大斷面軟巖巷道穩定性研究與控制

郭凱明

（山西陽泉煤業集團有限責任公司五礦，山西 陽泉 045209）

1 工程背景

陽煤五礦五采區南回風巷斷面為直墻半圓拱形，巷道寬5.0m，高4.10m，直墻高1.6m。巷道開口位置在南翼回風巷現停掘位置，沿13°下坡施工。巷道地質條件多變，掘進過程中穿越泥巖時，由于巷道斷面大，巖性較為松軟，加之圍巖裂隙發育，導致巷道變形嚴重，巷道整體穩定性差，需優化原有巷道支護方案。

2 數值模型建立

根據五采區南回風巷地質條件建立二維數值模型，巷道平均埋深420m，模型尺寸為（長×寬×高）40×40×1m。模型上表面與左右邊界分別施加相應埋深的垂直與水平應力，模型左右邊界與下表面分別固定水平與垂直位移。巷道開挖采用空單元模型進行模擬，數值計算基于摩爾-庫倫破壞準則。建模選用的圍巖力學參數如表1 所示。

表1 圍巖物理力學參數

3 應力分析

為研究大斷面軟巖巷道的變形機理，分別模擬不同巖性巷道開挖后的圍巖應力分布。在數值模型中巷道頂板與幫部分別布置10m 的測線，測線中每0.5m 布置一個測點，分析垂直應力與水平應力的分布情況。

3.1 垂直應力分析

泥巖巷道開挖后，巷道兩底角與拱角應力集中現象顯著，垂直應力最大值分別為6.38MPa 與4.21MPa。圖1、圖2 為巷道開挖后頂板及幫部的垂直應力曲線。由應力曲線變化趨勢可知，巷道開挖后，圍巖原有的應力平衡被打破，由開挖前的平面應力狀態轉變為開挖后的單軸應力狀態。根據巷道圍巖的受力狀態可分為三區：應力降低區、應力集中區、原巖應力區。

頂板垂直應力隨著距頂板距離的增加而增大，巷道巖性為泥巖時，應力由0.63MPa 增加至距頂板10m 處的9.31MPa。隨著巷道巖性強度的降低，巷道的應力降低區范圍隨之增大，距巷道頂板5m 時，垂直應力由9.67MPa 減小至7.73MPa。由巷幫垂直應力變化曲線可知，巷道巖性為泥巖時，垂直應力由4.19MPa 增加至距巷幫2m 處的12.27MPa，隨著距兩幫距離的繼續增加，垂直應力逐漸趨于原巖應力。巷道巖性由灰巖變為泥巖，應力降低區范圍增大，應力集中區的應力峰值降低，由17.73MPa 降低至12.72MPa。

圖1 不同巖性頂板垂直應力分布

圖2 不同巖性兩幫垂直應力分布

3.2 水平應力分析

泥巖巷道開挖后，巷道兩底角與頂角應力集中現象顯著，水平應力最大值分別為6.24MPa 與5.07MPa。圖3、圖4 為巷道開挖后頂板及幫部的水平應力曲線。水平應力隨著距頂板距離的增加而增大，頂板水平應力由4.95MPa 增加至峰值17.58MPa（距頂板3m 處），隨著距頂板距離的繼續增加，水平應力逐漸減小，并最終趨于原巖應力。隨著巷道巖性強度的降低，應力降低區范圍增大，應力集中區的應力峰值降低，由23.52MPa 降低至17.28MPa。巷幫水平應力隨著距巷幫距離的增加而增大，巷道巖性為泥巖時，垂直應力由0.38MPa 增加至距巷幫10m 處的11.8MPa。巷道巖性由灰巖變為泥巖，巷道的應力降低區范圍隨之增大，距巷道兩幫5m 時，水平應力由11.26MPa 減小至9.04MPa。

圖3 不同巖性頂板水平應力分布

圖4 不同巖性兩幫水平應力分布

3.3 塑性區分析

圖5 為不同巖性巷道開挖后的塑性區分布。如圖可知，巷道巖性為灰巖時，巷道附近塑性區主要表現為拉伸破壞，隨著巷道巖性強度的降低，巷道附近破壞形式變為拉剪破壞，巷道塑性區范圍逐漸增大，由灰巖的8.92m2增加至泥巖時的62.57m2，塑性區范圍與上文應力分布規律一致。

圖5 巷道塑性區分布

4 巷道支護優化

4.1 支護方案

結合上文數值模擬的分析結果，對五采區南回風巷支護方案進行優化，支護方案如圖6 所示。巷道開挖后，巖體中應力平衡破壞，圍巖卸荷軟化，由于巷道斷面大，圍巖巖性較軟，裂隙發育，進一步降低了圍巖承載能力，使得巷道有效跨度增加。因而巷道頂板采用全錨索支護，將錨索錨入巷道上部穩定巖層，有效控制頂板變形；兩幫采用錨網支護，增加兩幫的承載能力，對巷道形成有效支撐，保證巷道整體穩定。

（1）拱部支護

每 排 正 頂 打 注3 根Ф17.8mm×5200mm 錨索，錨索采用Ф17.8×5200mm1×7-17.8-1860 型鋼絞線，錨索間排距1000mm×1000mm。錨索使用300×300×12mm 的可調心拱形托板，錨索初始張拉不低于230kN，錨索端頭外露150～250mm，錨固長度1100mm。 拱部兩側各布置2 根Ф20mm×2400mm 麻花鋼錨桿支護，錨桿材質為Q235 圓型鋼，錨桿間排距900mm×1000mm。錨桿錨固力應大于74kN，扭力矩應大于200N?m，錨桿端頭外露10～50mm，錨固長度800mm。

（2）兩幫支護

每幫各布置2 根Ф20mm×2400mm 麻花鋼錨桿支護，錨桿材質為Q235 圓型鋼，錨桿間排距900mm× 1000mm。錨桿使用150×150×8mm 的可調心拱形托板承載，配套使用可調心球墊和1010尼龍減摩墊片。

圖6 優化方案示意圖

4.2 支護效果監測

為驗證優化方案對五采區南回風巷的支護效果，對試驗巷道進行為期90d 的監測，監測巷道開挖后的頂板下沉量與兩幫移近量。巷道頂板下沉量最終穩定在86mm，兩幫移近量穩定在103mm，錨桿、錨索受力較為穩定，試驗巷道的變形得到有效控制。

5 結論

通過數值模擬對五采區南回風巷開挖后應力分布進行分析，得到巷道頂板與兩幫的應力隨距巷道距離的分布曲線，分析不同巖性時巷道開挖后的應力與塑性區分布規律，研究大斷面軟巖巷道的變形機理，并對巷道原有支護方案進行優化。由礦壓監測結果可知，巷道變形得到了有效控制，優化方案可有效保障試驗巷道穩定，并可為相似巷道圍巖穩定性控制提供一定參考。