焦世雄 王文才

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.同煤集團(tuán)白洞煤業(yè)有限公司，山西 大同 037029）

隨著白坪煤礦轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采，主斜井不斷延深，運(yùn)輸路線越來(lái)越長(zhǎng)，主斜井運(yùn)輸出現(xiàn)了能力不足、運(yùn)輸成本太高等一系列問(wèn)題，成為礦井安全、高效生產(chǎn)的主要制約因素。白坪礦研究決定對(duì)主斜井進(jìn)行改造，改變以前一部皮帶運(yùn)輸?shù)姆绞?，采用兩部皮帶?duì)接運(yùn)輸。而采用兩部皮帶對(duì)接運(yùn)輸帶來(lái)的問(wèn)題是，一部皮帶機(jī)頭與二部皮帶機(jī)尾對(duì)接處必須采用大斷面，才能滿足使用要求。從白坪礦現(xiàn)有支護(hù)情況看，深部巷道圍巖大多呈現(xiàn)高應(yīng)力軟巖特性，尤其是斷面較大的絞車房、變電所及交叉點(diǎn)等巷道，維護(hù)十分困難，普通錨網(wǎng)索支護(hù)已經(jīng)不足以控制大斷面軟巖巷道強(qiáng)烈變形。因此，研究巷道斷面尺寸對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響對(duì)保證硐室圍巖穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)服務(wù)期內(nèi)不擴(kuò)修的目標(biāo)具有重要意義。

1 工程概況

白坪煤礦主斜井改造，改變以前一部皮帶運(yùn)輸?shù)姆绞?，采用兩部皮帶?duì)接運(yùn)輸，將一部皮帶機(jī)頭與二部皮帶機(jī)尾對(duì)接處改造為大斷面皮帶機(jī)頭硐室，在小斷面的基礎(chǔ)上分段刷大，巷道原斷面4.8×3.5m，改造后設(shè)計(jì)斷面為11×8.2m。

2 巷道斷面尺寸對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬

白坪煤礦主斜井皮帶機(jī)頭硐室改造后巷道跨度達(dá)到11m，為超大斷面巷道，由于其巷道斷面特殊性，巷道周圍出現(xiàn)的破裂區(qū)范圍和塑性區(qū)范圍將明顯擴(kuò)大，嚴(yán)重影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。因此，需要重點(diǎn)考慮巷道斷面尺寸對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，以下結(jié)合FLAC數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道斷面尺寸影響因素進(jìn)行了分析。

2.1 建立數(shù)值分析模型

根據(jù)白坪煤礦皮帶機(jī)頭硐室現(xiàn)有地質(zhì)采礦條件和數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)，在有效降低邊界效應(yīng)和保障模擬精度的同時(shí)，大幅提高模擬運(yùn)算速度，建立平面應(yīng)變模型尺寸為100m×80m，共劃分32000個(gè)有限差分單元。本模型水平邊界為固定邊界，上邊界為應(yīng)力邊界，受模型計(jì)算容量所限，在模型的頂部加11.5MPa的等效載荷，相當(dāng)于約460m厚的上覆巖層。根據(jù)主斜井皮帶機(jī)頭硐室圍巖賦存情況得到數(shù)值模型主要巖體的力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬模型巖體力學(xué)參數(shù)

以白坪煤礦的采礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，綜合考慮各方面影響因素，建立如圖1所示的數(shù)值分析模型，模型的尺寸（長(zhǎng)×寬）：100×80m。模型中直墻半圓拱為白坪煤礦皮帶機(jī)頭硐室斷面，尺寸為：寬×高＝11m×8.2m。

圖1 數(shù)值分析模型

2.2 巷道斷面尺寸影響分析

選擇4個(gè)斷面尺寸：4.8×3.5m、7×5m、9×6.5m、11×8.2m進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)分析不同的巷道斷面尺寸對(duì)圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)和巷道圍巖變形量的影響。

（1）不同的斷面尺寸巷道圍巖塑性區(qū)分布情況

圖2 不同巷道斷面尺寸圍巖塑性區(qū)分布情況

圖2為不同的巷道斷面尺寸巷道圍巖塑性區(qū)分布情況。由圖可知，隨著巷道斷面尺寸的增大，巷道周圍塑性區(qū)范圍明顯增大。巷道斷面尺寸為4.8m×3.5m時(shí)，頂板塑性區(qū)達(dá)到2.45m，幫部塑性區(qū)范圍達(dá)到2.72m，底板塑性區(qū)范圍達(dá)到3.5m；巷道斷面尺寸為7m×5m時(shí)，頂板塑性區(qū)范圍達(dá)到3.57m，幫部塑性區(qū)范圍達(dá)到3.71m，底板塑性區(qū)范圍達(dá)到5.4m；巷道斷面尺寸為9m×6.5m時(shí)，頂板塑性區(qū)達(dá)到5m，幫部塑性區(qū)范圍達(dá)到4.64m，底板塑性區(qū)范圍達(dá)到6.65m；巷道斷面尺寸為11m×8.2m時(shí)，頂板塑性區(qū)達(dá)到5.92m，幫部塑性區(qū)范圍達(dá)到6.26m，底板塑性區(qū)范圍達(dá)到8.28m。

由此可見(jiàn)，巷道斷面由4.8m×3.5m刷大到11m×8.2m后，由于揭露砂質(zhì)泥巖的范圍擴(kuò)大，巷道兩幫及底板巖體處于剪脹變形的范圍擴(kuò)大，另外巷道斷面擴(kuò)大為原來(lái)的5.4倍，圍巖塑性區(qū)范圍增大5.6倍，巷道斷面擴(kuò)大圍巖塑性區(qū)范圍延伸到原本穩(wěn)定的巖層，圍巖受張拉破壞的范圍增大，圍巖破碎區(qū)將會(huì)增多，迫使更大范圍巖體變形，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重。

（2）不同的斷面尺寸巷道圍巖主應(yīng)力分布情況

由圖3可知，巷道開(kāi)挖后在巷道周圍出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力降低環(huán)，且應(yīng)力降低范圍較為一致。巷道斷面尺寸為4.8m×3.5m時(shí)，頂部應(yīng)力降低范圍為1.84m，幫部應(yīng)力降低范圍為2.05m，底板的應(yīng)力降低范圍為2.83m。同時(shí)在巷道兩幫、底板出現(xiàn)應(yīng)力集中，頂板應(yīng)力集中范圍較小，幫部應(yīng)力集中范圍較大，由巷道幫腳延伸至肩窩部位。距巷道表面2m位置巖體應(yīng)力恢復(fù)到15MPa，集中應(yīng)力分布區(qū)域距離巷道表面較近。隨著巷道斷面尺寸的增加，圍巖應(yīng)力降低范圍增大，巷道斷面尺寸為7m×5m時(shí)，頂部應(yīng)力降低范圍為2.93m，幫部應(yīng)力降低范圍為2.72m，底板的應(yīng)力降低范圍為4.32m，距巷道表面3m位置巖體應(yīng)力恢復(fù)到15MPa。巷道斷面尺寸為9m×6.5m時(shí)，頂部應(yīng)力降低范圍為3.98m，幫部應(yīng)力降低范圍為3.63m，底板的應(yīng)力降低范圍為5.66m，距巷道表面4m位置巖體應(yīng)力恢復(fù)到15MPa。巷道斷面尺寸為11m×8.2m時(shí)，頂部應(yīng)力降低范圍為5.27m，幫部應(yīng)力降低范圍為5.28m，底板的應(yīng)力降低范圍為7m，距巷道表面5.5m位置巖體應(yīng)力恢復(fù)到15MPa。

圖3 不同斷面尺寸巷道圍巖最大主應(yīng)力分布情況

隨著巷道斷面尺寸的增大，應(yīng)力降低范圍明顯擴(kuò)大，巷道斷面由4.8m×3.5m刷大到11m×8.2m后，頂板應(yīng)力集中范圍向兩幫轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中范圍增大。巷道周圍最大主應(yīng)力集中程度增加14%，集中應(yīng)力位置向深部穩(wěn)定巖層轉(zhuǎn)移。另外，由于巷道周圍最大主應(yīng)力降低范圍增大，導(dǎo)致淺部巖體的自承載能力降低。在深部較大集中應(yīng)力作用下，巷道整體內(nèi)縮，圍巖變形量增大。

3 結(jié)論

通過(guò)巷道斷面尺寸對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，巷道斷面尺寸變化對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大，隨著巷道斷面的不斷增大，巷道圍巖的塑性區(qū)范圍逐步增加。巷道兩幫與底板是直墻半圓拱形巷道支護(hù)承載薄弱的環(huán)節(jié)須加強(qiáng)支護(hù)，保持巷道圍巖的穩(wěn)定，同時(shí)由于大斷面硐室的跨度較大，頂板暴露的范圍較大易產(chǎn)生頂板下沉，須使用長(zhǎng)度大于巷道圍巖塑性區(qū)范圍的錨索加強(qiáng)巷道兩幫與頂板的支護(hù)。