大断面软岩巷道稳定性研究与控制

郭凯明

（山西阳泉煤业集团有限责任公司五矿，山西 阳泉 045209）

1 工程背景

阳煤五矿五采区南回风巷断面为直墙半圆拱形，巷道宽5.0m，高4.10m，直墙高1.6m。巷道开口位置在南翼回风巷现停掘位置，沿13°下坡施工。巷道地质条件多变，掘进过程中穿越泥岩时，由于巷道断面大，岩性较为松软，加之围岩裂隙发育，导致巷道变形严重，巷道整体稳定性差，需优化原有巷道支护方案。

2 数值模型建立

根据五采区南回风巷地质条件建立二维数值模型，巷道平均埋深420m，模型尺寸为（长×宽×高）40×40×1m。模型上表面与左右边界分别施加相应埋深的垂直与水平应力，模型左右边界与下表面分别固定水平与垂直位移。巷道开挖采用空单元模型进行模拟，数值计算基于摩尔-库伦破坏准则。建模选用的围岩力学参数如表1 所示。

表1 围岩物理力学参数

3 应力分析

为研究大断面软岩巷道的变形机理，分别模拟不同岩性巷道开挖后的围岩应力分布。在数值模型中巷道顶板与帮部分别布置10m 的测线，测线中每0.5m 布置一个测点，分析垂直应力与水平应力的分布情况。

3.1 垂直应力分析

泥岩巷道开挖后，巷道两底角与拱角应力集中现象显著，垂直应力最大值分别为6.38MPa 与4.21MPa。图1、图2 为巷道开挖后顶板及帮部的垂直应力曲线。由应力曲线变化趋势可知，巷道开挖后，围岩原有的应力平衡被打破，由开挖前的平面应力状态转变为开挖后的单轴应力状态。根据巷道围岩的受力状态可分为三区：应力降低区、应力集中区、原岩应力区。

顶板垂直应力随着距顶板距离的增加而增大，巷道岩性为泥岩时，应力由0.63MPa 增加至距顶板10m 处的9.31MPa。随着巷道岩性强度的降低，巷道的应力降低区范围随之增大，距巷道顶板5m 时，垂直应力由9.67MPa 减小至7.73MPa。由巷帮垂直应力变化曲线可知，巷道岩性为泥岩时，垂直应力由4.19MPa 增加至距巷帮2m 处的12.27MPa，随着距两帮距离的继续增加，垂直应力逐渐趋于原岩应力。巷道岩性由灰岩变为泥岩，应力降低区范围增大，应力集中区的应力峰值降低，由17.73MPa 降低至12.72MPa。

图1 不同岩性顶板垂直应力分布

图2 不同岩性两帮垂直应力分布

3.2 水平应力分析

泥岩巷道开挖后，巷道两底角与顶角应力集中现象显著，水平应力最大值分别为6.24MPa 与5.07MPa。图3、图4 为巷道开挖后顶板及帮部的水平应力曲线。水平应力随着距顶板距离的增加而增大，顶板水平应力由4.95MPa 增加至峰值17.58MPa（距顶板3m 处），随着距顶板距离的继续增加，水平应力逐渐减小，并最终趋于原岩应力。随着巷道岩性强度的降低，应力降低区范围增大，应力集中区的应力峰值降低，由23.52MPa 降低至17.28MPa。巷帮水平应力随着距巷帮距离的增加而增大，巷道岩性为泥岩时，垂直应力由0.38MPa 增加至距巷帮10m 处的11.8MPa。巷道岩性由灰岩变为泥岩，巷道的应力降低区范围随之增大，距巷道两帮5m 时，水平应力由11.26MPa 减小至9.04MPa。

图3 不同岩性顶板水平应力分布

图4 不同岩性两帮水平应力分布

3.3 塑性区分析

图5 为不同岩性巷道开挖后的塑性区分布。如图可知，巷道岩性为灰岩时，巷道附近塑性区主要表现为拉伸破坏，随着巷道岩性强度的降低，巷道附近破坏形式变为拉剪破坏，巷道塑性区范围逐渐增大，由灰岩的8.92m2增加至泥岩时的62.57m2，塑性区范围与上文应力分布规律一致。

图5 巷道塑性区分布

4 巷道支护优化

4.1 支护方案

结合上文数值模拟的分析结果，对五采区南回风巷支护方案进行优化，支护方案如图6 所示。巷道开挖后，岩体中应力平衡破坏，围岩卸荷软化，由于巷道断面大，围岩岩性较软，裂隙发育，进一步降低了围岩承载能力，使得巷道有效跨度增加。因而巷道顶板采用全锚索支护，将锚索锚入巷道上部稳定岩层，有效控制顶板变形；两帮采用锚网支护，增加两帮的承载能力，对巷道形成有效支撑，保证巷道整体稳定。

（1）拱部支护

每 排 正 顶 打 注3 根Ф17.8mm×5200mm 锚索，锚索采用Ф17.8×5200mm1×7-17.8-1860 型钢绞线，锚索间排距1000mm×1000mm。锚索使用300×300×12mm 的可调心拱形托板，锚索初始张拉不低于230kN，锚索端头外露150～250mm，锚固长度1100mm。 拱部两侧各布置2 根Ф20mm×2400mm 麻花钢锚杆支护，锚杆材质为Q235 圆型钢，锚杆间排距900mm×1000mm。锚杆锚固力应大于74kN，扭力矩应大于200N•m，锚杆端头外露10～50mm，锚固长度800mm。

（2）两帮支护

每帮各布置2 根Ф20mm×2400mm 麻花钢锚杆支护，锚杆材质为Q235 圆型钢，锚杆间排距900mm× 1000mm。锚杆使用150×150×8mm 的可调心拱形托板承载，配套使用可调心球垫和1010尼龙减摩垫片。

图6 优化方案示意图

4.2 支护效果监测

为验证优化方案对五采区南回风巷的支护效果，对试验巷道进行为期90d 的监测，监测巷道开挖后的顶板下沉量与两帮移近量。巷道顶板下沉量最终稳定在86mm，两帮移近量稳定在103mm，锚杆、锚索受力较为稳定，试验巷道的变形得到有效控制。

5 结论

通过数值模拟对五采区南回风巷开挖后应力分布进行分析，得到巷道顶板与两帮的应力随距巷道距离的分布曲线，分析不同岩性时巷道开挖后的应力与塑性区分布规律，研究大断面软岩巷道的变形机理，并对巷道原有支护方案进行优化。由矿压监测结果可知，巷道变形得到了有效控制，优化方案可有效保障试验巷道稳定，并可为相似巷道围岩稳定性控制提供一定参考。