硐室断面尺寸效应对围岩稳定性影响因素数值模拟研究

王广伟 王 鹏 田中磊

（山东新巨龙能源有限责任公司，山东 巨野 274900）

1 引言

近些年来，锚杆支护技术已经成为煤巷支护的主要方式，但就大断面巷道支护问题所进行的理论研究和成功的实践工程有限，尤其是超大断面硐室，由于其断面、埋深较大，围岩破碎区、塑性区显著增大，传统支护技术难以满足硐室围岩稳定需要。为此，本文针对山东新巨龙能源有限责任公司胶带输送机巷超大断面机头硐室围岩稳定性控制技术展开相关研究，且本次研究成果可为类似条件超大断面硐室的围岩稳定性控制提供借鉴参考。

2 研究区域地质概况

山东新巨龙能源有限责任公司主采煤层为3#煤层，平均厚度为6.77m，倾角为0～7°，以亮煤为主，节理较发育，煤层强度较低，为松软煤层，f=0.7。煤层埋深445 ～484m，平均467m。距煤层底板1.4m有0.2m 厚的夹矸，夹矸为炭质泥岩。煤层之上为0.9m 厚的泥岩伪顶，伪顶之上为细粒砂岩—粉砂岩直接顶，厚度1.46m，均匀层理为主，水平纹理次之，小型交错层理，夹薄层泥岩，厚度0.90m。粉砂岩直接顶中粒砂岩—泥岩—砂质泥岩—泥岩—细粒砂岩—泥岩构成的老顶，厚度为16.5m。煤层之下直接底为厚度0.72m 的泥岩和厚度2.04m 的砂岩。直接底下为砂质泥岩老底，厚度为3.76 m，灰色，厚层状，波状层理，夹泥质包体，而其北翼胶带大巷沿煤层掘进。

3 硐室断面尺寸效应对围岩稳定性的影响

3.1 构建数值计算模型

本次数值模拟研究选取摩尔—库伦模型进行计算，并根据实际情况进行适当的简化。建立的模型尺寸为长×宽×高=60m×50m×60m，对模型下部和两边边界进行约束。上部边界为自由边界，其施加的力等同于上覆岩层的重量，则垂直应力按深度480m、容重25kN/m3计算，得出为12MPa，水平侧压系数为0.8。模拟采用Mohr-Coulomb 屈服准则。此次模拟中所选取的主要物理力学参数表如表1 所示。

表1 岩石力学参数表

数值计算模型如图1 所示。

图1 数值计算模型示意图

3.2 硐室断面面积对围岩稳定性影响分析

硐室围岩稳定性存在明显的尺寸效应，为研究硐室断面尺寸对围岩变形、应力及塑性区分布特征规律的影响，共建立4 个矩形硐室模型。硐室尺寸如表2 所示。

表2 硐室模拟尺寸

为分析巷道开挖后巷道围岩塑性区分布及位移变化，只考虑巷道开挖后没有支护情况下巷道断面变化对巷道稳定性的影响。

3.3 围岩塑性区分布规律研究

硐室周边围岩在开挖初期，或后期变形过程中，产生了新的裂隙以及离层破碎，导致硐室围岩体处于较小承载状态的区域逐渐扩大，围岩逐渐处于屈服、破碎甚至松散的状态，浅部围岩在屈服后产生塑性变形，形成塑性区。不同硐室断面情况下围岩塑性区的分布规律如图2 所示。

图2 不同断面硐室围岩塑性区发育规律

由图2（a）～（d）可知：巷道开挖后顶底板及两帮浅部围岩首先发生破坏，破坏形式主要以剪切破坏为主，浅部围岩出现拉伸破坏。不同尺寸下硐室围岩塑性区分布形态基本一致，整体上呈现出两帮大于顶底板的分布状态。随着硐室尺寸的增大，硐室周围塑性区的分布范围和扩展深度逐渐增大。其中方案一顶、底板及两帮塑性区扩展深度为0.5m、1.0m 和1.5m；方案二顶、底板及两帮塑性区发育深度为1.0m、1.0m 和2.0m，并且在巷道帮部出现拉伸破坏；由于巷道在煤层中沿顶板掘进，顶板为相对坚硬的岩层，方案三和方案四塑性区扩展深度变化不大，且两顶角塑性区相对于中心区域较发育。两帮的塑性区发育深度随着巷道尺寸的增大而逐步增加，方案三和方案四的塑性区发育深度分别为2.5m 和3.0m。其中拉破坏的范围也逐渐增加，两帮拉伸破坏范围要大于顶底板。

3.4 围岩应力分布规律研究

硐室开挖与围岩变形均是围岩体释放应力的过程，硐室浅部围岩在开挖与变形过程中不可避免地释放了部分能量。变形量越大，释放能量越多，导致岩体残存应力越低，即围岩残余强度越低，岩体自承载能力越差。因此，硐室围岩中低应力区域的大小能够很大程度上反映围岩的稳定性状况。低应力区范围越大，应力集中区距离巷道表面越远，代表越深的围岩发生了变形，可能是产生了新的裂隙，或是岩层结构遭到了破坏。不同硐室断面情况下围岩应力分布规律如图3 所示。

图3 不同断面硐室围岩应力分布

由图3 可知，硐室开挖之后浅部围岩出现应力降低区域，不同的硐室断面应力降低区域的范围不同。方案一到方案四顶板应力降低区深度分别为1.2m、1.4m、1.7m 和2.3m 左右，两帮应力降低区深度分别为1.0m、1.3m、1.7m 和2.1m 左右，应力降低区域的面积逐渐增大。应力在两帮较深处和巷道的四个角形成应力集中区域，且应力值不断增加。通过垂直应力分布状况可以看出，随着硐室断面的增加，两帮形成的应力集中区域的范围和应力集中程度逐渐增大，但增幅逐渐减小，高应力集中区逐渐向硐室两帮深处转移。

3.5 围岩位移变化规律研究

硐室开挖后，硐室围岩会发生位移变化，而硐室面积的大小不同，围岩移近量也有较大差异。不同断面尺寸下，硐室围岩移近量的变化规律如图4所示。

图4 不同断面尺寸硐室位移变化

由图4 可知，随着巷道断面积的增大，硐室顶底板的移近量和两帮的移近量均逐渐增大，且两帮移近量始终大于顶板变形量。当巷道断面积小于25m2时，巷道顶板和两帮的位移量相差很小；巷道尺寸超过25m2以后，两帮浅部围岩的位移量出现大幅增长，表明此时容易发生煤壁片帮等大变形围岩失稳情况。

4 主要结论

本文以山东新巨龙能源有限责任公司胶带输送机巷超大断面机头硐室围岩稳定性控制技术展开相关研究，主要得出以下结论：

（1）硐室围岩稳定性以及承载能力与硐室断面大小有直接关联。

（2）采用FLAC3D数值模拟软件模拟研究不同断面情况下硐室围岩的塑性区、应力场以及位移场分布规律。研究结果表明：硐室围岩稳定性有明显的尺寸效应，随着硐室断面尺寸的增大，硐室周围塑性区分布范围、两帮形成的应力集中区域的深度和应力集中程度都呈现增大趋势，顶底板和两帮变形量也逐渐增加，同时硐室跨度对顶底板有显著影响，硐室高度对硐室两帮影响显著。

（3）硐室断面越大，围岩稳定性越小，支护难度也就越大，为此要加强大断面硐室的支护强度及力度，以确保硐室围岩稳定性。