深部埋深巷道变形特征数值模拟研究

高 瑞，吴志国，宁掌玄，杨东辉，杨伯虎，赵 凯

(1.山西大同大学 煤炭工程学院， 山西 大同 037000；2.乌海市海勃湾区能源综合行政执法大队， 内蒙古 乌海 016000)

随着我国浅部煤炭资源的消耗殆尽，井工煤矿开采深度逐年增加。根据有关数据显示，我国对地下探明的煤炭贮藏层的开采深度以8～12 m/a增加[1]. 随着开采深度的增加，软岩巷道表现出高地应力、高瓦斯、强流变及复杂的非线性软岩力学特征。同时深部软岩巷道围岩自身主要由膨胀性黏土矿物组成，其结构强度低、易膨胀变形。基于上述两点,深部软岩巷道的支护对目前支护理论及支护设备提出了新的挑战。

近年来针对深部煤层软岩巷道的支护和变形特征，众多学者开展了大量有意义的研究。孟庆斌等[2]采用理论分析和数值模拟相结合的方法揭示了深井软岩巷道群掘进扰动效应。杨建军等[3]结合红庆梁煤矿工程实例采用MIDAS嵌入HKN蠕变模型揭示了软岩巷道渗流-流变特性。王文利等[4]采用工程地质调查、数值仿真、室内实验和理论分析的方法，分析了胡底矿盘区泵房底鼓变形的原因，提出了深部高应力富水软岩巷道底鼓机理及控制技术。江成玉、范育青等[5-6]采用X射线、电镜扫描、岩石力学物理实验和现场监测的方法，揭示了西部弱胶结软岩巷道围岩变形破坏失稳机理。软岩巷道的应力、应变特征随埋深的变化而变化，若采用现场实测方法监测软岩巷道在不同埋深下的变形工程量大。因此本文以山西某矿为研究对象，采用FLAC3D软件分析该矿在不同埋深下的应力分布及塑性区破坏规律。

1 工程背景及软岩巷道弹塑性分区

山西某矿矿井巷道埋深600 m，巷道上覆岩层由上至下依次为粉砂岩、泥岩、己15煤、石灰岩、细砂岩。其中粉砂岩平均厚度7.0 m、泥岩平均厚度5.0 m、己15煤平均厚度3.0 m、石灰岩平均厚度4.0 m、细砂岩平均厚度6.0 m，巷道开挖过程中采用d20 mm×2.4 m的锚杆，d21.6 mm的锚索，间排距1.2 m，锚杆、锚索联合支护的方式。通过FLAC3D软件模拟分析该矿在不同埋深(600 m、800 m、1 000 m、1 200 m)下的巷道应力分布、塑性区的破坏特征。

2 数值模拟

2.1 模型建立

选用有限元差分软件FLAC3D进行建模分析，模型长60 m×宽60 m×高50 m，巷道位于模型中间，尺寸为4 m×3 m，共划分366 000个网格。巷道采用d20 mm、长度2.4 m的锚杆，d21.6 mm的锚索间排距1.2 m进行支护。在模型表面分别施加不同的垂直应力模拟上覆岩层的自重(垂直应力依次为15.6 MPa、20.8 MPa、26 MPa、31.2 MPa),模型选用摩尔-库伦强度准则进行计算。数值计算模型和巷道支护方案见图1，2. 数值计算模型相关力学参数见表1.

图1 数值计算模型图

图2 巷道支护方案图

表1 数值计算模型相关力学参数表

2.2 不同埋深巷道围岩塑性区分布特征

该矿井埋深较深，采用刘刚等[7]提出的围岩松动圈理论计算方法，根据不同厚度、不同围岩碎胀变形量，把开挖后的围岩分为小松动圈、中松动圈、大松动圈3类，当大松动圈围岩厚度值LP>150 cm时，围岩表现出软岩特性。围岩初期收敛变形快、持续时间长、巷道矿压显现强、支护难度大。深部软岩巷道围岩弹塑性分区示意图见图3. 不同埋深围岩的塑性区分布特征见图4.

图3 深部软岩巷道围岩弹塑性分区示意图

图4 不同埋深围岩的塑性区分布特征图

不同埋深下的巷道围岩塑性区变化共同点为:塑性区拉伸、剪切破坏区域沿巷道开挖中心线呈近似对称分布，巷道顶部的塑性区破坏范围要大于两帮的塑性区范围。当巷道埋深由600 m增加至1 000 m时，巷道顶部、两帮剪切、拉伸破坏的区域呈线性增长。当巷道埋深由1 000 m增加至1 200 m时，巷道顶部、两帮剪切、拉伸破坏区域呈指数级增长。巷道顶部发生剪切、拉伸破坏的区域半径增加了151%，巷道围岩破碎区、塑性区破坏严重。

2.3 不同埋深巷道围岩垂直应力分布特征

不同埋深巷道围岩垂直应力分布见图5.

图5 不同埋深围岩垂直应力分布特征图

不同埋深下的巷道围岩垂直应力分布特征为：当埋深在600～1 000 m时，巷道围岩垂直应力主要集中在巷道的两侧，垂直应力边界线为巷道宽度的1～2倍。当埋深为600 m时巷道两侧的垂直应力是16 MPa，当埋深为800 m时巷道两侧的垂直应力数值是20 MPa，当埋深由800 m增加到1 000 m时巷道两侧的垂直应力数值是27.5 MPa，当埋深为1 200 m时巷道两侧的垂直应力数值是30 MPa,当巷道埋深在600 ～1 000 m时，巷道围岩两侧垂直应力增幅最大为37.5%. 依据何满朝院士提出的“关键部位耦合支护理论”[8]，此时巷道顶板的肩窝处易先发生裂隙、破坏，需重点加强支护。

2.4 不同埋深巷道围岩水平应力分布特征

不同埋深巷道围岩水平应力分布见图6.

图6 不同埋深围岩水平应力分布特征图

不同埋深下的巷道围岩水平应力分布特征为：当埋深为600 m时巷道水平应力为3.75 MPa，当埋深为800 m时巷道水平应力为5.0 MPa，当埋深为1 000 m时巷道水平应力为7.0 MPa，当埋深为1 200 m时巷道水平应力为10 MPa. 巷道围岩水平应力主要集中在巷道的两侧及顶板处，水平应力分布区域为巷宽的2～3倍。

3 结 论

1) 当埋深在600～1 000 m时塑性区的破坏呈线性增长，埋深由1 000 m增加到1 200 m时巷道围岩塑性区的破坏呈指数级增长。巷道顶部剪切、拉伸破坏区域半径增加了151%，巷道围岩破碎区、塑性区破坏严重。

2) 随着埋深的增加深部软岩巷道围岩水平应力区域逐渐增大，加强巷道两侧的支护强度可以减少巷道底板的应力集中，帮部的强化对巷道底板的应力集中具有较好的抑制作用。

3) 巷道垂直应力随埋深的增加呈近似线性增加，当巷道埋深超过600 m时，巷道围岩垂直应力骤增，巷道围岩垂直应力明显集中。此时软岩巷道顶板的肩窝处等“关键部位”需重点支护。

Numerical Simulation Research on Deformation Characteristics of Deep Buried Roadway

GAO Rui, WU Zhiguo, NING Zhangxuan, YANG Donghui, YANG Bohu, ZHAO Kai

AbstractThe stress distribution of deep roadway has important reference value for the determination of roadway support scheme and the stability of surrounding rock. The distribution characteristics of vertical stress, horizontal stress and plastic zone on surrounding rock of roadway with different burial depths were analyzed by FLAC3D numerical simulation. The results show that the vertical stress of the surrounding rock of the roadway is approximately symmetrical along the excavation center line of the roadway, and the vertical stress increases with the increase of the burial depth. With the increase of buried depth, the radius of plastic zone in which shear and tensile failure occurs in roadway roof increases by 151%.The stress concentration of roadway floor can be reduced by increasing the support strength of both sides, and the strengthening of the side has a good restraining effect on the stress concentration of the roadway.

KeywordsDeep soft rock roadway; Buried depth; Stress distribution; Plastic zone; Deformation of surrounding rock on roadway