大跨度软岩巷道矿压显现规律研究

张毅 罗荣 周横全

摘 要：以贵州省回归煤矿轨道下山为工程背景，通过巷道变形量现场实测和数值模拟，分析了大跨度软岩巷道矿压显现规律和变形破坏特征。

关键词：大跨度；FLAC；软岩巷道；矿山压力

1 工程背景

近年来，国家及地方相关部门相继出台了一些關于推进煤矿机械化开采的政策及意见。2010年，国家安全监管总局、国家煤矿安监局、国家发展改革委、国家能源局联合发文《关于推进煤矿机械化的指导意见》，意见中明确指出煤矿必须大力实施安全技术改造，不断提高机械化程度。煤矿机械化程度的提高，必然对巷道断面特别是巷道跨度提出越来越高的要求。加之目前贵州省煤矿开始过渡到深部开采，矿山压力增大，原有支护方式支护效果不甚理想或虽基本满足要求但阻碍了或不利于机械化开采顺利实施。因此，在目前政策要求情况下，如何在顺利推行机械化开采的同时又使巷道支护满足安全开采要求，已是摆在煤矿技术人员面前亟待解决的一个问题。[1-2]

回归煤矿生产能力为90万t/a，面积27km2。为一套海陆交互相含煤碎屑岩沉积。以细碎屑岩为主，夹煤及石灰岩。砂岩最多，一般50%左右，粉砂质泥岩、泥岩37%，煤层8.2%，灰岩4.6%，产腕足类化石和植物化石，厚度97.16～119.81m，平均108.09m。含煤8～12层，其中可采煤层2层，即9、15号煤层，与下伏地层茅口组呈假整合接触。

该矿轨道下山布置于9煤和15煤之间的粉砂岩中，掘进宽度5.0m，墙高1.8m，最小埋深约170m，最大埋深约400m，设计长度320m，现已掘进约270m。此巷道围岩条件均较差，局部分布有小断层地层围岩破碎变形很严重，现场使用的支护方式已无法控制围岩变形，巷道出现尖顶、片帮、严重底鼓、锚杆出露甚至拉断等。

2 软岩类型分析

由轨道下山已掘部分的情况并参考地质资料可知，巷道所处岩层构造节理、裂隙发育，破碎带宽度为0.2m左右，矿区内虽未发现断距大于30m的断裂构造，但小断层分布较多，因此可以确定轨道下山属于节理化程度严重型软岩巷道。

本矿轨道下山围岩抗压强度均远小于25 MPa，因此本矿不属于高应力软岩。由何满潮《软岩工程力学》第18页表2-7“软化程度分类表”可知本矿轨道下山在软化程度上均属于超软化软岩，工程力学状态以膨胀、扩容为主，该表也给出了“全断面锚网喷+关键点锚索”的支护建议。[3]

3 位移观测

采用“十字法”观测整理，得到两帮、顶底板四向监测数据，作轨道下山变形位移相对移近量曲线图和位移速度曲线图如下所示。

由上述统计结果知，支护完成后至观测完45天时，轨道下山变形速度基本趋于稳定。巷道顶板和底板收敛量平均分别为63.6mm和43.3m，左帮和右帮平均分别为43.1mm和42.2mm，巷道顶、底板收敛速度分别逐渐稳定在1.0mm/d左右和0.6mm/d左右，左帮和右帮收敛速度均逐渐稳定在0.3mm/d左右。四向监测数据中，顶板移近量远大于其它三向数据；收敛速度稳定后，顶板移近速度亦较大，为两帮移近量的三倍以上，顶板移近速度是底板的两倍左右。收敛速度稳定值较高，说明现支护方式效果不理想，以至整体变形量持续增大，矿压显现较为剧烈。

4 数值分析

根据现场参数，采用FLAC3D中的Mohr-Coulomb力学本构模型，建立轨道下山数值模型。模型尺寸为200×200×200 m，共8×106个单元。模型力学边界设定为：x，y方向边界固定，底部全约束；模型顶部边界加载2.0MPa载荷，即等效载荷覆岩自身重量。由轨道下山最大主应力云图可知，轨道下山在开挖后顶底板产生的矿压显现现象较为严重，应力集中在两帮和顶板，两个顶角最大，两帮应力集中现象相对较轻。由塑性区图可知，由顶角开始带动顶板整体提前进入塑性破坏状态，并且以剪切破坏为主。

5 结论

结合现场实测数据和FLAC3D数值模拟结果对该矿松软复杂围岩巷道变形破坏特征、软岩巷道围岩变形破坏机理进行了总结，得出轨道下山变形量大、初期变形速度大、变形持续时间长、围岩变形有明显的空间效应以及巷道对应力振动和环境变化非常敏感的结论。

参考文献：

[1]李可.走向顺层软岩巷道非对称锚网索支护优化研究[J].煤，2016，（12）：14-17.

[2]曾佑富.石嘴山一矿深部高应力松软复杂围岩巷道联合支护研究[D].西安科技大学，2006.

[3]何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学.北京：科学出版社，2002.

基金项目：贵州理工学院大学生创新训练项目（201614440059）