大埋深大断面硐室围岩变形规律研究

郭顺新

（内蒙古昊盛煤业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

我国西部煤炭资源丰富，矿井生产规模大，对应的巷道断面尺寸越来越大，开采深度越来越深，巷道和硐室围岩变形严重难以控制，给生产带来诸多不利影响。井底车场和硐室开拓空间大，围岩压力大，极易发生冒顶事故[1-2]，大断面硐室使用年限长，支护难度大，对于矿井来说，掌握硐室围岩变形的规律，采取合理有效的支护技术十分必要[3-4]。

1 工程地质条件

石拉乌素煤矿矿井埋藏较深，井底车场布置在2-2煤层底板往下10～15m处，井底车场的埋藏深度在690m左右。本文以石拉乌素煤矿胶轮车硐室的支护为工程背景，研究以该巷道为代表的深井大断面硐室的变形规律。

胶轮车硐室上覆岩层以粗中粒砂岩为主，岩层内部层状节理发育，节理间的间距一般在50～100mm左右。硐室围岩以中、细砂岩为主，含薄层砂质泥岩，巷道顶部岩层较软，岩层内部节理较多，岩体较破碎，强度较低；中部偏上位置岩体较完整，硬度较大；巷道下部分岩体较坚硬，但含节理较多。胶轮车存放硐室为半圆拱形巷道，巷道尺寸如图1所示。

图1 胶轮车存放硐室断面图（mm）

2 理论分析研究

硐室埋深较深，对于此类型硐室所处的地应力条件，简化为静水压力条件，巷道力学模型简化为双向等压圆孔受力分析。岩体力学理论可知，巷道周围最大应力为切应力，巷道自由面处于切向压力状态，巷道深部则逐渐变成三相围压状态。

巷道维护的关键在于改变巷道表面附近围岩的受力状态，增强其承载强度，同时将压力向深部转移，使巷道表面附近处于低压区，因而必须首先研究巷道的极限平衡区范围。

根据岩体力学结论，静水压力条件下，圆形巷道周围的极限平衡区半径为

式中：

R-圆形巷道周围极限平衡区半径，m；

r-巷道半径，m；

γ-岩层平均体积力，25kN/m3；

H-巷道埋深，690m；

C-岩层内聚力，2.4MPa；

φ-岩层内摩擦角，33°。

取胶轮车存放硐室断面半径为3.95m，则其破坏宽度为2.07m。

弹性应力条件下，巷道周围应力与围岩的弹性模量和泊松比无关，但与原岩应力分布和巷道形状密切相关。对于非圆形孔，其拐角处会出现应力集中，故非圆形巷道在拐角处更容易产生破坏；因石拉乌素矿胶轮车存放硐室为半圆拱形巷道，故应力集中导致容易破坏的现象产生在巷道两个底角处。而较长的直线边上容易出现拉应力，对应到本次研究对象，则表现为底板易出现拉应力，有可能产生底鼓。

3 数值模拟研究

3.1 模型建立

本次模拟采用FLAC3D数值分析软件，模拟对象为胶轮车硐室。选用摩尔库伦模式进行计算，岩层软化系数取0.7。模拟过程中使用Cable结构单元模拟锚杆、锚索，Liner结构单元模拟网喷支护，巷道开挖后对其进行支护，锚杆间排距900×900mm，锚索间排距2000×1600mm，喷浆厚度15mm。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 围岩破坏特征

如图2所示，巷道无支护时（a），巷道开挖后，破坏区域向两帮、拱肩和顶底板扩展，但巷道两底角未发生破坏，顶板破坏深度最大达到9.3m，底板破坏区厚度达8.5m。锚喷支护时（b），巷道破坏规律与无支护时基本一致，两底角同样始终未出现破坏，但是破坏深度相对较小，巷道顶板和底板剪切破坏区分别只有7.5m和6.2m，巷道底鼓现象也相对缓和。由此可知，本次支护大大减小了顶底板的破坏区，有效减少了底鼓量。

图2 巷道开挖塑性区破坏情况

3.2.2 围岩变形特征

图3 巷道开挖位移变化情况

图4 巷道开挖位移矢量图

如图3所示，巷道无支护时（a），顶底板位移超过10mm区域（巷道周围无色部分）的厚度均达8m左右，而两帮则达6.3m。巷道支护情况下（b），巷道顶底板和两帮位移量大大降低，巷道顶底板和两帮位移大于10mm的区域厚度分别只有4.4m、7.3m和4.7m。巷道开挖后，以位移等值线为表征的巷道变形影响区域边界，由以巷道为中心的近似圆形逐渐向上扩展为长轴在竖直方向的椭圆形，逐渐形成开放的钟形曲线。巷道正下方位移小于两侧。支护后的巷道，变形量比无支护巷道小得多，而对深部岩体的影响范围则比无支护时小得多。

由图4可知，巷道基本稳定以后，最大水平位移出现在巷道拱形与直墙交接处，而最大竖直位移出现在巷道顶板圆拱最高点。巷道位移最小处为两个底角。支护以后，相同位置位移，无论水平分量还是竖直分量，都比支护以前明显减小。

4 实测研究

图5 巷道围岩变形量及变形速率

巷道自开挖后，巷道变形（顶板、弧形区、两帮）速率由快到慢，最终趋近于0；巷道累计变形量依次为20.9mm、22.0mm、24.1mm，最大变形速率依次为 3.8mm/d，3.9mm/d，4.6mm/d。

受到掘进影响，巷道围岩处于变动状态，硐室表面位移变形量小，巷道围岩得到较好的控制。

5 结论

（1）通过理论分析计算得出巷道围岩一侧破坏宽度1.92m。

（2）巷道开挖后，破坏区域向两帮、拱肩和顶底板扩展，但巷道两底角未发生破坏。巷道无支护时，顶板破坏深度和底板破坏区厚度最大达到9.3m、8.5m，锚喷支护时，破坏区分别仅7.5m和6.2m。

（3）巷道无支护时，顶底板位移超过10mm区域的厚度均达8m左右，两帮则达6.3m，支护后，巷道顶底板和两帮位移量大大降低，巷道顶底板和两帮位移大于10mm的区域厚度分别只有4.4m、7.3m和4.7m。

（4）支护大大减小了顶底板的破坏区，减小巷道累计表面位移，经实测显示支护效果较好，巷道累计变形量依次为20.9mm、22.0mm、24.1mm，满足工程要求。