基于数值计算的断层群小断面巷道稳定性分析

赵 研，秦洪岩，商佳新

（1.中天合创能源有限责任公司 葫芦素煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.华北科技学院，北京 101601）

巷道支护和稳定性的研究一直是矿山安全生产的永恒课题，在巷道支护过程中会遇到很多复杂条件，给支护带来困难，在支护设计时要结合巷道的布置方式、巷道地质构造和采煤方法等，更新支护设计方案。我国对巷道支护的研究较多，康红普院士提出的整套支护方案在山西和陕西等地得到了推广，应用效果极佳；马念杰教授提出的支护方案在业界受到广泛好评，在东北和华北地区的应用广泛，其对无人支护和自动识别支护的研究较为先进；潘一山教授提出的强力支护设备，在冲击地压矿井中的应用得到了广泛推广，对冲击地压矿井巷道的维护作业十分明显。本文主要针对过断层时小断面的支护设计进行研究，研究方法采用数值模拟方法。

1 小断面支护设计

塔营煤矿在施工25采区1号皮带机头时，需过Fj214正断层，Fj214正断层平均落差为12 m，穿过断层破碎区。下盘小断面巷道位于3煤内，沿底掘进，上盘大断面巷道位于直接顶泥岩内。皮带机头断层段掘进支护时除了采用临时架棚支护外，需要采用高强度锚网索联合支护方案，提高围岩支护强度，充分发挥巷道深浅支撑层结构的支护效果，维持巷道围岩的长期稳定。皮带机头帮顶采用高预应力让压锚杆+双钢筋托梁+金属经纬网+锚索联合支护，具体支护参数如图1所示。

图1 小断面巷道支护设计Fig.1 Support design of small section roadway

2 模型建立

采用FLAC3D数值模拟软件进行模拟研究，根据矿井参数建立数值模拟模型，模型尺寸为X×Y×Z=60 m×10 m×50 m，围岩模型如图2所示，模型网格图如图3所示。模拟过程中严格按照支护方案和现场实践生产流程进行分析。

图2 小断面巷道围岩模型Fig.2 Surrounding rock model of small section roadway

图3 模型网格划分Fig.3 Model grid division

3 小断面巷道稳定性分析

3.1 巷道围岩的稳定性分析

巷道围岩位移监测结果如图4所示，可知施加支护后围岩变量明显降低，逐渐趋于水平。巷道围岩变形稳定后，巷道两帮变形量较大，左帮变形量较大，为97.7 mm，顶板下沉量明显大于底板鼓起量，顶板位移量为76.6 mm，底板位移量为23.8 mm。巷道围岩位移的模拟结果如图5所示。

图4 巷道围岩位移监测Fig.4 Displacement monitoring of roadway surrounding rock

图5 巷道围岩位移云图Fig.5 Displacement nephogram of roadway surrounding rock

可以看出，巷道两帮变形明显大于巷道顶底板，巷道围岩的最大变形量处于巷道左帮中部，其次为巷道右帮。

巷道围岩最大主应力云图如图6所示。可看出巷道围岩最大主应力极值点位于巷道左右两帮，距离巷道表面距离约为5.5 m，应力极值为18.48 MPa，应力集中系数为1.39，而巷道两帮围岩浅部最大主应力最小，仅4.11 MPa。巷道围岩最小主应力云图如图7所示，巷道的塑性区分布如图8所示。从最小主应力图和塑性区分布图可以看出，巷道顶板和两帮围岩的应力状态明显好于巷道底板。巷道底板拉应力区域较大，底板拉应力极值最大，为0.21 MPa。巷道围岩主要发生塑性剪切破坏，其中，两帮围岩剪切破坏范围较大，剪切塑性区的最大厚度为5.5 m，而顶板剪切塑性区次之，最大厚度为2.6 m，底板围岩塑性破坏区最小，为0.4 m，而巷道浅部围岩发生塑性拉伸破坏，拉伸塑性区的厚度为0.2~0.4 m。

图6 巷道围岩最大主应力云图Fig.6 Maximum principal stress nephogram of roadway surrounding rock

图7 巷道围岩最小主应力云图Fig.7 Minimum principal stress nephogram of roadway surrounding rock

图8 巷道围岩应力状态Fig.8 Stress state of roadway surrounding rock

3.2 支护结构稳定性分析

巷道掘支后的锚杆受力分布如图9所示，巷道两帮锚杆受力明显大于巷道顶底板锚杆，其中，巷道两帮局部锚杆轴力达到其极限荷载，发生断裂破坏。顶板中部锚杆轴力最小，为54.5 kN，向两帮逐渐增大，达到锚杆极限荷载，应该加强两帮的支护强度。

图9 锚杆支护受力情况Fig.9 Stress condition of bolt support

顶板锚索的受力分布如图10所示。从图中可以看出锚索将顶板深部与巷道浅部岩体相连，能够限制深部围岩离层变形，支护效果较好。在巷道顶板锚索两端受力较小，中间较大，锚索最大轴力为357.1 kN，小于锚索抗拉极限。

图10 顶板锚索轴力分布Fig.10 Axial force distribution of roof anchor cable

4 结 论

（1）根据塔营煤矿皮带机头的工程地质条件，结合深部软岩巷道围岩深浅支撑层结构的理论分析，设计锚网喷索联合支护方案，围岩应力得到改善，浅支撑层厚度较小，而深支撑层内围岩应力分布较均匀，充分调动了围岩的承载能力。

（2）小断面巷道处于3煤中，两帮变形较为明显，顶底板围岩稳定性较好，顶板锚索受力较为合理，而两帮部分锚杆接近其极限荷载。