礦井巷道圍巖松動(dòng)特征模擬實(shí)驗(yàn)研究

田忠 李建寧

摘 要：無(wú)論是在井下的巷道掘進(jìn)過(guò)程中，還是在地面隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖的支護(hù)都是必不可少的。為了能夠更加合理有效的利用支護(hù)材料，避免浪費(fèi)的同時(shí)，還要求支護(hù)的深度能夠達(dá)到安全開(kāi)挖的規(guī)范，對(duì)于圍巖松動(dòng)范圍的圈定就必須滿(mǎn)足一定精度。本文設(shè)計(jì)了不同半徑的巷道斷面，以Flac3D模擬為主，輔助以電法AGI正演模擬，對(duì)巷道圍巖松動(dòng)范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得了圍巖的位移分布特征及巷道半徑與頂板有效位移量的相應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：圍巖松動(dòng)；巷道斷面；正演模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.102

0 引言

我國(guó)對(duì)能源的需求量大，雖然受到能源需求大背景的影響，但煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位依然不可撼動(dòng)。隨著采礦深度的增加，巷道開(kāi)挖過(guò)程中所出現(xiàn)的地質(zhì)問(wèn)題也在不斷增多，受地應(yīng)力、構(gòu)造等條件影響所引起的巷道變形[1]、坍塌等安全問(wèn)題屢見(jiàn)不鮮。因此巷道開(kāi)挖后其圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題得到越來(lái)越高的重視。

巷道開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生顯著變化，有可能在巷道周?chē)纬梢粋€(gè)破裂區(qū)，即圍巖松動(dòng)圈。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用多種力學(xué)模擬分析軟件，如FLAC3D/FLAC2D，MIDAS/GTS ，PLAXIS，ANSYS，ABAQUS等[2-5]，對(duì)松動(dòng)圈進(jìn)行模擬研究。研究表明，巷道圍巖的變形主要來(lái)源于松動(dòng)圈圍巖的碎脹變形。因此，圍巖松動(dòng)圈厚度研究是一項(xiàng)意義重大的課題。文章采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)巷道圍巖松動(dòng)特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并輔以電法模擬，討論其不同受力分布及變形特征，為巷道圍巖支護(hù)技術(shù)措施制定提供參考。

1 模擬方案

為了對(duì)比研究巷道開(kāi)挖后松動(dòng)圈的范圍，本文利用Flac3D與電法模擬軟件AGI分別進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬。前者設(shè)計(jì)半徑分別為5m、10m的大斷面巷道條件，外邊界為100m×100m，其內(nèi)充填以純砂巖的兩個(gè)矩形數(shù)值模型（圖1），模型參數(shù)借鑒淮南張北礦1413（A）工作面的砂巖層巖石力學(xué)參數(shù)（表1）。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選則上，由于巷道為圓形，所以?xún)蓚?cè)的圍巖變形為對(duì)稱(chēng)發(fā)育，本文選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在中線右側(cè)。

對(duì)于電法模擬，設(shè)計(jì)兩條相互平行的測(cè)線，其間距為100m，每條測(cè)線均布置21個(gè)電極，極距5m，巷道所在位置設(shè)置為高阻異常，電阻率值為1000Ω·m，為對(duì)比明顯，背景值即圍巖阻值設(shè)置為200Ω·m，與Flac3D模擬類(lèi)似，電法模擬同樣設(shè)置兩個(gè)大小不同的巷道，一個(gè)半徑為5m，另一個(gè)為10m。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 FLAC 3D模擬結(jié)果與分析

模擬結(jié)束時(shí)，即計(jì)算2×104次之后，若最大不平衡應(yīng)力為0，則圍巖應(yīng)力重新分布完成，模型計(jì)算收斂，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3。

模擬結(jié)束時(shí)通過(guò)軟件提取如圖4～6的模擬結(jié)果圖，其中圖4為兩巷道開(kāi)挖后X方向位移圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，巷道兩側(cè)變形結(jié)果具有一致性，因此以下結(jié)果分析皆以右側(cè)圖示結(jié)果為例，其圍巖在X方向的位移主要集中在-75°～75°之間。影響范圍在30°～75°、-75°～30°兩個(gè)區(qū)間內(nèi)更為集中。

圖5為兩巷道開(kāi)挖后Z方向位移圖。圖中顯示在45°～90°及-90°～-45°范圍內(nèi)Z方向位移較為明顯，巷道下方區(qū)域的位移和影響范圍比之上部變形明顯偏小。同時(shí)將圖4、5中的（a）與（b）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于半徑為10m的巷道，X方向的最大位移是5m半徑巷道圍巖的位移量的1/2～1/3；而Z方向的位移量及影響范圍前者均為后者的2～3倍。

圖6為圍巖變形梯度云圖，圖中表明圍巖變形量較大的區(qū)域主要集中在-90°～-45°及30°～90°的范圍內(nèi)。巷道上部圍巖產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)變形明顯大于其底板，底板也將產(chǎn)生明顯變形，但產(chǎn)生最大變形的區(qū)域明顯小于頂板一段距離。

從圖6中顯示圍巖變形量最大的位置為圓形巷道的正上方，為了確定巷道的開(kāi)挖對(duì)圍巖的最大影響半徑以及變化趨勢(shì)，除了提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X、Y方向的變形量之外，另外增加了兩條巷道上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

圖7（a）、（b）為巷道頂板不同高度處的位移變化情況，對(duì)于小半徑的巷道而言，作為整個(gè)圓形巷道松動(dòng)范圍及變形量都最明顯的區(qū)域，頂板在松動(dòng)范圍內(nèi)的最小值趨于10mm，大半徑的巷道，最小值趨于30mm。因此，在松動(dòng)圈內(nèi)，大半徑的巷道圍巖位移量最小值為小半徑的2～3倍。

2.2 電法模擬結(jié)果與分析

圖8為模擬斷面的電阻率分布情況，根據(jù)電阻率值大小可得出，在垂向上，阻值大于100Ω·m在（a）中的范圍在50～30m之間，在（b）中的范圍在50～15m之間，大致相當(dāng)于各自半徑的3～4倍。由于電法模擬中無(wú)法施加應(yīng)力場(chǎng)，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果應(yīng)存在一定的誤差，但作為輔助模擬手段，對(duì)于變形梯度的展示上與應(yīng)力模擬的結(jié)果具有相當(dāng)?shù)囊恢滦浴?/p>

3 結(jié)論

（1）利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)巷道開(kāi)挖后圍巖的松動(dòng)范圍進(jìn)行圈定具有可行性。根據(jù)平面方向的位移量及位移梯度，可以有效的圈定出巷道變形較為嚴(yán)重的區(qū)域；

（2）Flac3D模擬中可在任意位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，本文針對(duì)變形最為嚴(yán)重的頂板區(qū)域增添監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得出其變形量隨距離巷道中心長(zhǎng)度的變化關(guān)系；

（3）電法AGI模擬由于忽略應(yīng)力場(chǎng)的限制，僅憑電性參數(shù)判斷松動(dòng)范圍，其效果略差，但對(duì)于判斷圍巖變形梯度上具有一定的效果。

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作者簡(jiǎn)介：田忠（1988-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ膛c環(huán)境物探。