断面尺寸对巷道围岩稳定性影响数值模拟研究

焦世雄 王文才

（1.内蒙古科技大学矿业学院，内蒙古 包头 014010；2.同煤集团白洞煤业有限公司，山西 大同 037029）

随着白坪煤矿转入深部开采，主斜井不断延深，运输路线越来越长，主斜井运输出现了能力不足、运输成本太高等一系列问题，成为矿井安全、高效生产的主要制约因素。白坪矿研究决定对主斜井进行改造，改变以前一部皮带运输的方式，采用两部皮带对接运输。而采用两部皮带对接运输带来的问题是，一部皮带机头与二部皮带机尾对接处必须采用大断面，才能满足使用要求。从白坪矿现有支护情况看，深部巷道围岩大多呈现高应力软岩特性，尤其是断面较大的绞车房、变电所及交叉点等巷道，维护十分困难，普通锚网索支护已经不足以控制大断面软岩巷道强烈变形。因此，研究巷道断面尺寸对巷道围岩稳定性的影响对保证硐室围岩稳定，实现服务期内不扩修的目标具有重要意义。

1 工程概况

白坪煤矿主斜井改造，改变以前一部皮带运输的方式，采用两部皮带对接运输，将一部皮带机头与二部皮带机尾对接处改造为大断面皮带机头硐室，在小断面的基础上分段刷大，巷道原断面4.8×3.5m，改造后设计断面为11×8.2m。

2 巷道断面尺寸对巷道围岩稳定性的数值模拟

白坪煤矿主斜井皮带机头硐室改造后巷道跨度达到11m，为超大断面巷道，由于其巷道断面特殊性，巷道周围出现的破裂区范围和塑性区范围将明显扩大，严重影响巷道围岩的稳定性。因此，需要重点考虑巷道断面尺寸对巷道围岩稳定性的影响，以下结合FLAC数值模拟软件对巷道断面尺寸影响因素进行了分析。

2.1 建立数值分析模型

根据白坪煤矿皮带机头硐室现有地质采矿条件和数值模拟研究的重点，在有效降低边界效应和保障模拟精度的同时，大幅提高模拟运算速度，建立平面应变模型尺寸为100m×80m，共划分32000个有限差分单元。本模型水平边界为固定边界，上边界为应力边界，受模型计算容量所限，在模型的顶部加11.5MPa的等效载荷，相当于约460m厚的上覆岩层。根据主斜井皮带机头硐室围岩赋存情况得到数值模型主要岩体的力学参数，见表1。

表1 数值模拟模型岩体力学参数

以白坪煤矿的采矿地质条件为基础，综合考虑各方面影响因素，建立如图1所示的数值分析模型，模型的尺寸（长×宽）：100×80m。模型中直墙半圆拱为白坪煤矿皮带机头硐室断面，尺寸为：宽×高＝11m×8.2m。

图1 数值分析模型

2.2 巷道断面尺寸影响分析

选择4个断面尺寸：4.8×3.5m、7×5m、9×6.5m、11×8.2m进行对比分析，重点分析不同的巷道断面尺寸对围岩塑性区、应力场和巷道围岩变形量的影响。

（1）不同的断面尺寸巷道围岩塑性区分布情况

图2 不同巷道断面尺寸围岩塑性区分布情况

图2为不同的巷道断面尺寸巷道围岩塑性区分布情况。由图可知，随着巷道断面尺寸的增大，巷道周围塑性区范围明显增大。巷道断面尺寸为4.8m×3.5m时，顶板塑性区达到2.45m，帮部塑性区范围达到2.72m，底板塑性区范围达到3.5m；巷道断面尺寸为7m×5m时，顶板塑性区范围达到3.57m，帮部塑性区范围达到3.71m，底板塑性区范围达到5.4m；巷道断面尺寸为9m×6.5m时，顶板塑性区达到5m，帮部塑性区范围达到4.64m，底板塑性区范围达到6.65m；巷道断面尺寸为11m×8.2m时，顶板塑性区达到5.92m，帮部塑性区范围达到6.26m，底板塑性区范围达到8.28m。

由此可见，巷道断面由4.8m×3.5m刷大到11m×8.2m后，由于揭露砂质泥岩的范围扩大，巷道两帮及底板岩体处于剪胀变形的范围扩大，另外巷道断面扩大为原来的5.4倍，围岩塑性区范围增大5.6倍，巷道断面扩大围岩塑性区范围延伸到原本稳定的岩层，围岩受张拉破坏的范围增大，围岩破碎区将会增多，迫使更大范围岩体变形，导致巷道变形严重。

（2）不同的断面尺寸巷道围岩主应力分布情况

由图3可知，巷道开挖后在巷道周围出现了明显的应力降低环，且应力降低范围较为一致。巷道断面尺寸为4.8m×3.5m时，顶部应力降低范围为1.84m，帮部应力降低范围为2.05m，底板的应力降低范围为2.83m。同时在巷道两帮、底板出现应力集中，顶板应力集中范围较小，帮部应力集中范围较大，由巷道帮脚延伸至肩窝部位。距巷道表面2m位置岩体应力恢复到15MPa，集中应力分布区域距离巷道表面较近。随着巷道断面尺寸的增加，围岩应力降低范围增大，巷道断面尺寸为7m×5m时，顶部应力降低范围为2.93m，帮部应力降低范围为2.72m，底板的应力降低范围为4.32m，距巷道表面3m位置岩体应力恢复到15MPa。巷道断面尺寸为9m×6.5m时，顶部应力降低范围为3.98m，帮部应力降低范围为3.63m，底板的应力降低范围为5.66m，距巷道表面4m位置岩体应力恢复到15MPa。巷道断面尺寸为11m×8.2m时，顶部应力降低范围为5.27m，帮部应力降低范围为5.28m，底板的应力降低范围为7m，距巷道表面5.5m位置岩体应力恢复到15MPa。

图3 不同断面尺寸巷道围岩最大主应力分布情况

随着巷道断面尺寸的增大，应力降低范围明显扩大，巷道断面由4.8m×3.5m刷大到11m×8.2m后，顶板应力集中范围向两帮转移，应力集中范围增大。巷道周围最大主应力集中程度增加14%，集中应力位置向深部稳定岩层转移。另外，由于巷道周围最大主应力降低范围增大，导致浅部岩体的自承载能力降低。在深部较大集中应力作用下，巷道整体内缩，围岩变形量增大。

3 结论

通过巷道断面尺寸对巷道围岩稳定性的数值模拟结果分析可知，巷道断面尺寸变化对巷道围岩稳定性影响较大，随着巷道断面的不断增大，巷道围岩的塑性区范围逐步增加。巷道两帮与底板是直墙半圆拱形巷道支护承载薄弱的环节须加强支护，保持巷道围岩的稳定，同时由于大断面硐室的跨度较大，顶板暴露的范围较大易产生顶板下沉，须使用长度大于巷道围岩塑性区范围的锚索加强巷道两帮与顶板的支护。