廢棄礦井巷道圍巖蠕變穩定性分析*

胡昌順 李 寧 楊彥群

（1.安徽理工大學土木建筑學院；2.安徽理工大學礦業工程學院；3.山西焦煤集團有限責任公司）

蠕變特性是巖體的重要力學性質之一，其長期強度與工程的穩定性密切相關。隨著我國煤礦不斷向深部開采，高應力、高溫及高水壓力使得開采環境劣化，煤巖體的穩定性進一步降低。近年來，隨著我國煤炭行業供給側改革的不斷推進，中西部地區廢棄礦井數量增加，導致大量的地下空間資源沒有得到充分利用。對遺留地下空間進行儲水、儲油等方式，面臨的最大威脅就是深部復雜地質條件下的煤巖體長期蠕變破壞現象。

近年來國內很多專家對深部巷道圍巖穩定性問題進行了深入研究，并提出了行之有效的支護設計方案。經來旺等［1］通過對軟巖巷道圍巖質點應力狀態進行分析，得到了“強表抑蠕”新原理，并提出雙層網殼錨噴高強支護技術；王衛軍等［2］提出“可接長錨桿+剛性長螺紋鋼錨桿+錨網+W 鋼帶+噴射混凝土”的支護方案；賈曉亮［3］分析了巷道底鼓原理，提出“構筑反底拱+底板注漿+底板錨桿”聯合支護方案；丁增等［4］通過蠕變試驗與數值分析，得到深部巷道蠕變機理；崔巍等［5］提出了“錨索+錨桿+噴射混凝土+注漿”聯合支護方案；吳標等［6］通過分析原支護情況下巷道變形及破壞機理，提出錨桿錨索+二次錨注耦合支護方案；譚文兵等［7］對巷道采用不同支護方式進行模擬，得到優化錨網噴支護方案。然而考慮不同支護結構下的深部高地應力巷道蠕變作用數值模擬研究則較少。對于廢棄礦井地下空間利用，特別是儲水、儲油及儲氣等利用方式，需要圍巖在長時間的服務期內保證穩定，因此對廢棄礦井大巷進行蠕變下的變形分析及支護模擬尤為關鍵。通過研究深部巷道圍巖蠕變破壞的機理和規律，進而采取合理的支護措施保證巷道空間的穩定安全，最終建立可靠的地下空間再利用方案。

本文以某廢棄礦井深部-650 m 的水平巷道為背景，通過數值模擬分析錨桿+預應力錨索+襯砌組合、錨桿+預應力錨索+鋼拱架組合和襯砌3 種支護環境下的圍巖受力和支護結構協同變形過程，對深部巷道圍巖蠕變效應下支護穩定性進行研究，為廢棄礦井地下空間安全利用提供理論依據。

1 數值模擬過程

1.1 巷道蠕變破壞分析

對于廢棄礦井大巷儲水等利用形式，巷道破壞的因素應主要考慮巖體的長期強度和安全強度。巖石的蠕變曲線如圖1所示，如果圍巖應力值低于安全強度，則不會發生蠕變，如曲線b所示；若在接近長期強度的較高應力值下，則發生不穩定蠕變，變形發展迅速直至破壞，如曲線c 所示；當應力值在安全強度和長期強度之間時，如曲線a 所示，則首先發生OA段圍巖的短期變形響應，包括彈性和塑性變形。然后產生AB和BC2 個區段的衰減和穩態蠕變［8-10］。因此，對于廢棄礦井大巷來說，通過不同的支護組合設計使得圍巖處于曲線b 及曲線a 的前2 個階段，則能夠很好地對圍巖蠕變進行控制，保證地下空間長期利用的安全和穩定。

1.2 數值模擬模型與參數確定

根據現場的鉆孔綜合柱狀圖，得到巷道周邊巖層的力學參數如表1所示。最終建立如下數值模型：尺寸為30 m×10 m×29 m，共劃分了69 600 個單元格，由上至下模型分為6層，各層厚度由上至下依次為4，3，3，8，1.5，9.5 m。

依據工程實際環境，巷道及其所在巖層為泥巖，其能夠體現較強的蠕變特性，故采用Burgers-Mohr本構模型研究巷道所在巖層的圍巖蠕變變形破壞機理，其中Kelvin 體彈性模量及Maxwell 體彈性模量分別取2.5 GPa 和1.6 GPa，黏性系數分別取730 GPa·h和220 GPa·h。其余各巖層性質因蠕變效應不明顯，故采用摩爾-庫倫本構模型進行模擬。

?

1.3 支護方案確定

本計算模型中支護結構采用FLAC3D內置liner、cable 及beam 單元。錨桿+預應力錨索+襯砌支護方案布置方式：頂板以及左右兩幫中部沿縱深布置排間距為1 m、長度4 m 的錨桿，巷道左右幫部與半圓拱交界處沿縱深布置排間距1 m、長度10 m、預應力為90 kN 的錨索，巷道表面采用襯砌支護。錨桿+預應力錨索+鋼拱架支護方案布置方式：沿縱深布置排間距1m 的鋼拱架，并在頂板和左右幫中部沿縱深布置間距1 m、長度4 m 的錨桿，幫部四角處沿縱深布置排間距1 m、長度10 m、預應力為90 kN的錨索。襯砌支護方案布置方式：巷道表面采用襯砌支護。

2 模擬結果分析

2.1 圍巖變形分析

選取2 a時間窗進行分析，對拱頂、左幫中點及左部交界處進行位移和應力監測，得到2 a 后巷道蠕變變形情況、3 種支護條件下的水平及豎直方向位移云圖（圖2、圖3），進而反映出長期蠕變后圍巖的受力情況。

從圖2 可知，巷道水平位移云圖左右對稱，在襯砌支護方案下，幫部與交界處蠕變量為30～40 cm，水平位移在幫部表面對稱擴散。在錨桿+預應力錨索+襯砌支護條件下，幫部與交界處蠕變量為5～10 cm，兩幫部圍巖位移變形分布呈弧形對稱特點。在錨桿+預應力錨索+鋼拱架支護條件下，位移量過大，說明巷道已完全失穩破壞，故不做分析。

從圖3 可知，在2 a 蠕變過程中存在巷道拱頂下沉和底鼓的現象。在襯砌支護方案下，拱部蠕變量為15～17.9 cm。在錨桿+預應力錨索+襯砌支護方案下，拱部蠕變量為2～3 cm。相比之下，錨桿+預應力錨索+襯砌支護的支護效果更好，頂底板整體的位移量相對襯砌支護較小，巷道表面位移量較為均勻。

綜上所述，3種支護方案在2 a時間窗的蠕變作用下，圍巖變形的控制效果對比鮮明。作為純剛性的襯砌支護未能很好地控制變形，而錨桿+預應力錨索+鋼拱架支護雖有錨桿和錨索材料的加強支護，但仍未達到理想效果。錨桿+預應力錨索+襯砌支護能夠很好地控制圍巖的變形，實現地下空間的長期利用。

2.2 圍巖應力動態分析

雖然在廢棄礦井地下空間利用過程中，由采動引起的大范圍應力重分布不再發生，但是蠕變過程引起的圍巖小范圍移動及造成的應力重分布依然存在。圍巖的應力水平決定了蠕變的速率及巷道是否會發生失穩。因此，本模擬得到了蠕變2 a 后的垂直和水平方向應力云圖（圖4、圖5）。

從圖4 可知，隨著蠕變的開始，巷道變形量出現了明顯的增大，應力也得以釋放，各支護方式下的應力分布都有不同程度的變化。襯砌支護方案在巷道拱部表面存在較高應力集中現象；錨桿+預應力錨索+襯砌支護方案在巷道附近應力分布較均勻，蠕變期間巷道圍巖應力均為壓應力且狀態穩定；錨桿+預應力錨索+鋼拱架支護在巷道圍巖表面存在部分拉應力，極易產生拉破壞。此結果也驗證了鋼拱架支護方案產生過大變形而破壞的情況。

從圖5可知，支護結構使得巷道所處巖層范圍內水平應力更加均勻。但錨桿+預應力錨索+鋼拱架支護的應力狀態并不穩定，與垂直應力一樣出現一定范圍拉應力，進而造成了較大的位移。

綜上所述，蠕變過程中淺部圍巖首先破壞，然后集中應力向深部圍巖轉移。從襯砌支護的應力分布可以看出，單一的支護材料并不能充分抑制蠕變，錨桿+預應力錨索+鋼拱架支護在左右幫部也未能有效控制應力狀態。而錨桿+預應力錨索+襯砌支護則削弱了應力集中現象，改變了支護體的力學性質，有效控制了圍巖的大變形。

2.3 圍巖蠕變過程分析

3 種支護方式的頂板點、交界點、左幫點的位移、應力、最大主應力與最小主應力的差值情況如圖6～圖8 所示。從圖6、圖7 可以看出，襯砌支護與錨桿+預應力錨索+襯砌支護位移曲線變化趨勢為先增大后趨于平穩，蠕變速度也趨于平緩，與其監測的應力曲線相對應，其中錨桿+預應力錨索+襯砌支護最為平穩。錨桿+預應力錨索+鋼拱架支護由于支護強度的不足以及長期蠕變影響，巖層逐漸由彈性轉變為塑性，最終導致巷道失穩。從圖8 可以看出，巷道蠕變動力取決于最大主應力與最小主應力差值（σ1-σ3）的變化，隨著蠕變時間的增加，錨桿+預應力錨索+襯砌支護最大主應力與最小主應力差值在部分監測點已為零，襯砌支護的最大主應力與最小主應力差值雖不為零，但差值非常小，保持在長期強度與安全強度之間，巷道發生可控的穩定蠕變。錨桿+預應力錨索+鋼拱架支護中σ1數值劇增，σ3數值降低至很小數值，導致圍巖一定范圍內的（σ1-σ3）變得很大，超過其長期強度值，蠕變過程可能以加速方式直至破壞狀態，且荷載越大其失穩過程越快。

3 結 論

（1）襯砌支護和錨桿+預應力錨索+襯砌組合支護能夠較好地控制巷道圍巖蠕變變形速率，使之進入衰減蠕變階段。而錨桿+預應力錨索+鋼拱架支護由于應力集中難以轉化，使得圍巖后期產生加速蠕變。

（2）深部廢棄礦井巷道在利用過程中的穩定性主要在于不同種類圍巖支護結構的選擇。對于抑制深部巷道蠕變不能只在乎支護材料的剛度問題，同時需要關注不同支護結構的耦合，從而控制高應力轉換，讓最大和最小主應力差值得以在一定范圍之內，做到剛柔結合。

（3）廢棄礦井巷道的長期穩定性保證了地下空間的利用效率及安全性。采用優化的支護方案能夠有效降低蠕變動力，使其發生穩定蠕變，從而能夠更好地監測與控制圍巖的變形。