矿井巷道围岩松动特征模拟实验研究

田忠 李建宁

摘 要：无论是在井下的巷道掘进过程中，还是在地面隧道开挖过程中，围岩的支护都是必不可少的。为了能够更加合理有效的利用支护材料，避免浪费的同时，还要求支护的深度能够达到安全开挖的规范，对于围岩松动范围的圈定就必须满足一定精度。本文设计了不同半径的巷道断面，以Flac3D模拟为主，辅助以电法AGI正演模拟，对巷道围岩松动范围进行实验研究，获得了围岩的位移分布特征及巷道半径与顶板有效位移量的相应关系。

关键词：围岩松动；巷道断面；正演模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.102

0 引言

我国对能源的需求量大，虽然受到能源需求大背景的影响，但煤炭在我国能源结构中的主导地位依然不可撼动。随着采矿深度的增加，巷道开挖过程中所出现的地质问题也在不断增多，受地应力、构造等条件影响所引起的巷道变形[1]、坍塌等安全问题屡见不鲜。因此巷道开挖后其围岩的稳定性问题得到越来越高的重视。

巷道开挖后，围岩应力状态发生显著变化，有可能在巷道周围形成一个破裂区，即围岩松动圈。国内外学者利用多种力学模拟分析软件，如FLAC3D/FLAC2D，MIDAS/GTS ，PLAXIS，ANSYS，ABAQUS等[2-5]，对松动圈进行模拟研究。研究表明，巷道围岩的变形主要来源于松动圈围岩的碎胀变形。因此，围岩松动圈厚度研究是一项意义重大的课题。文章采用数值模拟技术对巷道围岩松动特征进行实验研究，并辅以电法模拟，讨论其不同受力分布及变形特征，为巷道围岩支护技术措施制定提供参考。

1 模拟方案

为了对比研究巷道开挖后松动圈的范围，本文利用Flac3D与电法模拟软件AGI分别进行设计模拟。前者设计半径分别为5m、10m的大断面巷道条件，外边界为100m×100m，其内充填以纯砂岩的两个矩形数值模型（图1），模型参数借鉴淮南张北矿1413（A）工作面的砂岩层岩石力学参数（表1）。监测点的选则上，由于巷道为圆形，所以两侧的围岩变形为对称发育，本文选取的监测点均在中线右侧。

对于电法模拟，设计两条相互平行的测线，其间距为100m，每条测线均布置21个电极，极距5m，巷道所在位置设置为高阻异常，电阻率值为1000Ω·m，为对比明显，背景值即围岩阻值设置为200Ω·m，与Flac3D模拟类似，电法模拟同样设置两个大小不同的巷道，一个半径为5m，另一个为10m。

2 模拟结果与分析

2.1 FLAC 3D模拟结果与分析

模拟结束时，即计算2×104次之后，若最大不平衡应力为0，则围岩应力重新分布完成，模型计算收敛，围岩处于稳定状态，如图3。

模拟结束时通过软件提取如图4～6的模拟结果图，其中图4为两巷道开挖后X方向位移图。从图中可以发现，巷道两侧变形结果具有一致性，因此以下结果分析皆以右侧图示结果为例，其围岩在X方向的位移主要集中在-75°～75°之间。影响范围在30°～75°、-75°～30°两个区间内更为集中。

图5为两巷道开挖后Z方向位移图。图中显示在45°～90°及-90°～-45°范围内Z方向位移较为明显，巷道下方区域的位移和影响范围比之上部变形明显偏小。同时将图4、5中的（a）与（b）对比发现，对于半径为10m的巷道，X方向的最大位移是5m半径巷道围岩的位移量的1/2～1/3；而Z方向的位移量及影响范围前者均为后者的2～3倍。

图6为围岩变形梯度云图，图中表明围岩变形量较大的区域主要集中在-90°～-45°及30°～90°的范围内。巷道上部围岩产生的运动变形明显大于其底板，底板也将产生明显变形，但产生最大变形的区域明显小于顶板一段距离。

从图6中显示围岩变形量最大的位置为圆形巷道的正上方，为了确定巷道的开挖对围岩的最大影响半径以及变化趋势，除了提取各监测点的X、Y方向的变形量之外，另外增加了两条巷道上方监测点的个数。

图7（a）、（b）为巷道顶板不同高度处的位移变化情况，对于小半径的巷道而言，作为整个圆形巷道松动范围及变形量都最明显的区域，顶板在松动范围内的最小值趋于10mm，大半径的巷道，最小值趋于30mm。因此，在松动圈内，大半径的巷道围岩位移量最小值为小半径的2～3倍。

2.2 电法模拟结果与分析

图8为模拟断面的电阻率分布情况，根据电阻率值大小可得出，在垂向上，阻值大于100Ω·m在（a）中的范围在50～30m之间，在（b）中的范围在50～15m之间，大致相当于各自半径的3～4倍。由于电法模拟中无法施加应力场，模拟结果与实际结果应存在一定的误差，但作为辅助模拟手段，对于变形梯度的展示上与应力模拟的结果具有相当的一致性。

3 结论

（1）利用数值模拟的方法，对巷道开挖后围岩的松动范围进行圈定具有可行性。根据平面方向的位移量及位移梯度，可以有效的圈定出巷道变形较为严重的区域；

（2）Flac3D模拟中可在任意位置设置监测点，本文针对变形最为严重的顶板区域增添监测点，得出其变形量随距离巷道中心长度的变化关系；

（3）电法AGI模拟由于忽略应力场的限制，仅凭电性参数判断松动范围，其效果略差，但对于判断围岩变形梯度上具有一定的效果。

参考文献：

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作者简介：田忠（1988-），男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为工程与环境物探。