某深井强采动巷道围岩破裂失稳的数值模拟

安智广 李庆国 李 勐 孙华恺 徐继涛

（1.山东玻纤集团股份有限公司；2.泰安景行新材料有限公司；3.泰安佳成机电科技有限公司）

随着开采强度和深度的增加，“五高两扰动”等急难技术问题日益突出，深部岩体表现为明显的非线性大变形等软岩力学特性。深部强烈开采扰动下，巷道大变形、锚固失效等问题广泛存在，使得巷道顶板的稳定性维控问题日益突出。钱七虎等［1］提出深部巷道围岩分区破裂化与空间、时间效应密切相关，并分析了分区破裂化的主要原因。苏海健等［2］基于黏弹塑性力学理论，分析了深部巷道围岩应变软化、破裂膨胀及流变特征。Jing 等［3］总结了深部巷道围岩损伤特性，研究了不同锚杆布置方式对围岩应力场、位移场演化特征及总体破坏规律。侯朝炯［4］证明深部巷道在高地压作用下，岩石由脆性破坏转为延性流变破坏，伴有较大塑形变形。黄炳香等［5］采用数值模拟研究了深井采动作用下巷道围岩大变形及结构失稳机理，并提出了深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论。某矿区段回风巷道受强矿压的长期剧烈影响，巷道顶板易破碎、煤壁易片帮、底鼓剧烈，巷道维护困难，支护及扩修成本极大，已经严重制约了矿井的安全高效生产。因此，以该矿区段回风巷道为案例，采用FLAC3D数值模拟，分析煤层厚度、构造应力及区段煤柱宽度对巷道稳定维控的影响特征，揭示典型地质及工况条件下的深井强采动巷道围岩破裂损伤机制。

1 工程背景

某矿4105 回风巷为西部典型强采动巷道，巷道位置如图1所示。工作面南部为盘区的大巷，西侧为4106 工作面的设计位置，东侧为4104 工作面（正开采），工作面间大煤柱宽度为44.5 m。该工作面南部存在路家—小灵台背斜，其中背斜的走向方位角为46°～51°。受背斜影响，工作面整体南高北低，地层坡度为1°～4°。工作面埋藏深度为711～730 m，平均埋深为718 m，侧压系数为1.8。煤层厚度为9.5～11.32 m，平均10 m，属于特厚煤层。巷道直接顶板为厚度3.67 m 的泥岩，裂隙较为发育。基本顶为粗粒砂岩、细粒砂岩和粉砂岩复合互层结构。直接底为厚度4.6 m的铝质泥岩。基本底为厚度14.6 m的泥岩。

现场调研发现该矿受强矿压的长期剧烈影响，巷道顶板易破碎、煤壁易片帮、底鼓剧烈。全巷道范围内都存在钢带、钢筋网破坏等现象。断锚杆、索等锚固失效现象也频繁发生，如图2所示。根据现场测量，4105回风巷掘进期间顶板下沉量115 mm，两帮收缩量320 mm，影响范围约70 m。4104 工作面开采期间巷道顶板下沉量为438 mm，两帮收缩量为872 mm，影响范围约160 m。巷道变形主要发生在相邻工作面开采期间，为典型强采动巷道，且影响距离远，变形时间长，巷道破坏严重。这使得在本工作面开采之前要对巷道进行大量修复，主要包括扩帮和铲底，成本极高。

针对4105 回风巷典型工程地质条件和围岩破坏显现特点，采用FLAC3D数值模拟软件，分析在不同煤层厚度、构造应力及区段煤柱宽度下的巷道围岩破裂损伤特征，揭示典型地质及工况条件下的深井强采动巷道围岩破裂损伤机制，为巷道安全稳定控制提供参考。

2 数值模型及模拟方案

采用FLAC3D软件进行数值模拟，建立的数值模型如图3 所示。模型尺寸为300 m×60 m×80 m（长×宽×高），模型采用摩尔-库伦屈服准则，模型上边界为应力边界，底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定。模型上部加载16 MPa 应力，水平方向加载28.8 MPa 应力，侧压系数为1.8。岩层信息参数见表1。模拟的4105 回风巷断面尺寸为5.5 m×3.85 m（宽×高）。支护方案为顶板8 根φ22 mm×2 500 mm锚杆，预紧力为30 kN，排距为800 mm，8 根φ21.6 mm×8.8 m 锚索，预紧力为130 kN，排距为800 mm；帮部各5 根φ22 mm×2 500 mm 锚杆，预紧力为30 kN，排距为800 mm。模拟方案如下。（1）固定侧压系数为1.8，煤柱宽度44.5 m，分别模拟煤层厚度为5，8，10及12 m时的巷道变形破坏特征。

（2）固定煤柱宽度为44.5 m，采高为10 m，模拟侧压系数分别为1.0、1.4、1.8 及2.2 时的巷道变形破坏特征。

（3）固定侧压系数为1.8，埋深为700 m，采高为10 m，分别模拟工作面开采后煤柱宽度为8，15，44.5，60及80 m时的巷道变形破坏特征。

3 数值模拟结果及分析

3.1 煤层厚度对巷道变形影响

3.1.1 塑性区分布规律

图4 为不同煤层厚度下的巷道围岩塑性区发育情况。煤厚为5 m 时，顶板和两帮的塑性区范围为5 m，底板为8 m，顶底板5 m 及两帮2 m 范围内均为压剪破坏。煤厚为8 m 时，围岩塑性区范围扩大，顶板塑性区范围为7 m，两帮为6 m，底板为9 m。煤厚为10 m 和12 m 时，两帮及底板塑性区范围变化不大，但压剪破坏区域增大，顶板的塑性区范围分别扩大到8 m 和9 m。随着煤层厚度的增大，巷道顶板软弱岩层厚度增加，顶板的塑性区逐渐扩大，维护难度会逐渐增大。

3.1.2 位移分布规律

图5 为不同煤层厚度下巷道开挖后的围岩变形情况。巷道掘进支护后，当煤层厚度为5 m 时，顶底板沉降变形量为150 mm，两帮为298 mm。当煤层厚度为12 m 时，顶底板沉降变形量为450 mm，两帮为380 mm。巷道顶底板及两帮变形量随煤层厚度增加而增加，且顶底板变形增加量大于两帮，主要变形发生于顶板。随着煤层厚度的增大，巷道顶煤厚度逐渐增大，煤体质软，扩容特性及变形能力较强，因此顶板变形量增长较明显。

3.2 构造应力对巷道变形影响

3.2.1 塑性区分布规律

采用侧压系数表征地层构造应力，模拟了不同侧压系数下的巷道围岩塑性区发育情况，结果见图6。当侧压系数为1.0 时，顶底塑性区范围为6 m，两帮为4 m，塑性区形状呈椭圆形。随着侧压系数的增大，巷道围岩塑性区范围逐渐增大，且塑性区形状发生变化。当侧压系数为1.8 时，顶底板及两帮塑性区范围增长到10 m，其中巷道肩角和两底角变形较大，塑性区向巷道四角处发展较多；当侧压系数增长为2.2时，顶底板塑性区不变，两帮塑性区范围进一步扩大，增大为15 m。

3.2.2 位移分布规律

如图7所示，当侧压系数为1.0时，顶底板变形量为186.2 mm，两帮为168.1 mm；当侧压系数为1.4 时，顶底板变形量为299 mm，两帮为242.5 mm；当侧压系数为1.8 时，顶底板变形量为357 mm，两帮为358 mm；当侧压系数为2.2 时，顶底板变形量为591 mm，两帮为503 mm。随着侧压系数增大，使得巷道顶底板及两帮变形量逐渐增大，严重影响巷道稳定维控。

3.3 煤柱宽度对巷道变形影响

3.3.1 位移分布规律

模拟了不同煤柱宽度下的巷道变形规律，如图8所示。随着相邻工作面开采，当煤柱宽度为8 m 时，顶底板变形增长量为202 mm，两帮变形增长量为205 mm；当煤柱宽度为15 m时，顶底板变形增长量为243.4 mm，两帮变形增长量为350 mm；当煤柱宽度为44.5 m 时，顶底板变形增长量为302 mm，两帮变形增长量为429 mm；当煤柱宽度为60 m 时，顶底板变形增长量为206 mm，两帮变形增长量为320 mm；当煤柱宽度为80 m 时，顶底板变形增长量为180 mm，两帮变形增长量为280 mm。由以上分析可知，随着煤柱宽度的增加，巷道顶底板及两帮的变形量呈现先增大后减小的趋势，且两帮变形量大于顶底板的变形量。

3.3.2 应力分布规律

图9 为不同煤柱宽度下的煤柱内垂直应力峰值的变化规律。随着煤柱宽度的增加，垂直应力峰值呈现出与巷道变形类似的变化规律。当煤柱为8 m时，煤柱中部应力最大值为12.5 MPa；煤柱为15 m时，煤柱中部最大应力值为17.5 MPa；当煤柱为44.5 m 时，煤柱中部应力最大值为30 MPa；煤柱为60 m时，煤柱中部应力最大值为20 MPa；当煤柱为80 m时，煤柱中部应力最大值为17.5 MPa。当煤柱尺寸超过60 m 时，巷道围岩分布呈现掘巷后的应力分布规律，开采对其影响减弱。

3.4 结果分析

数值模拟结果与现场测量数据相互验证可确保结果真实可靠。根据模拟结果对煤层厚度、构造应力及煤柱宽度对巷道变形影响机制进一步分析。

（1）厚煤层强采动巷道损伤破坏机制。根据模拟结果可知，强采动巷道随着煤层厚度的增加，顶板围岩塑性区范围及顶板变形逐渐增大，且增加量普遍大于两帮收敛。对于特厚煤层巷道，顶板以上的煤层厚度通常超过4 m，这使得顶板支护结构大部分布置在煤层中。煤的抗剪强度小，且原生裂隙发育较多。当顶煤受采掘工程扰动影响时，微观上表现为煤体中大量发育的节理裂隙张开、扩展和错动变形，宏观上表现为厚顶煤内离层破坏和延展变形。使得巷道顶板围岩的塑性破坏圈层尺寸远大于常规巷道。常规支护结构受限于刚性材质，锚杆长度受到限制，锚杆支护范围仍然处于围岩塑性区内。因此，随着煤厚的增加需要锚杆支护的浅部基础承载结构的锚固深度越长，通常建议采用柔性支护结构，可以使杆体不受巷道高度限制，锚固深度大大提高。可有效提高围岩控制效果。

（2）构造应力对强采动巷道稳定性影响。该矿4106 回风巷受路家—小灵台背斜的影响，存在明显的构造应力，应力集中系数为1.8，同时随着深度的下延，该构造影响会更加剧烈。根据模拟结果可知，巷道的失稳及变形破坏现象受构造应力影响较大，随巷道原始构造应力的增大，巷道最大水平主应力与垂直应力比值逐渐增大，围岩应力环境发生根本性改变，偏应力作用效果逐渐明显，使得巷道围岩在较大偏应力作用下持续扩容变形，巷道变形及应力集中区逐渐向帮部深处和底板转移。

（3）煤柱宽度对巷道稳定性影响。区段煤柱的合理留设不仅关乎巷道围岩稳定控制，更是影响煤炭资源合理开发利用。根据模拟结果可知，随着煤柱尺寸的增大，工作面开采对巷道围岩应力影响为先增大后减小，煤柱宽度的变化会导致侧向水平应力分布变化，使得巷道变形先增大后减小。从上述分析可知。当前的44.5 m的煤柱尺寸设置不合理，使得开采后煤柱区应力集中现象明显，巷道维护困难，应增大煤柱尺寸或减小煤柱尺寸，但增大煤柱尺寸会增加资源浪费，因此应采取小煤柱护巷减小煤柱应力峰值，减小巷道变形量，提高巷道维护效果。

4 结论

（1）随着煤层厚度的增大，巷道顶板的塑性区逐渐扩大，而两帮及底板的破坏程度变化不大。随着煤层厚度的增大，巷道顶煤厚度逐渐增大，煤体质软，扩容特性较强，因此顶板变形量增长较明显。

（2）随着构造应力水平增大，巷道最大水平主应力与垂直应力比值逐渐增大，使得巷道围岩在较大偏应力作用下持续扩容变形，巷道顶底板及两帮变形量逐渐增大，应力集中区逐渐向帮部深处和底板转移，应力集中程度呈现先减小后增大的趋势，巷道重点维护区域逐渐从两帮转为底板。

（3）随着煤柱宽度的增加，工作面开采对煤柱应力影响为先增大后减小，也使得巷道顶底板及两帮变形量呈现先增大后减小的趋势。当前煤柱尺寸设置不合理，使得开采后煤柱区应力集中现象明显，巷道维护困难，应减小煤柱尺寸，降低应力峰值，提高巷道维护效果。