深部軟巖巷道圍巖變形機(jī)理研究

焦若珂

（潞安化工集團(tuán)有限公司 古城煤礦，山西 長治 046000）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，煤炭資源的需求日漸增多，礦井深部開采已成為當(dāng)前煤炭開采的主流[1-2]。在深部開采條件下，高溫、高壓帶來的圍巖劇變、蠕變等特征日益明顯[3-4]，淺埋煤炭支護(hù)已經(jīng)無法滿足礦井的安全生產(chǎn)要求，因此需要對深埋條件下巷道圍巖變形機(jī)理進(jìn)行深入研究，制定有效的巷道圍巖支護(hù)形式，實(shí)現(xiàn)深部圍巖變形控制[5-6]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對深部軟巖巷道進(jìn)行深入研究，取得重要的研究成果。張國寶[7]等人以常村礦3107 工作面回風(fēng)巷為工程背景，通過對原支護(hù)參數(shù)、圍巖變形失穩(wěn)特征及采動(dòng)因素分析，提取剝除淺層破碎圍巖后錨網(wǎng)索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等方案，從而實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的變形控制；高鳳偉[8]等人基于深部開采高應(yīng)力，復(fù)合頂板、大斷面、采動(dòng)影響等特點(diǎn)提出全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)技術(shù)，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場工業(yè)性實(shí)驗(yàn)等方法，研究確定技術(shù)方案等對圍巖變形控制的有效性，減少了巷道的二次返修頻率；王文才[9]等人基于耦合支護(hù)理論，提出“錨桿（索）+錨網(wǎng)+注漿”等的支護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)工作面頂?shù)装搴蛢蓭偷挠行Э刂啤Ｉ鲜鲅芯控S富了深部圍巖控制的內(nèi)容，但是多注重技術(shù)應(yīng)用的研究，對深部礦井變形的內(nèi)在機(jī)理研究較少，本文以古城煤礦北二2 號回風(fēng)大巷為研究背景，通過圍巖變形機(jī)理研究，確定巷道變形影響因素，為礦井變形控制提供依據(jù)。

1 概 況

北二2 號回風(fēng)大巷布置在3 號煤層中，3 號煤層位于山西組下部，屬穩(wěn)定型煤層，煤層厚3.35～9.65 m，平均6.05 m，含0.2 m 厚泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層平均傾角為0～18°，埋深平均655 m。巷道頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。

2 彈塑性區(qū)理論解析

基于彈塑性力學(xué)理論，假設(shè)半徑為Ro 的圓形巷道，在埋深H≥20 Ro 條件下，巷道處于理想受力狀態(tài)，將模型簡化為平面應(yīng)變問題，忽略巷道圍巖蠕變因素，巷道圍巖變形破壞符合摩爾庫倫模型。依據(jù)模型，巷道圍巖由淺入深可分別劃分為破碎圍巖區(qū)、塑性圍巖區(qū)、彈性圍巖區(qū)和原巖應(yīng)力圍巖區(qū)，具體如圖2 所示。基于圖示力學(xué)模型分別進(jìn)行彈性圍巖區(qū)和塑性圍巖區(qū)的力學(xué)及位移數(shù)值解析。

圖2 巷道圍巖力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of roadway surrounding rock

2.1 基本方程

極限平衡區(qū)靜力平衡方程：

極限平衡條件為：

式中：σt、σr分別為切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力，MPa：φ為巖體內(nèi)摩擦角，（°）；C為巖體內(nèi)聚力，MPa；R 為極限平衡區(qū)內(nèi)所研究點(diǎn)的半徑，m。

將式（2）代入式（1）中，變形整理得到彈性區(qū)與塑性區(qū)方程。

2.2 彈性區(qū)應(yīng)力方程

徑向應(yīng)力為：

式中：pO為原巖應(yīng)力，MPa；pi為支護(hù)阻力，MPa：RO為巷道半徑，m；C 為巖體內(nèi)聚力，MPa；φ為巖體內(nèi)摩擦角，（°）。

2.3 塑性區(qū)應(yīng)力方程

徑向應(yīng)力為：

切向應(yīng)力為：

塑性區(qū)半徑為：

周邊位移為：

式中：G 為剪切彈性模量，GPa。

在采動(dòng)應(yīng)力影響下，巷道圍巖變形加劇，由于采動(dòng)應(yīng)力無法直接量化，但可通過圍巖所受集中應(yīng)力情況間接反映采動(dòng)應(yīng)力變化情況，因此通過施加應(yīng)力增量，即在原巖應(yīng)力基礎(chǔ)上增加（1+K）po，則巷道圍巖在采動(dòng)條件下的Rs和u 分別為：

基于礦壓理論并結(jié)合式（4）和式（5）分析，巷道圍巖彈性狀態(tài)下受力可由R表示，同時(shí)圍巖塑性破壞后，破碎圍巖體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力變化可由表示。需要注意的是，彈性區(qū)范圍內(nèi)的圍巖變形受到塑性區(qū)范圍內(nèi)破碎巖的抑制，若清理破碎圍巖，則巷道尺寸增加，同時(shí)釋放彈性區(qū)圍巖變形，增加塑性區(qū)的破壞范圍，不利于巷道圍巖的變形控制。

分析式（9）可知，塑性區(qū)半徑RS、位移u受到地應(yīng)力po、支護(hù)阻力pi、巖體內(nèi)摩擦角φ與內(nèi)聚力C等因素的影響，因此為了進(jìn)一步研究各個(gè)因素的影響程度，故接下來進(jìn)行不同因素下對巷道塑性區(qū)發(fā)育狀況的影響研究。

3 不同因素對巷道影響研究

從定量角度出發(fā)分析地應(yīng)力p0、巖體內(nèi)摩擦角φ、內(nèi)聚力C與塑性區(qū)半徑、周邊位移的關(guān)系。當(dāng)巷道未采取支護(hù)措施時(shí)，認(rèn)為pi=0；當(dāng)巷道采取支護(hù)措施時(shí)，認(rèn)為pi≠0，同時(shí)針對每個(gè)因素進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。

3.1 不同埋深對巷道變形影響

巷道圍巖地應(yīng)力p。通過其巖體的垂直應(yīng)力體現(xiàn)，而巖體的垂直應(yīng)力與巷道埋深有直接的關(guān)系，通過改變煤層埋藏深度分析地應(yīng)力對巷道變形程度的影響。北二2 號回風(fēng)大巷部分范圍處于不穩(wěn)定圍巖環(huán)境，其巷道圍巖主要為泥巖和煤，因此分析不穩(wěn)定圍巖對確定巷道影響因素十分必要。分析處于100～800 m 埋深條件下的回采巷道塑性區(qū)半徑及其周邊位移，為方便計(jì)算取pi=0。

在200、400、600、800、1 000 m 等不同埋深條件下進(jìn)行巷道塑性區(qū)模擬，如圖3 所示。

圖3 不同埋深巷道塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of plastic zone in roadway with different buried depth

分析圖3 可知，在埋深200～600 m 時(shí)，塑性區(qū)變化明顯，當(dāng)埋深大于600 m 后，塑性區(qū)變化范圍基本相同，但在局部范圍塑性區(qū)有所擴(kuò)大，同時(shí)隨著埋深的增加，巷道當(dāng)前正在破壞區(qū)域逐漸增加，當(dāng)埋深處于200 m 時(shí)，巷道圍巖過去發(fā)生破壞而當(dāng)前未繼續(xù)發(fā)生破壞，為圖中淺色區(qū)域，當(dāng)埋深增加至400 m 時(shí)，深色區(qū)域逐漸增加，尤其是巷道中部和兩底角位置，說明當(dāng)前巷道圍巖不僅過去發(fā)生過破壞，當(dāng)前仍在繼續(xù)破壞，當(dāng)埋深大于600 m時(shí)，巷道圍巖基本被深色區(qū)域覆蓋，說明當(dāng)前巷道圍巖極不穩(wěn)定，而且塑性區(qū)有進(jìn)一步縱深擴(kuò)展的可能，需要注意的是，在埋深超過800 m 后，巷道淺部圍巖已完全發(fā)生破壞，其中頂板和兩底角區(qū)域縱深范圍較高，兩幫區(qū)域較小。

3.2 不同內(nèi)摩擦角對巷道變形影響

分析巖體的強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角φ影響巷道圍巖的變形程度，并分析其對巷道塑性區(qū)半徑及周邊位移的影響，取pi=0。

軟巖巖體中，內(nèi)摩擦角變化較小，設(shè)置內(nèi)摩擦角變化范圍為30°～35°，其他地質(zhì)參數(shù)與上述相同，內(nèi)聚力取2.0 MPa。本文分別模擬了30°、31°、32°、33°、34°和35°內(nèi)摩擦角塑性區(qū)分布圖，具體如圖4 所示。

圖4 不同內(nèi)摩擦角下巷道塑性區(qū)分布圖Fig.4 Distribution of plastic zone in roadway under different internal friction angles

分析圖4 可知，隨著內(nèi)摩擦角的逐漸增大，巷道圍巖塑性區(qū)范圍逐漸減小，當(dāng)內(nèi)摩擦角由30°增加至32°時(shí)，巷道淺部圍巖區(qū)域變化不大，但頂板深部圍巖塑性區(qū)范圍逐漸減小，當(dāng)內(nèi)摩擦角繼續(xù)增加至33°時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小，其中尤其是淺色表示區(qū)域，即過去發(fā)生破壞，當(dāng)前仍繼續(xù)發(fā)生破壞減小明顯，深色區(qū)域，即過去發(fā)生破化，當(dāng)前不再發(fā)生破壞，有所增加，當(dāng)內(nèi)摩擦角增加至34°時(shí)，巷道圍巖范圍持續(xù)減小，同時(shí)淺色區(qū)域基本消失，當(dāng)內(nèi)摩擦角繼續(xù)增加至35°時(shí)，巷道淺部圍巖完整性進(jìn)一步提高，頂板和兩幫區(qū)域破壞范圍較小，但是在底角區(qū)域破壞仍較為明顯。

3.3 不同粘聚力對巷道變形影響

分析巖體的強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)聚力C共同影響巷道圍巖的變形程度，分析其對巷道塑性區(qū)半徑及周邊位移的影響，取pi=0。

軟巖內(nèi)聚力一般在0～ 5 MPa，基于前述地質(zhì)參數(shù)，取北二2 號回風(fēng)大巷平均埋深為655 m，巷道半徑4.2 m，巖體容重25 kN/m3，泊松比為0.25，剪切模量為2.35 GPa；內(nèi)摩擦角為35.14°，本文分別模擬了1、2、3、4、5 MPa 粘聚力塑性區(qū)分布圖，具體如圖5 所示。

圖5 不同粘聚力下巷道塑性區(qū)分布圖Fig.5 Dstribution of plastic zone in roadway under different cohesion

分析圖5 可知，粘聚力對巷道塑性區(qū)發(fā)育有一定限制作用，但限制效果不明顯，當(dāng)粘聚力由1 MPa 增加至4 MPa 時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)范圍減小不明顯，當(dāng)粘聚力繼續(xù)增加至5 MPa 時(shí)，塑性區(qū)范圍降低，同時(shí)深色區(qū)域，過去發(fā)生破壞，當(dāng)前未繼續(xù)發(fā)生破壞的區(qū)域逐漸增加，塑性區(qū)未破壞區(qū)域擴(kuò)大，因此，若需要對圍巖塑性區(qū)發(fā)育進(jìn)行限制，需要保持粘聚力在較高水平。

綜上所述，基于不同埋深、粘聚力和內(nèi)摩擦角等不同因素對軟巖巷道影響性分析，確定在埋深一定情況下，增加圍巖粘聚力、內(nèi)摩擦角度，對巷道塑性區(qū)變形都具有一定的控制作用，其中巷道粘聚力以2.5 MPa 為拐點(diǎn)，內(nèi)摩擦角以33°為拐點(diǎn)，繼續(xù)增加后對塑性區(qū)控制效果降低。

4 結(jié) 論

本文通過理論分析、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行深部軟巖巷道圍巖變形機(jī)理研究，獲得如下結(jié)論。

（1）基于彈塑性力學(xué)理論建立圍巖彈性區(qū)力學(xué)模型，確定塑性區(qū)半徑和位移受地應(yīng)力、支護(hù)阻力、圍巖內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力等影響。

（2）通過數(shù)值模擬確定在埋深確定情況下，粘聚力在2.5 MPa 范圍內(nèi)和內(nèi)摩擦角在33°范圍內(nèi)對巷道塑性區(qū)變形有一定控制作用，繼續(xù)增加后對塑性區(qū)控制效果降低。