基于數值計算的斷層群小斷面巷道穩定性分析

趙 研，秦洪巖，商佳新

（1.中天合創能源有限責任公司 葫蘆素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.華北科技學院，北京 101601）

巷道支護和穩定性的研究一直是礦山安全生產的永恒課題，在巷道支護過程中會遇到很多復雜條件，給支護帶來困難，在支護設計時要結合巷道的布置方式、巷道地質構造和采煤方法等，更新支護設計方案。我國對巷道支護的研究較多，康紅普院士提出的整套支護方案在山西和陜西等地得到了推廣，應用效果極佳；馬念杰教授提出的支護方案在業界受到廣泛好評，在東北和華北地區的應用廣泛，其對無人支護和自動識別支護的研究較為先進；潘一山教授提出的強力支護設備，在沖擊地壓礦井中的應用得到了廣泛推廣，對沖擊地壓礦井巷道的維護作業十分明顯。本文主要針對過斷層時小斷面的支護設計進行研究，研究方法采用數值模擬方法。

1 小斷面支護設計

塔營煤礦在施工25采區1號皮帶機頭時，需過Fj214正斷層，Fj214正斷層平均落差為12 m，穿過斷層破碎區。下盤小斷面巷道位于3煤內，沿底掘進，上盤大斷面巷道位于直接頂泥巖內。皮帶機頭斷層段掘進支護時除了采用臨時架棚支護外，需要采用高強度錨網索聯合支護方案，提高圍巖支護強度，充分發揮巷道深淺支撐層結構的支護效果，維持巷道圍巖的長期穩定。皮帶機頭幫頂采用高預應力讓壓錨桿+雙鋼筋托梁+金屬經緯網+錨索聯合支護，具體支護參數如圖1所示。

圖1 小斷面巷道支護設計Fig.1 Support design of small section roadway

2 模型建立

采用FLAC3D數值模擬軟件進行模擬研究，根據礦井參數建立數值模擬模型，模型尺寸為X×Y×Z=60 m×10 m×50 m，圍巖模型如圖2所示，模型網格圖如圖3所示。模擬過程中嚴格按照支護方案和現場實踐生產流程進行分析。

圖2 小斷面巷道圍巖模型Fig.2 Surrounding rock model of small section roadway

圖3 模型網格劃分Fig.3 Model grid division

3 小斷面巷道穩定性分析

3.1 巷道圍巖的穩定性分析

巷道圍巖位移監測結果如圖4所示，可知施加支護后圍巖變量明顯降低，逐漸趨于水平。巷道圍巖變形穩定后，巷道兩幫變形量較大，左幫變形量較大，為97.7 mm，頂板下沉量明顯大于底板鼓起量，頂板位移量為76.6 mm，底板位移量為23.8 mm。巷道圍巖位移的模擬結果如圖5所示。

圖4 巷道圍巖位移監測Fig.4 Displacement monitoring of roadway surrounding rock

圖5 巷道圍巖位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of roadway surrounding rock

可以看出，巷道兩幫變形明顯大于巷道頂底板，巷道圍巖的最大變形量處于巷道左幫中部，其次為巷道右幫。

巷道圍巖最大主應力云圖如圖6所示。可看出巷道圍巖最大主應力極值點位于巷道左右兩幫，距離巷道表面距離約為5.5 m，應力極值為18.48 MPa，應力集中系數為1.39，而巷道兩幫圍巖淺部最大主應力最小，僅4.11 MPa。巷道圍巖最小主應力云圖如圖7所示，巷道的塑性區分布如圖8所示。從最小主應力圖和塑性區分布圖可以看出，巷道頂板和兩幫圍巖的應力狀態明顯好于巷道底板。巷道底板拉應力區域較大，底板拉應力極值最大，為0.21 MPa。巷道圍巖主要發生塑性剪切破壞，其中，兩幫圍巖剪切破壞范圍較大，剪切塑性區的最大厚度為5.5 m，而頂板剪切塑性區次之，最大厚度為2.6 m，底板圍巖塑性破壞區最小，為0.4 m，而巷道淺部圍巖發生塑性拉伸破壞，拉伸塑性區的厚度為0.2~0.4 m。

圖6 巷道圍巖最大主應力云圖Fig.6 Maximum principal stress nephogram of roadway surrounding rock

圖7 巷道圍巖最小主應力云圖Fig.7 Minimum principal stress nephogram of roadway surrounding rock

圖8 巷道圍巖應力狀態Fig.8 Stress state of roadway surrounding rock

3.2 支護結構穩定性分析

巷道掘支后的錨桿受力分布如圖9所示，巷道兩幫錨桿受力明顯大于巷道頂底板錨桿，其中，巷道兩幫局部錨桿軸力達到其極限荷載，發生斷裂破壞。頂板中部錨桿軸力最小，為54.5 kN，向兩幫逐漸增大，達到錨桿極限荷載，應該加強兩幫的支護強度。

圖9 錨桿支護受力情況Fig.9 Stress condition of bolt support

頂板錨索的受力分布如圖10所示。從圖中可以看出錨索將頂板深部與巷道淺部巖體相連，能夠限制深部圍巖離層變形，支護效果較好。在巷道頂板錨索兩端受力較小，中間較大，錨索最大軸力為357.1 kN，小于錨索抗拉極限。

圖10 頂板錨索軸力分布Fig.10 Axial force distribution of roof anchor cable

4 結 論

（1）根據塔營煤礦皮帶機頭的工程地質條件，結合深部軟巖巷道圍巖深淺支撐層結構的理論分析，設計錨網噴索聯合支護方案，圍巖應力得到改善，淺支撐層厚度較小，而深支撐層內圍巖應力分布較均勻，充分調動了圍巖的承載能力。

（2）小斷面巷道處于3煤中，兩幫變形較為明顯，頂底板圍巖穩定性較好，頂板錨索受力較為合理，而兩幫部分錨桿接近其極限荷載。