巷道圍巖破壞特征數值模擬研究

王 杰

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048027）

巷道掘進之前各巖層應力處于相對平衡狀態，隨著掘進工作面的持續推進，巖層原始應力平衡狀態將被打破，巷道周圍巖體應力將會發生重新分布。由于深部巖體所受應力相對復雜，掘巷后圍巖體由原來的三向應力狀態變為雙向應力狀態，圍巖體結構會減弱，成巷后巷道將處于復雜應力狀態中。本文以莒山礦3號煤層2采區運輸巷為工程背景，采用數值模擬對巷道應力破壞情況進行分析，為錨桿支護提供參考。

1 工程概況

山西蘭花集團莒山煤礦有限公司二采區運輸巷沿3#煤層底板掘進，屬全煤巖巷道。巷道東北面為3#煤運輸大巷、回風大巷保安煤柱，西南面為原二采區運輸巷、回風巷保安煤柱及原202刀柱工作面，西北面為3#煤井底車場及礦區保安煤柱，東南面為原201分層工作面（已回采）。

巷道設計為矩形斷面，掘進寬度4.4m，高3.2m，巷道凈寬4.2m，凈高3.0m。采用錨網支護。巷道頂底板特征如表1所示。

表1 煤層頂底板特征表

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

采用FLAC3D建立數值計算模型，模擬二采區運輸巷在開挖后的應力分布規律及破壞規律。模型的尺寸為60m×60m×60m，采用摩爾-庫倫準則，模型底板限制豎向位移，前后左右限制水平位移，頂部為自由面。各煤巖體物理力學參數如表2所示。

表2 煤巖體物理力學參數

2.2 巷道圍巖應力分析

圖1為二采區運輸巷道垂直應力云圖。由圖可知，掘進完成后，巷道圍巖所受垂直應力表現為高應力區主要集中于巷道兩幫，最大應力值為28MPa，巷道頂底板所受應力較小，約為2～4MPa。巷道頂底板中部存在零應力區，表明巷道在掘進過程中巖層原有的應力平衡狀態被打破，隨著巷道的成形，上覆巖層應力發生重新分布：垂直應力向兩側擴散，導致巷道幫部出現應力集中現象，而巷道頂底板垂直應力急劇減小，甚至出現零應力區。

圖1 巷道圍巖垂直應力云圖

圖2為數值模擬所得巷道圍巖水平應力云圖。分析可知，二采區運輸巷道圍巖所受水平應力相對較小，應力特征表現為：巷道頂底板所受應力大于兩幫，頂板所受高應力為0.8～1.2MPa，位于巷道頂底板中部；兩幫所受應力為2～8MPa，此外，兩幫區域隨著向巖層深部擴展，所受水平應力逐漸增大，由巷道表面幫部的2MPa增加至8MPa。

圖2 巷道圍巖水平應力云圖

對比分析圖1及圖2可知，巷道掘進后，巷道圍巖應力重新分布，主要表現在頂板及底板承載著較高的水平應力，兩幫承載著較高的垂直應力。在水平及垂直集中應力作用下巷道表面巖層結構容易發生破壞，圍巖體物理力學性質變差。由此可知在實際生產過程中巷道頂板破壞變形及底鼓破壞主要受水平應力的影響，而巷道兩幫的破壞變形主要受垂直應力影響。

2.3 巷道圍巖變形分析

表3為數值模擬所得巷道圍巖垂直及水平變形統計。分析可知變形特征主要表現為頂板下沉量＞兩幫＞底板，在實際生產過程中頂巷道掘進后頂板最大下沉量為38.12mm，兩幫最大水平移近量為35.72mm，底板底鼓量為15.61mm。在實際支護過程中應重點維護頂板及兩幫，使其變形能滿足煤炭運輸要求。

表3 不同埋深時巷道圍巖位移數值

2.4 巷道圍巖破壞特征分析

圖3為巷道圍巖塑性破壞特征圖。分析可知巷道掘進后頂板附近巖層主要發生剪切破壞及拉伸破壞，以拉伸破壞為主，破壞深度約1.6m，兩幫巖體主要發生剪切破壞，破環深度為1.8m；底板巖層主要發生拉伸和剪切破壞，以拉伸破壞為主，破壞深度約為1.8m；頂角及幫角主要發生拉伸和剪切復合破壞。

由上述分析可知，在巷道實際支護過程中錨桿支護長度應不小于巷道圍巖破壞深度：頂板錨桿長度不小于1.6m，兩幫錨桿長度不小于1.8m；巷道幫角及底角區域為復合破壞區域，應注意加強支護。由于底部發生一定深度的破壞，巷道掘進完成后應根據實際情況對底板進行處理，對破壞區域進行注漿，以改善巷道底板力學性質，此外，由于巷道服務年限較長，建議對巷道底板進行混凝土硬化處理。

圖3 巷道圍巖塑性特征圖

3 結論

（1）莒山礦3號煤層2采區運輸巷開挖后垂直應力主要集中于巷道兩幫，最大垂直應力為28MPa；水平應力主要集中于巷道頂板及底板，最大水平應力為8MPa，位于巷道頂底板中部。

（2）巷道頂板最大下沉量為38.12mm，兩幫最大水平移近量為35.72mm，底板底鼓量為15.61mm，頂板下沉量＞兩幫移近量＞底板變形量。

（3）巷道頂底板破壞深度分別為1.6m和1.8m，主要表現為拉伸破壞；兩幫破壞深度為1.8m，主要表現為剪切破壞。

（4）數值模擬結果表明，在巷道實際支護過程中頂板錨桿參數不小于1.6m，兩幫支護長度不小于1.8m，同時注意對底板進行硬化處理。