礦井巷道圍巖松動特征模擬實驗研究

田忠 李建寧

摘 要：無論是在井下的巷道掘進過程中，還是在地面隧道開挖過程中，圍巖的支護都是必不可少的。為了能夠更加合理有效的利用支護材料，避免浪費的同時，還要求支護的深度能夠達到安全開挖的規范，對于圍巖松動范圍的圈定就必須滿足一定精度。本文設計了不同半徑的巷道斷面，以Flac3D模擬為主，輔助以電法AGI正演模擬，對巷道圍巖松動范圍進行實驗研究，獲得了圍巖的位移分布特征及巷道半徑與頂板有效位移量的相應關系。

關鍵詞：圍巖松動；巷道斷面；正演模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.102

0 引言

我國對能源的需求量大，雖然受到能源需求大背景的影響，但煤炭在我國能源結構中的主導地位依然不可撼動。隨著采礦深度的增加，巷道開挖過程中所出現的地質問題也在不斷增多，受地應力、構造等條件影響所引起的巷道變形[1]、坍塌等安全問題屢見不鮮。因此巷道開挖后其圍巖的穩定性問題得到越來越高的重視。

巷道開挖后，圍巖應力狀態發生顯著變化，有可能在巷道周圍形成一個破裂區，即圍巖松動圈。國內外學者利用多種力學模擬分析軟件，如FLAC3D/FLAC2D，MIDAS/GTS ，PLAXIS，ANSYS，ABAQUS等[2-5]，對松動圈進行模擬研究。研究表明，巷道圍巖的變形主要來源于松動圈圍巖的碎脹變形。因此，圍巖松動圈厚度研究是一項意義重大的課題。文章采用數值模擬技術對巷道圍巖松動特征進行實驗研究，并輔以電法模擬，討論其不同受力分布及變形特征，為巷道圍巖支護技術措施制定提供參考。

1 模擬方案

為了對比研究巷道開挖后松動圈的范圍，本文利用Flac3D與電法模擬軟件AGI分別進行設計模擬。前者設計半徑分別為5m、10m的大斷面巷道條件，外邊界為100m×100m，其內充填以純砂巖的兩個矩形數值模型（圖1），模型參數借鑒淮南張北礦1413（A）工作面的砂巖層巖石力學參數（表1）。監測點的選則上，由于巷道為圓形，所以兩側的圍巖變形為對稱發育，本文選取的監測點均在中線右側。

對于電法模擬，設計兩條相互平行的測線，其間距為100m，每條測線均布置21個電極，極距5m，巷道所在位置設置為高阻異常，電阻率值為1000Ω·m，為對比明顯，背景值即圍巖阻值設置為200Ω·m，與Flac3D模擬類似，電法模擬同樣設置兩個大小不同的巷道，一個半徑為5m，另一個為10m。

2 模擬結果與分析

2.1 FLAC 3D模擬結果與分析

模擬結束時，即計算2×104次之后，若最大不平衡應力為0，則圍巖應力重新分布完成，模型計算收斂，圍巖處于穩定狀態，如圖3。

模擬結束時通過軟件提取如圖4～6的模擬結果圖，其中圖4為兩巷道開挖后X方向位移圖。從圖中可以發現，巷道兩側變形結果具有一致性，因此以下結果分析皆以右側圖示結果為例，其圍巖在X方向的位移主要集中在-75°～75°之間。影響范圍在30°～75°、-75°～30°兩個區間內更為集中。

圖5為兩巷道開挖后Z方向位移圖。圖中顯示在45°～90°及-90°～-45°范圍內Z方向位移較為明顯，巷道下方區域的位移和影響范圍比之上部變形明顯偏小。同時將圖4、5中的（a）與（b）對比發現，對于半徑為10m的巷道，X方向的最大位移是5m半徑巷道圍巖的位移量的1/2～1/3；而Z方向的位移量及影響范圍前者均為后者的2～3倍。

圖6為圍巖變形梯度云圖，圖中表明圍巖變形量較大的區域主要集中在-90°～-45°及30°～90°的范圍內。巷道上部圍巖產生的運動變形明顯大于其底板，底板也將產生明顯變形，但產生最大變形的區域明顯小于頂板一段距離。

從圖6中顯示圍巖變形量最大的位置為圓形巷道的正上方，為了確定巷道的開挖對圍巖的最大影響半徑以及變化趨勢，除了提取各監測點的X、Y方向的變形量之外，另外增加了兩條巷道上方監測點的個數。

圖7（a）、（b）為巷道頂板不同高度處的位移變化情況，對于小半徑的巷道而言，作為整個圓形巷道松動范圍及變形量都最明顯的區域，頂板在松動范圍內的最小值趨于10mm，大半徑的巷道，最小值趨于30mm。因此，在松動圈內，大半徑的巷道圍巖位移量最小值為小半徑的2～3倍。

2.2 電法模擬結果與分析

圖8為模擬斷面的電阻率分布情況，根據電阻率值大小可得出，在垂向上，阻值大于100Ω·m在（a）中的范圍在50～30m之間，在（b）中的范圍在50～15m之間，大致相當于各自半徑的3～4倍。由于電法模擬中無法施加應力場，模擬結果與實際結果應存在一定的誤差，但作為輔助模擬手段，對于變形梯度的展示上與應力模擬的結果具有相當的一致性。

3 結論

（1）利用數值模擬的方法，對巷道開挖后圍巖的松動范圍進行圈定具有可行性。根據平面方向的位移量及位移梯度，可以有效的圈定出巷道變形較為嚴重的區域；

（2）Flac3D模擬中可在任意位置設置監測點，本文針對變形最為嚴重的頂板區域增添監測點，得出其變形量隨距離巷道中心長度的變化關系；

（3）電法AGI模擬由于忽略應力場的限制，僅憑電性參數判斷松動范圍，其效果略差，但對于判斷圍巖變形梯度上具有一定的效果。

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作者簡介：田忠（1988-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為工程與環境物探。