硐室斷面尺寸效應對圍巖穩定性影響因素數值模擬研究

王廣偉 王 鵬 田中磊

（山東新巨龍能源有限責任公司，山東 巨野 274900）

1 引言

近些年來，錨桿支護技術已經成為煤巷支護的主要方式，但就大斷面巷道支護問題所進行的理論研究和成功的實踐工程有限，尤其是超大斷面硐室，由于其斷面、埋深較大，圍巖破碎區、塑性區顯著增大，傳統支護技術難以滿足硐室圍巖穩定需要。為此，本文針對山東新巨龍能源有限責任公司膠帶輸送機巷超大斷面機頭硐室圍巖穩定性控制技術展開相關研究，且本次研究成果可為類似條件超大斷面硐室的圍巖穩定性控制提供借鑒參考。

2 研究區域地質概況

山東新巨龍能源有限責任公司主采煤層為3#煤層，平均厚度為6.77m，傾角為0～7°，以亮煤為主，節理較發育，煤層強度較低，為松軟煤層，f=0.7。煤層埋深445 ～484m，平均467m。距煤層底板1.4m有0.2m 厚的夾矸，夾矸為炭質泥巖。煤層之上為0.9m 厚的泥巖偽頂，偽頂之上為細粒砂巖—粉砂巖直接頂，厚度1.46m，均勻層理為主，水平紋理次之，小型交錯層理，夾薄層泥巖，厚度0.90m。粉砂巖直接頂中粒砂巖—泥巖—砂質泥巖—泥巖—細粒砂巖—泥巖構成的老頂，厚度為16.5m。煤層之下直接底為厚度0.72m 的泥巖和厚度2.04m 的砂巖。直接底下為砂質泥巖老底，厚度為3.76 m，灰色，厚層狀，波狀層理，夾泥質包體，而其北翼膠帶大巷沿煤層掘進。

3 硐室斷面尺寸效應對圍巖穩定性的影響

3.1 構建數值計算模型

本次數值模擬研究選取摩爾—庫倫模型進行計算，并根據實際情況進行適當的簡化。建立的模型尺寸為長×寬×高=60m×50m×60m，對模型下部和兩邊邊界進行約束。上部邊界為自由邊界，其施加的力等同于上覆巖層的重量，則垂直應力按深度480m、容重25kN/m3計算，得出為12MPa，水平側壓系數為0.8。模擬采用Mohr-Coulomb 屈服準則。此次模擬中所選取的主要物理力學參數表如表1 所示。

表1 巖石力學參數表

數值計算模型如圖1 所示。

圖1 數值計算模型示意圖

3.2 硐室斷面面積對圍巖穩定性影響分析

硐室圍巖穩定性存在明顯的尺寸效應，為研究硐室斷面尺寸對圍巖變形、應力及塑性區分布特征規律的影響，共建立4 個矩形硐室模型。硐室尺寸如表2 所示。

表2 硐室模擬尺寸

為分析巷道開挖后巷道圍巖塑性區分布及位移變化，只考慮巷道開挖后沒有支護情況下巷道斷面變化對巷道穩定性的影響。

3.3 圍巖塑性區分布規律研究

硐室周邊圍巖在開挖初期，或后期變形過程中，產生了新的裂隙以及離層破碎，導致硐室圍巖體處于較小承載狀態的區域逐漸擴大，圍巖逐漸處于屈服、破碎甚至松散的狀態，淺部圍巖在屈服后產生塑性變形，形成塑性區。不同硐室斷面情況下圍巖塑性區的分布規律如圖2 所示。

圖2 不同斷面硐室圍巖塑性區發育規律

由圖2（a）～（d）可知：巷道開挖后頂底板及兩幫淺部圍巖首先發生破壞，破壞形式主要以剪切破壞為主，淺部圍巖出現拉伸破壞。不同尺寸下硐室圍巖塑性區分布形態基本一致，整體上呈現出兩幫大于頂底板的分布狀態。隨著硐室尺寸的增大，硐室周圍塑性區的分布范圍和擴展深度逐漸增大。其中方案一頂、底板及兩幫塑性區擴展深度為0.5m、1.0m 和1.5m；方案二頂、底板及兩幫塑性區發育深度為1.0m、1.0m 和2.0m，并且在巷道幫部出現拉伸破壞；由于巷道在煤層中沿頂板掘進，頂板為相對堅硬的巖層，方案三和方案四塑性區擴展深度變化不大，且兩頂角塑性區相對于中心區域較發育。兩幫的塑性區發育深度隨著巷道尺寸的增大而逐步增加，方案三和方案四的塑性區發育深度分別為2.5m 和3.0m。其中拉破壞的范圍也逐漸增加，兩幫拉伸破壞范圍要大于頂底板。

3.4 圍巖應力分布規律研究

硐室開挖與圍巖變形均是圍巖體釋放應力的過程，硐室淺部圍巖在開挖與變形過程中不可避免地釋放了部分能量。變形量越大，釋放能量越多，導致巖體殘存應力越低，即圍巖殘余強度越低，巖體自承載能力越差。因此，硐室圍巖中低應力區域的大小能夠很大程度上反映圍巖的穩定性狀況。低應力區范圍越大，應力集中區距離巷道表面越遠，代表越深的圍巖發生了變形，可能是產生了新的裂隙，或是巖層結構遭到了破壞。不同硐室斷面情況下圍巖應力分布規律如圖3 所示。

圖3 不同斷面硐室圍巖應力分布

由圖3 可知，硐室開挖之后淺部圍巖出現應力降低區域，不同的硐室斷面應力降低區域的范圍不同。方案一到方案四頂板應力降低區深度分別為1.2m、1.4m、1.7m 和2.3m 左右，兩幫應力降低區深度分別為1.0m、1.3m、1.7m 和2.1m 左右，應力降低區域的面積逐漸增大。應力在兩幫較深處和巷道的四個角形成應力集中區域，且應力值不斷增加。通過垂直應力分布狀況可以看出，隨著硐室斷面的增加，兩幫形成的應力集中區域的范圍和應力集中程度逐漸增大，但增幅逐漸減小，高應力集中區逐漸向硐室兩幫深處轉移。

3.5 圍巖位移變化規律研究

硐室開挖后，硐室圍巖會發生位移變化，而硐室面積的大小不同，圍巖移近量也有較大差異。不同斷面尺寸下，硐室圍巖移近量的變化規律如圖4所示。

圖4 不同斷面尺寸硐室位移變化

由圖4 可知，隨著巷道斷面積的增大，硐室頂底板的移近量和兩幫的移近量均逐漸增大，且兩幫移近量始終大于頂板變形量。當巷道斷面積小于25m2時，巷道頂板和兩幫的位移量相差很小；巷道尺寸超過25m2以后，兩幫淺部圍巖的位移量出現大幅增長，表明此時容易發生煤壁片幫等大變形圍巖失穩情況。

4 主要結論

本文以山東新巨龍能源有限責任公司膠帶輸送機巷超大斷面機頭硐室圍巖穩定性控制技術展開相關研究，主要得出以下結論：

（1）硐室圍巖穩定性以及承載能力與硐室斷面大小有直接關聯。

（2）采用FLAC3D數值模擬軟件模擬研究不同斷面情況下硐室圍巖的塑性區、應力場以及位移場分布規律。研究結果表明：硐室圍巖穩定性有明顯的尺寸效應，隨著硐室斷面尺寸的增大，硐室周圍塑性區分布范圍、兩幫形成的應力集中區域的深度和應力集中程度都呈現增大趨勢，頂底板和兩幫變形量也逐漸增加，同時硐室跨度對頂底板有顯著影響，硐室高度對硐室兩幫影響顯著。

（3）硐室斷面越大，圍巖穩定性越小，支護難度也就越大，為此要加強大斷面硐室的支護強度及力度，以確保硐室圍巖穩定性。