基于CDEM软岩巷道围岩破坏机理与支护技术研究

马腾飞

(河南理工大学 能源学院，河南 焦作 454010)

·试验研究·

基于CDEM软岩巷道围岩破坏机理与支护技术研究

马腾飞

(河南理工大学 能源学院，河南 焦作 454010)

针对河南焦作方庄煤矿-400 m水平大巷的变形破坏情况，通过分析现场工程条件，结果监测数据和理论分析，研究了软岩巷大巷的破坏机理。根据其变形特点，设计了高强度预应力锚杆锚索支护方案，利用CDEM数值模拟软件，与无支护、锚杆锚索、注浆支护、U型钢、锚杆锚索+喷浆+U型钢等支护进行对比研究。通过CDEM数值模拟软件对方案进行模拟，对模拟结果进行对比分析后得出锚杆锚索+喷浆+U型钢复合支护方案能有效控制软岩巷道变形。

软岩大巷；围岩破坏机理；CDEM数值模拟；复合支护

由于我国对煤炭的长时间大量需求，开采规模不断增大，导致我国简单煤炭赋存区域资源量急剧减少，煤矿的开采转向地质构造复杂的深部。与浅部开采相比，深部开采具有高地应力、高渗透压力、高地温极其复杂的地质构造，岩体强度低，含水量大等特征。且在深部开采中，许多巷道围岩表现出明显的软岩特性。此类巷道用传统的支护方式很难起到支护效果，且巷道围岩极易变形，给煤矿生产带来了很大困难。深部软岩巷道支护已成为我国煤炭开采技术研究的关键问题[1-2].

针对软岩巷道支护，我国学者进行了大量研究与实践。中国矿业大学的陆世良教授等，针对大变形软岩巷道提出了利用 U 型钢支架进行支护的理论，建立了软岩巷道的支架围岩关系，给出了壁后充填支护的原理和方法。郑雨天、冯豫、陆家梁教授等提出了联合支护理论。在预应力锚杆锚索联合支护方面，康红普院士提出了扩容-稳定理论[3-4]. 刘珂铬，孟庆彬针对软岩巷道的具体支护做了一定的研究[5-6].本文基于方庄一矿-400 m软岩大巷围岩变形问题，设计了合理的支护方案，并通过CDEM数值模拟软件对方案进行对比分析，最终得出锚杆锚索+喷浆+U型钢联合支护方案能有效地控制围岩变形。

1 工程概况

方庄一矿-400 m水平大巷为拱形岩巷，巷道埋深约为524 m，位于砂质泥岩层，该岩层上层位岩层是泥岩，下层位岩层是粉砂岩，厚度分别为：泥岩14.59 m、砂质泥岩30.11 m，粉砂岩16.32 m. 在查阅建井时期地质钻孔的同时，又对-400 m大巷进行了钻孔岩心取样实验，通过钻孔取样得出了-400 m巷道顶底板岩性，见表1.

表1 岩层力学参数表

巷道围岩中具有滑面裂隙，层理破碎，层理节理裂隙十分发育，交界面发育炭质软弱夹层，其节理组≥3，岩体体积节理数平均为12～32条/m3，平均间距≤0.2 m，为节理化软岩。从地应力、巷道围岩的物化特征和节理裂隙测试结果分析得出，方庄一矿-400 m大巷具有高应力、节理化和复合型工程地质特征，变形机制复杂。

2 数值模型

CDEM是基于连续介质力学的离散元方法所研究出的一款数值模拟软件，该软件将有限元与离散元进行耦合，在块体内部进行有限元计算，在块体边界进行离散元计算，通过块体内部及块体边界的断裂，不仅可以模拟材料在连续状态下及非连续状态下的变形、运动特性，更可以实现材料由连续体到非连续体的渐进破坏过程。本文采用CDEM 数值模拟软件模拟了软岩巷道开挖后的围岩变形情况以及不同支护方式对巷道支护的效果。

根据大巷的顶底板岩层条件，用GID软件绘制模型图，模型尺寸为长40 m×宽61.02 m，模型共5 822个单元体，以及3 013个结点，模型图见图1，模型各岩层参数参照表1. 模型左右边界限制水平运动，底部边界选择进行固定。模拟埋深为524 m，根据以往方庄一矿的地应力测试结果，垂直应力为15 MPa，水平应力为7 MPa. 岩石的破坏准则采用莫尔-库伦屈服破坏准则。

图1 模型图

本次加固是在开挖荷载完全释放后进行模拟,模拟的步骤如下：

1) 计算初始地应力作用下,围岩的内力和位移。

2) 把围岩所有节点的初始位移,初始化为零。

3) 开挖巷道，并施加不同支护方案及参数,再次求平衡，得到巷道开挖支护后的应力场和位移场,以此模拟加固效果。

3 软岩巷道变形支护方案选择

3.1 支护原则

随着开采深度的增加，巷道支护技术已从被动支护(以工字钢棚、U型钢棚为代表)发展到主动支护(以锚杆、锚索支护为代表)。进入深部开采以后，或在地质构造区域，单纯的主动支护亦无法保证巷道围岩的稳定性。根据目前的研究成果，并结合方庄一矿的具体条件，巷道围岩呈现软岩特征，并经历了多次返修，围岩松动范围大，周围地质构造复杂，有些巷道穿越断层破碎带，初步判断采用主动支护与被动支护协调作用。

3.2 预应力锚杆锚索支护

3.2.1方案选择

为了解单独的高强预应力锚杆锚索支护能否对高应力软岩巷道起到很好的支护，采用CDEM数值模拟软件建立7个模型，分别为30 kN、60 kN、90 kN、120 kN、150 kN、180 kN预应力下的锚杆锚索支护以及无支护下的模型。锚杆规格d22 mm×2 400 mm高强螺纹钢锚杆，间距700 mm：锚索采用d18.9 mm×9 000 mm，间距2 400 mm.

3.2.2巷道围岩位移量分析

不同预应力锚杆锚索支护下围岩最大变形量曲线图见图2. 由图2可知，无支护情况下，巷道顶板最大下沉量为329.7 mm，底鼓量为321.4 mm，两帮位移量为172.8 mm；预应力30 kN的锚杆锚索支护下巷道顶板最大下沉量为165.4 mm，底鼓量为216.1 mm，两帮位移量为107.8 mm；预应力60 kN下巷道顶板最大下沉量为164.7 mm，底鼓量为214.5 mm，两帮位移量为106.7 mm；预应力90 kN下巷道顶板最大下沉量为163.3 mm，底鼓量为212.5 mm，两帮位移量为104.6 mm；预应力120 kN下巷道顶板最大下沉量为163.3 mm，底鼓量为212.5 mm，两帮位移量为104.6 mm；预应力150 kN下巷道顶板最大下沉量为162.6 mm，底鼓量为211.5 mm，两帮位移量为103.8 mm；预应力180 kN下巷道顶板最大下沉量为161.9 mm，底鼓量为210.9 mm，两帮位移量为102.6 mm.

图2 不同预应力锚杆锚索支护下围岩最大变形量曲线图

不同预应力下垂直方向应力分布云图见图3. 由图3分析可知，高强度预应力锚杆支护下，巷道两帮的应力集中区变小，但预应力的大小对应力分布的影响有限。

图3 不同预应力下的垂直方向应力分布云图

高强预应力锚杆锚索支护能够有效地降低围岩变形量，减小应力集中区，但随着预应力的增加，对围岩的控制效果无明显的变化。可知，单独的高强预应力锚杆锚索支护无法有效地解决大巷变形问题。

3.3 不同支护方案选择

依据方庄一矿-400 m大巷的实际条件和支护方案，采用CDEM数值模拟软件建立5个模型，分别为无支护、锚杆锚索、注浆支护、U型钢、锚杆锚索+喷浆+U型钢支护。锚杆规格d22 mm×2 400 mm高强螺纹钢锚杆，间距700 mm，预应力为80 kN；锚索采用d18.9 mm×9 000 mm，间距2 400 mm，预应力100 kN；注浆支护注浆管采用复合注浆锚杆d25.5 mm×3 100 mm，注浆完成后可做锚杆使用；U型钢支架为U36马蹄形封闭支架。模拟模型见图1.

3.4 巷道围岩位移量分析

不同方案下的巷道围岩最大位移量见图4. 由图4可知，在无支护情况下，巷道顶板最大下沉量为329.7 mm，底板最大鼓出量为321.4 mm，两帮最大位移为172.8 mm；采用锚杆锚索支护后巷道顶板最大下沉量为164.1 mm，降低了50.23%，底板最大鼓出量为214.1 mm，降低了33.39%，两帮最大位移为106.0 mm，降低了38.66%；注浆支护下，巷道顶板最大下沉量为235.1 mm，降低了28.7%，底板最大鼓出量为232.7 mm，降低了27.60%，两帮最大位移为112.0 mm，降低了35.19%；U型钢支护后，巷道顶板最大下沉量为255.7 mm，降低了22.44%，底板最大鼓出量为241.5 mm，降低了24.86%，两帮最大位移为76.28 mm，降低了55.86%；采用锚杆锚索+喷浆+U型钢支护，巷道顶板最大下沉量为116.7 mm，降低了64.61%，底板最大鼓出量为132.0 mm，降低了58.93%，两帮最大位移为50.86 mm，降低了70.57%.

图4 不同支护方案下的围岩变形位移图

不同方案下的巷道总位移云图见图5.由图5可知，顶底板的位移成拱形状向外扩散，联合支护下，巷道开挖引起的位移变形量最小，影响范围也最小，支护效果最优。

图5 不同支护方案下的围岩总位移云图

3.5 巷道围岩应力分布分析

巷道开挖后，5种模型垂直应力与巷道拱顶距离之间的关系曲线见图6. 由图6可知，在不同支护方案下，垂直应力的分布情况较为相似，区别在于无支护条件下的垂直应力峰值为15.03 MPa，在距离拱顶26.1 m处；锚杆锚索支护下，垂直应力峰值为15.11 MPa，在距离拱顶18.1 m处；注浆支护下，垂直应力峰值为15.05 MPa，在距离拱顶24.1 m处；U型钢支护下，垂直应力峰值为10.04 MPa，在距离拱顶24.1 m处；锚杆锚索+喷浆+U型钢复合支护下，垂直应力峰值为15.14 MPa，在距离拱顶16.1 m处。以上结果表面，锚杆锚索+喷浆+U型钢复合支护下，由开挖所引起的围岩应力变化范围最小，相对的围岩变形也最小，支护效果最优。

图6 不同支护方案沿巷道拱顶方向垂直应力曲线图

不同支护方案沿巷道拱顶方向垂直应力云图见图7. 由图7可知，U型钢支护下，应力集中，但两帮最大压应力为62.6 MPa，U型支架易被破坏；联合支护下，巷道顶底板压应力较小，且两帮垂直应力集中区很小。因此，采用锚杆锚索+喷浆+U型钢对-400 m软岩大巷进行支护，支护效果最优，能有效地控制围岩变形与破坏。

图7 不同支护方案垂直应力云图

4 结 语

1) 在高应力软岩巷道中，高强度预应力锚杆锚索支护能对围岩的变形起到一定的控制作用，但预应力的增大，对控制围岩变形的影响有限，不能通过对预应力的增大将围岩变形控制在生产允许范围内。

2) 提出了锚杆锚索、注浆支护、U型钢、锚杆锚索+喷浆+U型钢支护4种支护方案。通过CDEM数值模量结果分析，单一的支护方式只能一定程度上控制软岩巷道变形。而锚杆锚索+喷浆+U型钢支护下，巷道顶板最大下沉量降低了64.61%，底板最大鼓出量降低了58.93%，两帮最大位移降低了70.57%，极大地改善了巷道变形情况，提高了巷道稳定性。

[1] 柏建彪，王襄禹，贾明魁，等.深部软岩巷道支护原理及应用[J].岩土工程学报，2008，30(5)：632-636.

[2] 贾文明.深井大断面软岩巷道围岩破坏机理与支护研究.中州煤炭，[J].中州煤炭，2016，(2)：61-63，68.

[3] 康红普，王金华，林健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J].煤炭学报，2007，(12)：1233-1238.

[4] 康红普.我国煤矿巷道锚杆支护技术发展60年及展望[J].中国矿业大学学报，2016，45(6):1071-1081.

[5] 刘珂铭，高延法，张凤银.大断面极软岩巷道钢管混凝土支架复合支护技术[J].采矿与安全工程学报，2017，34(2)：243-250.

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ResearchonFailureMechanismandSupportingTechnologyforSurroundingRockinSoftRockRoadwaysBasedonCDEMMethod

MATengfei

Based on the deformation and failure of -400 m level tunnel in Fangzhuang coal mine in Jiaozuo City, Henan Province, by site observation, data monitoring and theoretical analysis，deformation failure mechanism of deep soft rock roadway was studied in the paper．On the basis of the deformation characteristics, high strength prestressed bolt and net supporting is designed and applied together with CDEM numerical simulation software. Comparison research have been conducted with the no-support, bolt and net support, shotcrete support, U shaped steel frame support and combined support of bolt plus shotcrete plus U shaped steel frame support. The CDEM numerical simulation results shows that the comprehensive support scheme of bolt and net+whitewashing+U shaped steel frame manage the deformation of soft rock roadway.

Soft rock main roadway; Failure mechanism of surrounding rock; CDEM numerical simulation; Compound support

2017-08-01

马腾飞(1984—)，男，河南焦作人，2010年毕业于河南理工大学，工程师，主要从事煤矿开采技术及管理方面的工作

(E-mail)526597909@qq.com

TD353

B

1672-0652(2017)11-0043-05