袁光明，張傳朋

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260；2.山東能源臨礦集團(tuán)菏澤煤電公司，山東 菏澤 274700)

0 引言

我國西部煤礦侏羅系地層居多，特點(diǎn)是巖體軟弱，泥質(zhì)膠結(jié)、遇水泥化、強(qiáng)度低[1]。而處在其中的軟巖巷道極易出現(xiàn)大變形、大范圍失穩(wěn)破壞等一系列工程響應(yīng)問題。為此大批專家學(xué)者展開了大量的研究并取得了較大的進(jìn)展[2]。侯朝炯[3]基于經(jīng)典的理想彈塑性理論分析了深部巷道圍巖穩(wěn)定性的影響因素，認(rèn)為改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)和圍巖力學(xué)性能及提高支護(hù)阻力等是深部巷道圍巖控制的有效途徑。王衛(wèi)軍[4]等理論分析了深部高應(yīng)力巷道圍巖塑性區(qū)與支護(hù)阻力的關(guān)系，結(jié)論是塑性區(qū)半徑對(duì)較小的支護(hù)阻力敏感性比較高，當(dāng)支護(hù)阻力較大時(shí)，隨著支護(hù)阻力的增大，敏感程度明顯降低。趙志偉[5]等利用相似材料模擬試驗(yàn)得出巷道底鼓和頂板下沉現(xiàn)象除受預(yù)加高應(yīng)力和連續(xù)載荷影響外，巷道的左右邊墻破壞對(duì)巷道頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也有影響。蘆德偉[6]基于采用水壓致裂法對(duì)煤層地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，得出了巷道頂板穩(wěn)定性受最大水平地應(yīng)力的影響程度以及不同掘進(jìn)方向巷道狀況的差異。任杰[7]、張釗[8]理論分析了巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素包括原巖應(yīng)力、圍巖性質(zhì)、采動(dòng)影響、支護(hù)結(jié)構(gòu)屬性等。陳曦[9]等采用正交數(shù)值模擬試驗(yàn)研究了巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)隧道水平收斂、拱頂下沉量的影響。綜上所述，目前針對(duì)弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素與變形破壞的直接關(guān)系的研究還不多見。鑒于此，本文以寧夏榆樹井煤礦11801工作面順槽為工程背景，利用直觀形象的數(shù)值模擬方法，探尋巖體力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力、支護(hù)阻力等影響圍巖穩(wěn)定性的因素與巷道四周變形破壞的直接關(guān)系。

1 建立數(shù)值模型

11801工作面順槽巷寬4.2 m，高3.0 m，為矩形巷道，設(shè)計(jì)長度為950m(如圖1所示)。工作面開采煤田8#煤層，厚度大且較穩(wěn)定，平均厚度2.52 m，屬中含煤組上部第三含煤段中部煤層，局部含1層粉砂巖或細(xì)砂巖夾矸，煤層傾角大致為8°。8#煤層頂板為粉砂巖，深灰黑色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，含炭屑，煤屑、植物化石及黃鐵礦結(jié)核，厚度15.12 m；底板也為粉砂巖，淺灰色，分選較好，局部波狀層理發(fā)育，泥質(zhì)膠結(jié)，含少量炭屑，厚度5.12 m(如圖2所示)?；谀獱?庫侖屈服準(zhǔn)則，運(yùn)用FLAC3D建立數(shù)值模型，如圖1所示。模型坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在巷道頂板中點(diǎn)，巷道軸向設(shè)為Y方向，水平面內(nèi)與Y垂直的方向設(shè)為X方向，與水平面垂直的方向即為Z向。模型Y方向取5 m，另兩個(gè)方向均取30 m。為更精確地研究巷道圍巖的位移場分布規(guī)律，模型基準(zhǔn)單元大小為0.75 m，并以1.05的比率向外擴(kuò)展，由此得模型共16000個(gè)單元，17491個(gè)節(jié)點(diǎn)。模擬所用巖體原始參數(shù)見表1，水平應(yīng)力值為17.15 MPa，垂直應(yīng)力值為8.35 MPa，所有參數(shù)均為該礦地質(zhì)分析報(bào)告所提供。

圖1 工作面位置及順槽位置示意圖

圖2 煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

圖3 數(shù)值計(jì)算幾何模型

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

2 巖性與圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系

圍巖物理力學(xué)性能(彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等)是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素，著名學(xué)者Kastener已經(jīng)給出了數(shù)學(xué)表達(dá)式[3]。為探究這些因素與弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖頂?shù)装?、兩幫變形的具體關(guān)系，依次采用成比例改變其中一個(gè)因素，固定另兩個(gè)因素的方式開展數(shù)值模擬。

2.1 彈性模量對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

基于巖體原始參數(shù)(見表1)作為一個(gè)模擬方案2，然后將彈性模量分別減小1倍，增大2倍、4倍作為模擬方案1，3，4(見表2)。模擬結(jié)果見圖4 和圖5。

表2 彈性模量變化表

圖4 不同方案x和z方向位移云圖

圖5 不同彈性模量條件下巷道表面圍巖最大位移比較圖

由圖4和5可以看出隨著彈性模量的逐漸增加，巷道表面位移均單調(diào)遞減。方案1中，巷道圍巖左右?guī)偷奈灰品謩e為477.8 mm和477.3 mm，頂?shù)装逦灰品謩e為939.4 mm和655.8 mm。而方案4中，巷道圍巖左右?guī)偷奈灰品謩e為59.72 mm和59.66 mm，分別都減小了8倍，頂?shù)装逦灰品謩e為117.4 mm和81.98 mm，也分別減小了8倍?？梢?，隨著彈性模量增加，巷道圍巖變形量顯著減小。有研究表明沉積巖石的彈性模量均隨圍壓增大而增大[10]，而圍壓等價(jià)于支護(hù)體的支護(hù)阻力，因此，為增強(qiáng)巷道圍巖整體性和穩(wěn)定性，應(yīng)盡量提高支護(hù)阻力；也可發(fā)現(xiàn)，隨著彈性模量逐漸增大，巷道圍巖變形速率呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律。例如彈性模量從方案1變化到方案2時(shí)左幫最大位移變化了469.7 mm，而從方案3變化到方案4時(shí)左幫最大位移僅變化了117.4 mm。由圖表推測可知當(dāng)彈性模量再增大時(shí)巷道圍巖位移變化將保持較低的變形速率；4個(gè)方案中巷道圍巖變形規(guī)律一致，具體為頂板下沉量最大，底板臌起量次之，頂?shù)装宓氖諗苛看笥趦蓭褪諗苛俊Ｒ苑桨?為例，巷道頂板下沉量234.8 mm是底板臌起量164 mm的1.43倍。頂?shù)资諗苛?98.8 mm是兩幫收斂量238.7 mm的1.67倍。總之，巷道圍巖變形都是頂板下沉量最大，底板鼓起量次之，兩幫變形量最小。

2.2 粘聚力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

基于巖體原始參數(shù)(見表1)作為模擬方案6，然后將粘聚力分別減小1倍，增大2倍、4倍作為模擬方案5，7，8(見表3)。模擬結(jié)果見圖6和圖7。

表3 粘聚力變化表

圖6 不同方案x和z方向位移云圖

圖7 不同粘聚力條件下巷道表面圍巖最大位移比較圖

由圖6和圖7可以看出隨著粘聚力的逐漸增加，巷道表面位移均單調(diào)遞減。粘聚力在方案5時(shí)，巷道圍巖左右?guī)偷奈灰品謩e為463.8 mm和464.5 mm，頂?shù)装逦灰品謩e為734.4 mm和535.6 mm。而粘聚力在方案8時(shí)，巷道圍巖左右?guī)偷奈灰品謩e為77.9 mm和77.94 mm，分別都減小了6倍，頂?shù)装逦灰品謩e為106.4 mm和70.31 mm，分別減小了6.9倍和7.6倍，可見，隨著粘聚力增加，巷道圍巖變形量顯著減小。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇錨桿、注漿等能有效提高錨固區(qū)圍巖粘聚力的支護(hù)方式；也可發(fā)現(xiàn)，隨著粘聚力的逐漸增大，巷道圍巖變形遞減速率呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律。例如粘聚力從方案5變化到方案6時(shí)左幫最大位移變化了261.6 mm，而從方案7變化到方案8時(shí)左幫最大位移僅變化了35.76 mm。由圖表推測可知當(dāng)粘聚力再增大時(shí)巷道圍巖位移變化將保持較低的變形速率；4個(gè)方案中巷道圍巖變形也均呈現(xiàn)出不對(duì)稱，具體與彈性模量變化引起的變化規(guī)律一致。如以方案6為例，巷道頂板下沉量343.8 mm，是底板臌起量280.9 mm的1.22倍，頂?shù)资諗苛?24.7 mm，是兩幫收斂量403.9 mm的1.55倍。但是當(dāng)粘聚力在增大到一定數(shù)值以后，底板鼓起量將小于兩幫變形量。

2.3 內(nèi)摩擦角對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

基于巖體原始參數(shù)(見表1)作為模擬方案10，然后將粘聚力分別減小1倍，增大2倍、4倍作為模擬方案9，11，12(見表4)。模擬結(jié)果如圖8 和圖9所示。

表4 內(nèi)摩擦角變化表

續(xù)表

圖9 不同內(nèi)摩擦角條件下巷道表面圍巖最大位移比較圖

由圖8和圖9可以看出隨著內(nèi)摩擦角的逐漸增加，巷道表面位移也均是單調(diào)遞減，但減小量較小。在方案9中，頂?shù)装逦灰品謩e為129.1 mm和84.98 mm，而在方案12中，頂?shù)装逦灰品謩e為75.82 mm和53.61 mm，分別只減小了1.7倍和1.6倍。尤其是兩幫的變形減小量更小，近乎一條水平線。如在方案9中，巷道圍巖左右?guī)偷奈灰品謩e為85.29 mm和85.19 mm，而在方案12中，巷道圍巖左右?guī)偷奈灰品謩e為69.76 mm和69.74 mm，分別僅減小了15.53 mm和15.45 mm?？梢妰?nèi)摩擦角的變化對(duì)兩幫變形的影響很小，因此，內(nèi)摩擦角的變化主要對(duì)巷道頂板和底板產(chǎn)生影響；也可發(fā)現(xiàn)，不同內(nèi)摩擦角條件下巷道圍巖變形不對(duì)稱的特點(diǎn)表現(xiàn)不明顯。以方案12為例，巷道頂板下沉量75.82 mm，僅比底板臌起量大22.21 mm，兩幫收斂量139.5 mm，僅是頂?shù)装迨諗苛?29.43 mm的1.08倍，變形量相近。

3 地應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

地應(yīng)力組成因素很多，巖體的變形破壞與所處的應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān)，它的大小是巷道圍巖產(chǎn)生大變形與破壞失穩(wěn)的主要影響因素[4,11，12]。為詳細(xì)分析地應(yīng)力對(duì)弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，通過控制側(cè)壓系數(shù)不變，改變垂直應(yīng)力值和控制垂直應(yīng)力值不變，改變側(cè)壓系數(shù)兩種情況來模擬巷道圍巖的位移變化規(guī)律。

3.1 垂直應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定的影響

控制原巖側(cè)壓系數(shù)λ=17.15/8.5≈2，分別取垂直應(yīng)力為4 MPa、6 MPa、8 MPa和10 MPa 4種情況模擬應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，結(jié)果見圖10和圖11。

圖10 不同垂直應(yīng)力時(shí)x和z方向位移云圖

圖11 不同垂直應(yīng)力條件下巷道表面圍巖最大位移比較圖

由圖10和圖11可知，垂直應(yīng)力與巷道圍巖變形基本呈現(xiàn)正比例關(guān)系，隨著垂直應(yīng)力的增大，巷道變形線性增加。隨著垂直應(yīng)力的增大，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃螆D還呈現(xiàn)出一個(gè)共同的特點(diǎn)：圖線斜率先小后大再變小，如當(dāng)垂直應(yīng)力從4 MPa 增加到4 MPa時(shí)圖線斜率小于垂直應(yīng)力從6 MPa增加到8 MPa時(shí)的斜率，而垂直應(yīng)力從8 MPa增加到10 MPa時(shí)圖線斜率也小于垂直應(yīng)力從6 MPa增加到8 MPa時(shí)的斜率。由此可知，隨著垂直應(yīng)力的增大，巷道變形速率表現(xiàn)出先小后大再變小的規(guī)律；垂直應(yīng)力對(duì)巷道頂板下沉量的影響最大，例如垂直應(yīng)力為4 MPa時(shí)，頂板下沉量為114.6 mm，而底板鼓起量為69.89 mm，左右兩幫分別為58.51 mm 和58.62 mm，頂板下沉量是底板鼓起量的1.64倍，是兩幫位移量的1.95倍。當(dāng)垂直應(yīng)力為8 MPa時(shí)，頂板下沉量為453.8 mm，而底板鼓起量為311.3 mm，左右兩幫分別為230.10 mm 和229.71 mm，頂板下沉量是底板鼓起量的1.46倍，是兩幫位移量的1.97倍?？梢姡锏涝O(shè)計(jì)和支護(hù)時(shí)應(yīng)充分考慮垂直應(yīng)力對(duì)頂板下沉量的影響。

3.2 測壓系數(shù)對(duì)穩(wěn)定的影響

保持垂直應(yīng)力為8 MPa不變，設(shè)置側(cè)壓系數(shù)以0.1的增加幅度從0.4一直增加到2.0，模擬17個(gè)側(cè)壓系數(shù)情況下巷道圍巖變形狀態(tài)。

由圖12可知，巷道圍巖變形與側(cè)壓系數(shù)的大小也均呈正比例相關(guān)關(guān)系，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃尉€性增加。整個(gè)過程巷道頂板變形量和增加幅度始終最大，如λ為0.4時(shí)，頂板下沉量為156.37 mm，底板下沉量為58.77 mm，左右兩幫分別為102.74 mm和100.87 mm。λ為2.0時(shí)，頂板下沉量為417.11 mm，底板下沉量為288.14 mm，左右兩幫分別為210.52 mm 和208.97 mm。頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏吭黾臃纫来螢?61.40 mm，229.37 mm，107.78 mm和108.10 mm，這說明側(cè)壓系數(shù)對(duì)頂板位移的影響最大。也可發(fā)現(xiàn)，在λ為1.1的位置，底板和兩幫的變形圖線出現(xiàn)了交叉，在交叉之前(λ≤1.1)時(shí)左右兩幫位移量大于底板的鼓起量，交叉之后(λ>1.1)底板的鼓起量大于兩幫的位移量。由此說明，底板的變形對(duì)側(cè)壓系數(shù)的改變相比兩幫更為敏感。由此也印證了有的學(xué)者關(guān)于水平應(yīng)力是引起軟巖巷道底鼓的主要因素的觀點(diǎn)。

圖12 圍巖變形與側(cè)壓系數(shù)的關(guān)系

4 支護(hù)阻力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

通常情況下，較大的支護(hù)阻力對(duì)減小圍巖變形是有利的，因?yàn)橹ёo(hù)阻力可以抑制破碎的巖體張開和滑動(dòng)，巷道圍巖的整體性和穩(wěn)定性從而得到保證[2,13,14]。為詳細(xì)分析支護(hù)阻力與弱膠結(jié)軟巖巷道四周變形的具體關(guān)系，模擬支護(hù)阻力分別為0 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa 六種方案下巷道圍巖變形規(guī)律。

圖13 不同支護(hù)阻力時(shí)x和z方向位移云圖

圖13 不同支護(hù)阻力時(shí)x和z方向位移云圖(續(xù))

由圖14可知支護(hù)阻力對(duì)巷道圍巖變形影響較大，隨著支護(hù)阻力的增大巷道四周變形均在單調(diào)遞減。例如支護(hù)阻力為0.2 MPa時(shí)，頂板下沉量為377.12 mm，底板鼓起量為280.27 mm，左右兩幫位移量分別為207.15 mm和205.77 mm，而支護(hù)阻力增大到0.5 MPa時(shí)頂板下沉量降到了140.55 mm，底板鼓起量則降到了91.77 mm，左右兩幫也降到了147.24 mm和148.56 mm，頂?shù)装搴妥笥覂蓭妥冃螠p小量分別達(dá)236.57 mm，188.50 mm，59.91 mm和57.21 mm。巷道四周變形還表現(xiàn)出一個(gè)共同規(guī)律：根據(jù)位移減小幅度可將整個(gè)過程分為三個(gè)階段，支護(hù)阻力較小時(shí)(00.5 MPa)，隨著支護(hù)阻力的增大，巷道四周變形遞減速率又開始降低。如支護(hù)阻力為0.5 MPa時(shí)底板位移為91.77 mm，已經(jīng)控制在了100 mm范圍內(nèi)。支護(hù)阻力為0.6 MPa時(shí)底板位移為74.71 mm，相比0.5 MPa的阻力僅減小了17.06 mm。由此可知，在考慮支護(hù)方案時(shí)不能一味尋求提高支護(hù)阻力，而是應(yīng)要求在持續(xù)提供較高支護(hù)阻力前提下，支護(hù)結(jié)構(gòu)還具有一定的連續(xù)變形能力，以容納圍巖部分“給定變形”。這里的74.71 mm可以認(rèn)為是巷道圍巖控制時(shí)所應(yīng)考慮的底板“給定變形”量；也可發(fā)現(xiàn)，左右兩幫的位移曲線與頂?shù)装宓奈灰魄€在圖中一些位置出現(xiàn)了交叉，從總體上看左右兩幫的位移曲線相對(duì)變化比較平穩(wěn)，頂?shù)装宓奈灰魄€相對(duì)比較陡峭，此說明支護(hù)阻力對(duì)抑制巷道頂?shù)装逦灰频哪芰?qiáng)于抑制左右兩幫收斂變形的能力。

圖14 不同支護(hù)阻力時(shí)表面圍巖最大位移比較圖

5 結(jié)論

(1) 彈性模量和粘聚力的變化對(duì)巷道圍巖變形量的改變有顯著的影響，內(nèi)摩擦角的變化對(duì)巷道圍巖變形量的改變也有一定的影響，但是影響程度與前兩者相比較小。一定范圍內(nèi)，彈性模量和粘聚力的變化對(duì)巷道頂?shù)装迨諗苛康挠绊懘笥趯?duì)兩幫收斂量的影響，而內(nèi)摩擦角的變化巷道圍巖變形不對(duì)稱的特點(diǎn)不明顯。

(2) 地應(yīng)力越大，圍巖穩(wěn)定性越差。垂直應(yīng)力和測壓系數(shù)的改變對(duì)頂?shù)装鍑鷰r位移量的影響較大，對(duì)兩幫的影響相對(duì)較小。但隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，圍巖頂?shù)装搴蛢蓭妥冃尉蕟握{(diào)遞增的趨勢，說明水平應(yīng)力對(duì)巷道變形破壞的影響更為突出。

(3) 支護(hù)阻力越大，圍巖穩(wěn)定性越好。支護(hù)阻力較小時(shí)，支護(hù)阻力的提高可以迅速減小圍巖的變形量，尤其是頂?shù)装宓奈灰屏?。?dāng)支護(hù)阻力超過0.5 MPa時(shí)，圍巖位移量變化幅度大大減小，最佳的支護(hù)方案是支護(hù)結(jié)構(gòu)既具有持續(xù)較高的支護(hù)阻力又有一定的連續(xù)變形能力，以允許圍巖一定的變形。