广隆煤矿101运输巷受力变形和支护方案分析

张世威，张跃铮

(河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

回采巷道是仅为采煤工作面生产服务的巷道，服务年限较短，一般在0.5～1.0年，回采巷道的布置和支护措施对煤炭开采具有重要影响，直接关系到煤炭的生产水平和效益。巷道的断面形状是影响巷道受力状态和支护状况的重要因素，长期以来，国内外学者和专家对巷道的断面形状做了深入、广泛的研究，提出了多种巷道断面形式，按其构成的外轮廓线可分为矩形类、梯形类、拱形类和圆形类共四大类。调查发现，矩形断面巷道由于开挖和支护方便，断面利用率高，越来越多地在布置回采巷道时被选用。但矩形断面巷道存在严重的应力集中问题，所以，对矩形巷道围岩的受力和变形的研究极为重要，有利于支护方案的选择。

本文在一定的地质条件的基础上，运用Flac数值模拟软件对巷道的受力和变形进行分析，并根据数值模拟和分析结果，对矩形巷道的支护方法提出合理建议。

1 参数选取和计算模型的建立

1.1 参数计算和选取

101运输巷位于广隆矿井的南翼，由轨道上山下口沿3#煤层向上，该巷为101回采工作面的运输、通风服务。3#煤层位于龙潭组中上部，平均埋深为256 m。101运输巷沿煤层掘进，不挑顶不卧底，巷道采用矩形断面，面积为2.2 m×2.6 m。直接顶板为粉砂岩，泥质胶结，力学强度中等，直接底板为泥岩，力学强度低。围岩基本力学参数见表1。

表1 巷道围岩力学特性参数表

根据前苏联学者金尼克(A.H.GENNIK)修正的海姆(A.heim)的地应力计算公式，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力)是泊松效应的结果，其大小应为垂直应力乘以一个系数λ，并且根据弹性力学原理:其中，μ为上覆岩层的泊松比。

经过修正后的地壳岩体应力表达式为:

若岩层有多层重力密度的岩层组成，各层的厚度为 hi(i=1，2，…，n)，重度为 γi(i=1，2，…，n)，泊松比为μi(i=1，2，…，n)，则第 n层底面岩体的自重初始应力为:

这样由于顶板、煤层和底板岩性不同，泊松比不同，就会造成岩石层和煤层侧向压力的不同，上覆岩层重度平均值取26 kN/m3，则垂直压力:

顶板岩层受到的侧向压力:

煤层受到的侧向压力:

底板岩层受到的侧向压力:

1.2 数值模型的建立

数值模型沿巷道延伸方向取一个单位宽度的剖面，数值模型的边界条件为模型的上部边界采用应力边界条件，模型的左右边界为简支边，水平位移为零，模型下边界为固支边，力学计算模型示意图见图1。巷道开挖引起应力重新分布的影响半径为，在有限元计算常取5r的范围作为计算域，以此建立的三维立体计算模型见图2，尺寸为33.8 mm×1.0 mm×24.2 m。

图1 力学计算模型示意图

图2 巷道三维计算模型示意图

2 数值模拟结果分析

采用Flac模拟的主要作用是观察和研究矩形巷道的受力状态和变形规律，并提出合理的支护措施。为此，数值模拟是在矩形巷道开挖后不支护条件下进行的。这就会出现一个问题，根据理论研究，矩形巷道由于有尖角的存在，易产生应力集中现象，在设置成大变形的条件下，巷道最终将因严重变形而破坏。根据研究目的并考虑模拟效果，通过模拟得出计算第200时间步时的围岩的受力和变形情况。第200时间步围岩的塑性分布见图3。

图3 巷道围岩塑性区分布示意图

2.1 塑性区分布

该矩形断面巷道围岩塑性区分布存在以下特征:塑性区域较大(包括受拉屈服和受剪屈服)，在巷道周边均有分布，角点处由于存在明显的应力集中，最先进入塑性状态。其中顶板塑性区深度较两帮和底板大，底板是泥岩，强度较弱，由于两帮煤壁的垂直压力和侧压力的作用，也会产生较大的塑性变形，从而导致底臌。

2.2 围岩应力

模拟开挖第200时间步时，巷道围岩所受到的垂直应力和水平应力分布云图见图4，图5。

图4 巷道围岩垂直应力分布云图

图5 巷道围岩水平应力分布云图

开挖巷道破坏了围岩的原岩应力状态，随着围岩的变形，围岩中的应力重新分布，在巷道掘进影响区内具体表现为巷道变形速度较快，随着巷道远离掘进头围岩变形速度递减，直到围岩处于稳定状态或稳定变形状态，此时巷道围岩应力场基本成为稳定应力场，围岩应力大小和方向不随着时间的变化而变化。这是巷道开挖后，围岩中应力变化的基本过程。但由于围岩性质和所处地应力场的不同，以及开挖方式和断面形状，支护方式的不同，围岩应力变化情况又有所不同。

就矩形巷道的掘进而言，巷道上方岩层在荷载作用下，将向矩形巷道周围新的支撑点转移，引起矩形巷道围岩应力重新分布，在巷道四周形成支承压力带，围岩内出现应力集中，主要表现为:巷道4个角处出现应力集中，顶、底板出现拉应力集中。随着荷载的增加，顶、底板的破坏加剧，承载能力明显降低，巷道的压力转移到两帮，致使巷道两帮的受压破坏加剧，顶、底板的受拉破坏发展较缓慢。

矩形巷道顶板中往往会出现拉应力集中，且最先出现破坏裂纹。顶板破裂将会使应力转移到巷道两帮，从而引起巷道严重变形，所以开挖矩形巷道后，应及时采取措施来加固顶板。

2.3 围岩变形情况

开挖后模拟进行到第200时间步时的竖直方向和水平位移分布云图见图6，图7。从图6，图7可以看出，由于顶板是粉砂岩，强度相对较高，因此，下沉量较小，而底板是强度较低的泥岩，强度较低，而且受到巷帮的垂直压力作用和水平压力作用，加上地下水的侵蚀，会产生较为严重的底臌现象。从而造成顶底板的相对移近量也较大。两帮为煤层，强度较低，而且由于两帮中存在应力集中，因此，两帮相对移近量较大。所以，在矩形巷道开挖后应采取有效措施进行及时支护，否则，会因为变形过大而造成支护困难，甚至影响新掘巷道的使用。

图6 竖直方向位移分布云图

图7 水平方向位移分布云图

3 支护方案分析

巷道围岩控制是控制巷道围岩的矿山压力和周边位移所采取措施的总和。其实质是，依据巷道围岩应力、围岩强度及其相互关系，选择合适的巷道布置和保护及支护形式。目前巷道支护方法主要有:棚式支架支护、预应力锚杆支护和注浆加固。根据上文对塑性区分布、应力分布和变形情况的分析，对101运输巷的支护提出以下建议:

1)对新掘巷道围岩及时进行锚杆锚索支护并施加足够的预紧力，可有效控制围岩裂隙的张开，使围岩形成次生承载结构，充分发挥围岩承载能力，进而防止围岩扩容破坏的发生，是解决高应力巷道围岩变形破坏的根本、可靠方法。

2)矩形巷道四个角点和边中点存在明显的应力集中现象，巷道开挖后应立即对其进行支护主动控制，减弱因巷道断面形状上突变所引起的应力突变影响程度，限制围岩松动圈的发展。

3)对于底臌，可以采用底板注浆的办法进行治理。通过注浆来加固破碎的底板岩层，提高其抗变形能力，以阻止底臌的发生。底板注浆防治底臌是一种很有前途的防治底臌的有效措施。

4 结论

1)矩形巷道由于尖角的存在，在4个角点处出现应力集中，顶、底板出现拉应力集中，塑性区分布较广，角点最先进入塑性状态，顶板塑性区深度最大，底板由于强度较低，发生底臌现象。顶底板和两帮相对移近量都很大。

2)根据围岩的应力状况和变形情况，采取及时支护，锚杆锚索加固围岩形成次生承载结构的支护方式。针对底臌现象严重，提出了底板注浆防止底臌的处理方法。

［1］冯海英，刘德乾，赵鹏燕.不同断面形式深埋巷道围岩破坏数值模拟分析［J］.河北工程大学学报(自然科版)，2011，28(03):26－30.

［2］廖向阳，谭小华，李青锋.厚煤层矩形巷道应力分布及支护对策研究［J］.矿业工程研究，2011，26(01):1－3.

［3］齐庆新，康立军.回采巷道受力状态的数值研究［J］.煤炭科学技术，1994，22(05):24－28.

［4］李 明，茅献彪.基于复变函数的矩形巷道围岩应力与变形粘弹性分析［J］.力学季刊，2011，32(02):195－198.

［5］翟新献，陈东海，郭念波，等.济三煤矿沿空巷道矿压显现规律研究［J］.山东大学学报(工学版)，2009，39(04):99－101.

［6］蔡光华，陆海军，陈宝银，等.矩形和直墙拱断面围岩巷道破坏的数值模拟研究［J］.武汉工业学院学报，2011，30(01):74－78.

［7］李小军，袁瑞甫，赵兴东.矩形巷道围岩破坏规律数值模拟［J］.矿业工程，2008，06(02):18－20.

［8］许裕平，赵文凯.矩形巷道围岩松动圈数值计算分析［J］.山东煤炭科技，2005(5):33－35.