深井软岩巷道围岩变形数值模拟分析及控制研究

第7期2019年7月
No.7
Jul.2019山西焦煤科技
Shanxi Coking Coal Science&Technology
•试验研究•
深井软岩巷道围岩变形数值模拟分析及控制研究
李建永
(山西晋城煤业集团勘察设计院有限公司，山西晋城048006)
摘要针对山西省晋东南地区某深部矿井东二南采区轨道大巷变形大难支护问题，采用数值分析方法，分析得出了巷道应力变形规律。

结果显示：巷道变形剧烈的临界深度为800m,深部巷道剪应力在左、右肩达到8.7MPa左右，在距巷道中心0〜5.5m顶部垂直应力急剧增大，且在距巷道中心6~8m达到峰值，巷道顶板塑性区最大为2.6m,左帮和右帮塑性区最大分别为5.2m和5.4m,底板塑性区最大值为6.1m.根据该结果提出了预留围岩变形量让压局部二次喷浆补强工艺技术，工程实践证明，该支护设计有效控制了巷道的强烈变形，取得较好的支护效果。

关键词深部软岩矿井；围岩变形；承载拱；二次补强
中图分类号:TD322文献标识码:B文章编号：1672-0652(2019)07-0037-04
针对深井软岩巷道围岩控制问题,从软岩巷道的变形机理及支护方面，国内外进行了大量研究。

张振全⑴针对深部高应力软岩巷道难以支护的问题，系统分析总结了该类巷道变形破坏特征,并提出了锚网索注联合支护对策。

文献Hl提出了适用于深井软岩的新型复合支护技术体系，使围岩整体稳定性得到显著加强。

文献采用数值模拟方法，基于实际地质条件，模拟了软岩巷道支护方案，得出具体的支护参数，为支护方案提供设计依据。

仅从理论层面难以解决深井软岩巷道大流变、大变形难题，需要结合现场实际采用多种研究手段综合研究解决。

依据山西省晋东南地区某深部矿井的实际工程地质条件，采用数值模拟方法，研究深井软岩巷道围岩变形具体参数,并应用于现场实践。

1工程概况
该深部矿井受到深部高应力环境的影响，井下高应力软岩巷道变形量大，且围岩变形速度较快，严重地制约了巷道的正常使用。

尤其是在受掘进、开采影响下，巷道围岩变形破坏趋势更加显著。

根据现场多点实测巷道断面收缩率统计结果可知，巷道断面收缩率平均值为32%,局部变形破坏严重的地方收缩率高达65%以上。

该矿井井下东二南采区轨道大巷存在长约60m 的某段每年围岩位移变形量高达1.1-1.5m,断面收缩变形率24%〜36%,每隔3个月就需要卧底一次。

井下西二轨道下山段每年顶板下沉量1-5-2.0m,断面收缩变形率37.5%-64.75%.东二南采区轨道大巷标高-790--960m,巷道围岩局部裂隙发育，部分裂隙严重发育地段出现短期滴水的现象，顶板严重下沉，两帮严重收缩，底鼓量也大，巷道围岩整体断面收缩，严重制约矿井的安全生产。

本文根据东二南采区轨道大巷实际地质条件为工程背景，通过研究分析巷道围岩变形破坏机理，以此为基础为后续的巷道支护设计提供参考依据，进而实现深井软岩巷道围岩的良好控制，进而保障后续矿井的安全生产。

2巷道围岩变形数值模拟分析
2.1数值模型的建立
根据井下东二南采区轨道大巷B64地质勘探点实际工程地质条件,适当简化建立FLAG30数值模型，
收稿日期：2019-05-07
作者简介：李建永(1983-)，男，河北邯郸人,2017年毕业于中国矿业大学(北京)，工程师，主要从事煤矿设计和研究工作(E-mail)linshiyoxiang@
•38•L1.I西焦煤科技2019年第7期
所建尺寸为长60mx宽60mx高80m,采用Mohr-型中各岩层参数根据实验室测定数据及现场情况加Coulomb强度准则作为煤岩体材料的屈服判据。

模以修正确定，见表1.
表1各主要岩层力学参数表
岩性黏聚力/MPa密度/g•cm'3体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa摩擦角/(°)
粉砂岩0.6 2.5 1.20.60.629
泥岩0.5 2.40.60.50.3525
细砂岩0.8 2.50.90.750.629
砂质泥岩0.5240.850.60.527
粉细砂岩0.8 2.5 1.00.80.627
所建模型左、右两侧边界采用水平位移约束，底部边界水平和竖直方向约束，在模型上部边界根据不同埋深情况施加相对应的均布载荷替代上覆岩层的重力效果，取重力加速度为9.8m/s2.
2.2模拟结果分析
数值模拟研究了500m、600m、700m、800m、900m和1000m等6种不同埋深情况下巷道围岩中垂直应力和水平应力的变化规律，并计算得到了巷道围岩中变形破坏的塑性区范围变化情况。

2.2.1巷道围岩顶部应力分析
对不同埋深的巷道围岩进行数值模拟运算，其对应的巷道围岩顶板垂直应力分布随采深变化情况见图1.由图1可知，不同埋深的巷道围岩顶板均在巷道中心线位置处垂直应力最小，且在距离巷道中心线0〜5.5m随着距离的递增垂直应力逐渐增大，之后垂直应力趋于稳定而处于原岩应力状态，整体变化呈现出以巷道中心线为对称轴的倒漏斗形状。

随着巷道埋深的递增，顶板中对应的垂直应力整体上也递增。

图1巷道顶板垂直应力分布图
东二南采区轨道大巷埋深800m左右，巷道整体承受垂直应力较大，巷道左右侧垂直应力近似对称分布，两帮向外5m附近垂直应力集中程度最大，支护结构承受较大的集中应力作用，右帮垂直应力与左帮近似分布。

在巷道顶部和底角附近形成较大的应力升高区，围岩产生应力松弛，并伴随拉应力破坏，支护结构不能有效阻止应力破坏，使巷道整体支护结构失效。

在巷道两肩和两底角一定距离处均出现剪应力集中区，且剪应力在左、右肩深部围岩应力达到8-7MPa,左、右侧底角区域由于围岩变形破坏严重，形成了剪切破坏后的低应力区，巷道顶部及两侧底角处成为支护最薄弱处，巷道由底角破坏引发整体失稳。

综上所述可知，巷道顶板中垂直应力大小与巷道埋深呈正比例关系，且在距离巷道顶板中心线两侧5.5m范围内垂直应力存在急剧变化的规律。

2.2.2巷道围岩帮部应力分析
对不同埋深的巷道围岩进行数值模拟运算，其对应的巷道围岩帮部垂直应力分布随采深变化情况见图2.由图2可知，巷道帮部垂直应力在距离巷道中心线0~1.5m随着距离的递增垂直应力逐渐增大，之后垂直应力趋于稳定而处于原岩应力状态，说明巷道两帮0~1.5m围岩呈弹-塑性状态,是需要重点控制的范围。

由图2可知，随着巷道埋深的递增，巷道围岩帮部对应的垂直应力整体上呈递增趋势。

根据帮部受力特点分析可知，当采深超过800m后，应力呈现较大的变化，因此,800m埋深是巷道围岩急剧变化的临界采深。

东二南采区轨道大巷埋深平均在800-900m,有必要针对性进行加强支护。

2.2.3巷道围岩塑性区分析
塑性区分布范围变化见图3.由图3可知，巷道围岩剪切破坏区、
拉伸破坏区均随着采深增加而增
2019年第7期李建永：深井软岩巷道围岩变形数值模拟分析及控制研究
• 39 •
距巷道中心距离/m
8 -,6 严-? ? ?寸 ° §
*500 m 必00 m -^700 m ^-800 m —900 m 4 000 m
图2巷道帮部垂直应力分布图
单体锚索dl 7.8厶=8 300
螺纹钢锚杆d22 厶=2 600~7
卄
螺纹钢锚杆血t=50 i
I
______!__ -——-—I ——
3 800
L=2 600-----di
卜强锚索d22/.=5 30()
卄
大，且在埋深大于800 m 后急剧增大，因此800 m 埋深为一拐点。

东二南采区轨道大巷埋深超过
800 m 时，巷道表现为变形严重及维护困难，800 m 为岩巷变形严重的临界埋深值，因此东二南采区轨 道大巷支护需要研究新的支护体系。

!.5
拉伸破坏
―剪切破坏‘6.<
2.75-66.68
9080706050403020100
电、駆庖凶犁劇昼缺起<3
1
700 巷道埋深/m
-0.5 4=!_ 0曲
1 000
图3塑性区分布范围变化图
模拟结果显示800 m 埋深巷道周围呈现巨大塑
性破坏区，巷道顶板塑性范围为2.6 m,左帮和右帮 塑性区分别为5.2 m 和5.4 m,同时巷道右侧底角 处岀现剪切破坏区，拉、剪复合破坏区大范围扩展
造成了巷道的破坏，巷道底板塑性破坏达到最大值 为6. 1 m,由于巷道受应力和渗流水影响相互叠加
作用，使塑性区大范围扩展，巷道帮顶及底板区域
均具有破坏性质，进而造成巷道支护结构失效，导
致巷道失稳。

3工程控制效果分析
根据数值分析结果，在大量实际矿压观测基础
上，研究得出了适合该矿软岩巷道支护技术参数及 体系，即预留围岩变形量让压局部二次喷浆补强工 艺技术。

支护工艺参数见图4.
采用预留变形量让压局部二次补强锚网索联 合承载拱支护技术后，围岩的变形过程平缓，并逐 渐趋于稳定。

巷道观测点顶底板位移量最大值为
56 mm,两帮位移量最大值为22 mm,巷道整体呈现
图4东二南采区轨道大巷支护断面示意图
为稳定状态，变形极为缓慢，顶底与两帮的变形量
都在可控范围之内，巷道断面可以满足正常使用要
求，保证矿井安全运输及高效开采。

东二南采区轨道大巷支护方案改进前后的巷
道围岩应力环境数值模拟结果见图5.由图5可知,
支护方案改进后，巷道围岩应力环境要明显好于原 有的支护方案，巷道顶板、两帮和底板中的垂直应
力集中明显降低，有利于巷道的长久维护。

-5.65x106
-1.75x10°
a ）原支护
-4.10X106-5.00X106-7.70x10"
b ）改进后支护
图5东二南采区轨道大巷支护改进前后数值模拟结果图
4结论
1）随巷道埋深增加，巷道围岩垂直应力分布呈 圆筒状近似对称分布，顶板及底板出现拉应力区,
•40•L1.I西焦煤科技2019年第7期
其范围随采深增加而增大，埋深超过800m时巷道塑性区破坏范围明显增大，变形破坏程度加大。

2）巷道两帮垂直应力近似对称分布，两帮外5m附近出现较大垂直应力集中，剪应力在左、右肩深部围岩应力达到8.7MPa左右，在距巷道中心0〜5.5m顶部垂直应力急剧增大，且在距巷道中心6〜8m达到峰值。

3）巷道帮部水平应力距巷道中心0〜1.5m急剧增加到最大值。

800m埋深巷道围岩呈现巨大塑性破坏区,巷道顶板塑性范围为2.6m,左帮和右帮塑性区分别为5.2m和5.4m，同时巷道右侧底角处岀现剪切破坏区，拉、剪复合破坏区的大范围扩展造成了巷道的破坏，巷道底板塑性破坏达到最大值为6.1m,此结果可为支护方案设计提供参考依据。

4）结合数值模拟综合分析，得岀适合该矿软岩巷道支护技术参数及体系，即预留围岩变形量让压局部二次喷浆补强工艺技术。

现场支护效果及数值模拟结果表明其对巷道围岩的支护效果良好。

参考文献
[1]张振全.深部高应力软岩巷道围岩应力分析及支护研究[J].煤炭技术,2018,37(6):49-51.
[2]孙晓成，袁奇，申玉三，等.深井软岩巷道新型复合支护技术研究[J].煤炭技术，2017,36(11):31-33.
[3]叶金胜，经来旺，王青成，等.破碎围岩巷道联合支护技术与监测分析[J].煤炭技术,2017,36(6):108-110.
[4]伍永平，黄超慧，来兴平，等.深部软岩特性对底臓的影响与数值模拟研究[J].煤炭工程,2006(10):65-67.
[5]王海涛.大断面回采巷道支护的数值模拟[J].煤炭技术,2018,37(2)=47-49.
Numerical Analysis and Control Study on Surrounding
Rock Deformation in Deep Soft Rock Roadway
LI Jianyong
Abstract Based on the numerical analysis method,the stress and deformation law of the roadway is analyzed by numerical analysis method for the problem of large-scale deformation of the track roadway in a deep mine of Shanxi province・The results show that the critical depth of roadway deformation is at800m deep,the shear stress of deep roadway is about8.7MPa on the left and right shoulders,and the vertical stress increases sharply from0to5.5m from the center of the roadway,and the stress reaches its peak at6〜8m above the center of the roadway.The maxi­mum plastic area is at2・6m for the roof,5.2m and5.4m for two walls respectively,and6.1m for the floor.Based on the research,the technique of preserving the deformation of the surrounding rock to give space for the secondary grouting is proposed・The engineering practice proves that the support design effectively controls the strong deformation of the roadway and achieves better support effect・
Key words Deep soft rock mine；Surrounding rock deformation；Bearing arch；Secondary grouting reinforce­ment。