松軟破碎圍巖大斷面跨層巷道層位確定及其穩定性研究

田和平，牛 顯，王嘉樂

（1.山西壽陽潞陽長榆河煤業公司，山西 壽陽 045414；2.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

松軟破碎圍巖大斷面跨層巷道層位確定及其穩定性研究

田和平1，牛 顯2，王嘉樂2

（1.山西壽陽潞陽長榆河煤業公司，山西 壽陽 045414；2.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

以國內某大型礦井為工程背景，采用數值計算方法，分析了巷道處于煤層附近不同層位時的圍巖應力及破壞區分布規律，并據此確定巷道的穩定性及合理布置層位。研究結果表明：從壓酥帶范圍大小來看，砂質泥巖壓酥帶范圍最小，但是出現跨層，對圍巖穩定性不利，綜合選擇中細砂巖層作為巷道所處層位。從應力云圖和位移云圖可知，巷道選擇在中細砂巖層，能較好地維護圍巖的穩定性，可為巷道的長期服務作基礎。

巷道；穩定型；數值計算

隨著我國經濟的高速發展，對煤炭資源的需求量逐年增長，許多大型礦井建設項目已經開始；然而需知，不同的地質條件對應不同的工程背景[1-3]，由于地質構造、煤層埋深、工程背景等原因，巷道常要處于巖層交接面處，由于層面之間連接性較差，加之巖石材料在層面處物理力學性質發生突變，巷道的穩定性變得很難確定[4-5]。為了確定某大型礦井的大斷面巷道層位，本文運用大型三維數值計算軟件，對該礦巷道處于煤層附近不同巖層位置時的巷道應力場、破壞區域進行了分析研究，并據此提出了巷道的合理層位位置。研究結果可給同類條件下礦井的支護設計和生產提供參考。

1 數值計算模型

分析目的：掌握不同層位下的大斷面巷道圍巖力學環境特征，包括應力分布特征、變形分布特征，為大斷面巷道的層位選擇提供依據。分析模型：長度80m，高度54.46m。其中巷道長11.8m，高6.6m，巷道底板分別位于中細砂巖層底、砂質泥巖層底、3號煤層層底。模型離散：模型共劃分18306個單元，設置18582個節點。邊界條件：模型底部鉛垂方向0位移約束，側邊界水平方向0位移約束；模型施加重力載荷，并在上邊界施加均布載荷。

巖層厚度及力學參數，如表1所示。計算過程中首先平衡重力場，隨后開挖順槽部分，最后開挖開切眼部分。

表1 數值計算巖層分布和物理力學參數表

2 巷道處于不同層位的穩定性分析

2.1 巷道處在中細砂巖層時

圖1為巷道處在中細砂巖層時的模型及網格劃分圖。圖2為巷道處在中細砂巖層時的鉛垂應力云圖。從圖看出，鉛垂應力分布對稱，最大鉛垂應力出現在巷道兩幫附近，巷道頂底板鉛垂應力最小；尤其是在巷道頂底板表面，鉛垂應力值接近零。圖3為巷道處在中細砂巖層的沿右幫中線鉛垂應力分布曲線。由圖得知，幫部出現了壓酥帶，壓酥帶深度大約1.194m。

圖1 模型及網格劃分

圖2 鉛垂應力云圖

圖3 沿右幫中線鉛垂應力分布曲線

2.2 巷道處在砂質泥巖層時

圖4為巷道處在砂質泥巖層時的模型及網格劃分圖。圖5為巷道處在砂質泥巖層時的鉛垂應力云圖。從圖看出，鉛垂應力分布對稱，最大鉛垂應力出現在巷道兩幫附近，巷道頂底板鉛垂應力最小；尤其是在巷道頂底板表面，鉛垂應力值接近零。圖6為巷道處在砂質泥巖層的沿右幫中線鉛垂應力分布曲線。由圖得知，幫部出現了壓酥帶，壓酥帶深度大約0.853m。

2.3 當巷道處在煤層時

圖7為巷道處在煤層時的模型及網格劃分圖。圖8為巷道處在煤層時的鉛垂應力云圖。從圖看出，鉛垂應力分布對稱，最大鉛垂應力出現在巷道兩幫附近，巷道頂底板鉛垂應力最小；尤其是在巷道頂底板表面，鉛垂應力值接近零。圖9為巷道處在煤層時的沿右幫中線鉛垂應力分布曲線。由圖得知，幫部出現了壓酥帶，壓酥帶深度大約1.535m。

3 巷道層位選擇建議

圖4 模型及單元劃分

圖5 鉛垂應力云圖

圖6 沿右幫中線巖鉛垂應力分布曲線

圖7 模型及單元劃分

圖8 鉛垂應力云圖

圖9 沿右幫中線鉛垂應力分布曲線

經對高河礦巷道群的層位選擇的理論分析、數值計算分析得出如下結論：(1)從壓酥帶范圍大小來看，砂質泥巖壓酥帶范圍最小，但是出現跨層，對圍巖穩定性不利，綜合來講還是選擇了中細砂巖層作為巷道所處層位。(2)從應力云圖和位移云圖得知，巷道選擇在中細砂巖層能較好地維護圍巖的穩定性，可為巷道的長期服務作基礎。

4 結束語

本文利用大型數值計算軟件，分析了某大型礦井的大斷面巷道處于煤層附近不同位置時的應力及破壞區域，并據此判斷巷道的穩定性狀況，給出了巷道布置的合理位置。

[1] 牛少卿，楊雙鎖，王志剛，寇永嘉.非均勻水平應力場中井壁結構的優化設計研究[J].山西大同大學學報(自然科學版)，2010，26(3):60-63.

[2] 賴小彬，徐小敏，張伯虎，等.某礦山巷道交岔口的三維有限元模擬分析[J].地下空間與工程學報.2007，3(4)：633-636.

[3]Shaoqing NIU，Shuangsuo YANG，Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softeningmodel after Peak Based onmorh-Cloumb Theory Criterion[J].Advancedmaterials Research，Vols.261-263(2011)：1439-1443.

[4] 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002.

[5] 錢銘高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

Layer Position Determination and Stability Study of Large Cross-section Cross-layer Roadways in Soft and Broken Surrounding Rocks

TIAN He-ping1,NIU Xian2,WANG Jia-le2
(1.Luyang Changyuhe Coal Co.,Shouyang Shanxi 045414;2.College ofmining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

On the basis of one large-scalemine,numerical calculation is used to study the surrounding rock stress and failure zones distribution at the different layers,and then the roadways stability and rational layout are determined.The results show that:in sandymudstone,pressure crisp belt is smallest in terms of its range,but cross layers appear which are harmful to the stability.Given all the conditions,middle-and-fine sandstone is selected as the layer for roadways.From stress nephogram and displacement nephogram,the selection can satisfy the bettermaintenance of surrounding rock stability and long service for the roadways.

roadways;stability;numerical calculation

TD322+4

A

1672-5050（2012）05-0050-03

2011-11-18

田和平（1968—），男，山西長治人，大專，助理工程師，從事煤炭開采技術及管理方面的工作。

徐樹文