor heave of roadway is bigger；after the anchor beam of grouting reinforcement has been used in roadway floor，the cumulative displacement of roof to floor is 142mm，and two sides roadway's cumulative displacement is 123mm，which decreases about 48%compared with the original supporting section，the effect of integral reinforcing action in floor anchor beam is obvious.The increase of floor heave of roadway can be controlled effectively，and the integrity and stability of the surrounding rock of roadway is ensured.

tectonic stress；numerical simulation；surrounding rock；industrial test；support strength

TD353

A

1004-4051（2016）09-0116-07

2016-06-11

秦萬能（1962-），男，貴州遵義人，漢族，本科，高級工程師，主要從事巖土工程研究。