巷道围岩破坏特征数值模拟研究

王 杰

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西 晋城 048027）

巷道掘进之前各岩层应力处于相对平衡状态，随着掘进工作面的持续推进，岩层原始应力平衡状态将被打破，巷道周围岩体应力将会发生重新分布。由于深部岩体所受应力相对复杂，掘巷后围岩体由原来的三向应力状态变为双向应力状态，围岩体结构会减弱，成巷后巷道将处于复杂应力状态中。本文以莒山矿3号煤层2采区运输巷为工程背景，采用数值模拟对巷道应力破坏情况进行分析，为锚杆支护提供参考。

1 工程概况

山西兰花集团莒山煤矿有限公司二采区运输巷沿3#煤层底板掘进，属全煤岩巷道。巷道东北面为3#煤运输大巷、回风大巷保安煤柱，西南面为原二采区运输巷、回风巷保安煤柱及原202刀柱工作面，西北面为3#煤井底车场及矿区保安煤柱，东南面为原201分层工作面（已回采）。

巷道设计为矩形断面，掘进宽度4.4m，高3.2m，巷道净宽4.2m，净高3.0m。采用锚网支护。巷道顶底板特征如表1所示。

表1 煤层顶底板特征表

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

采用FLAC3D建立数值计算模型，模拟二采区运输巷在开挖后的应力分布规律及破坏规律。模型的尺寸为60m×60m×60m，采用摩尔-库伦准则，模型底板限制竖向位移，前后左右限制水平位移，顶部为自由面。各煤岩体物理力学参数如表2所示。

表2 煤岩体物理力学参数

2.2 巷道围岩应力分析

图1为二采区运输巷道垂直应力云图。由图可知，掘进完成后，巷道围岩所受垂直应力表现为高应力区主要集中于巷道两帮，最大应力值为28MPa，巷道顶底板所受应力较小，约为2～4MPa。巷道顶底板中部存在零应力区，表明巷道在掘进过程中岩层原有的应力平衡状态被打破，随着巷道的成形，上覆岩层应力发生重新分布：垂直应力向两侧扩散，导致巷道帮部出现应力集中现象，而巷道顶底板垂直应力急剧减小，甚至出现零应力区。

图1 巷道围岩垂直应力云图

图2为数值模拟所得巷道围岩水平应力云图。分析可知，二采区运输巷道围岩所受水平应力相对较小，应力特征表现为：巷道顶底板所受应力大于两帮，顶板所受高应力为0.8～1.2MPa，位于巷道顶底板中部；两帮所受应力为2～8MPa，此外，两帮区域随着向岩层深部扩展，所受水平应力逐渐增大，由巷道表面帮部的2MPa增加至8MPa。

图2 巷道围岩水平应力云图

对比分析图1及图2可知，巷道掘进后，巷道围岩应力重新分布，主要表现在顶板及底板承载着较高的水平应力，两帮承载着较高的垂直应力。在水平及垂直集中应力作用下巷道表面岩层结构容易发生破坏，围岩体物理力学性质变差。由此可知在实际生产过程中巷道顶板破坏变形及底鼓破坏主要受水平应力的影响，而巷道两帮的破坏变形主要受垂直应力影响。

2.3 巷道围岩变形分析

表3为数值模拟所得巷道围岩垂直及水平变形统计。分析可知变形特征主要表现为顶板下沉量＞两帮＞底板，在实际生产过程中顶巷道掘进后顶板最大下沉量为38.12mm，两帮最大水平移近量为35.72mm，底板底鼓量为15.61mm。在实际支护过程中应重点维护顶板及两帮，使其变形能满足煤炭运输要求。

表3 不同埋深时巷道围岩位移数值

2.4 巷道围岩破坏特征分析

图3为巷道围岩塑性破坏特征图。分析可知巷道掘进后顶板附近岩层主要发生剪切破坏及拉伸破坏，以拉伸破坏为主，破坏深度约1.6m，两帮岩体主要发生剪切破坏，破环深度为1.8m；底板岩层主要发生拉伸和剪切破坏，以拉伸破坏为主，破坏深度约为1.8m；顶角及帮角主要发生拉伸和剪切复合破坏。

由上述分析可知，在巷道实际支护过程中锚杆支护长度应不小于巷道围岩破坏深度：顶板锚杆长度不小于1.6m，两帮锚杆长度不小于1.8m；巷道帮角及底角区域为复合破坏区域，应注意加强支护。由于底部发生一定深度的破坏，巷道掘进完成后应根据实际情况对底板进行处理，对破坏区域进行注浆，以改善巷道底板力学性质，此外，由于巷道服务年限较长，建议对巷道底板进行混凝土硬化处理。

图3 巷道围岩塑性特征图

3 结论

（1）莒山矿3号煤层2采区运输巷开挖后垂直应力主要集中于巷道两帮，最大垂直应力为28MPa；水平应力主要集中于巷道顶板及底板，最大水平应力为8MPa，位于巷道顶底板中部。

（2）巷道顶板最大下沉量为38.12mm，两帮最大水平移近量为35.72mm，底板底鼓量为15.61mm，顶板下沉量＞两帮移近量＞底板变形量。

（3）巷道顶底板破坏深度分别为1.6m和1.8m，主要表现为拉伸破坏；两帮破坏深度为1.8m，主要表现为剪切破坏。

（4）数值模拟结果表明，在巷道实际支护过程中顶板锚杆参数不小于1.6m，两帮支护长度不小于1.8m，同时注意对底板进行硬化处理。