0 引言
研究背景：随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，矿山开采深度不断增加，深部巷道所处的地质环境愈发复杂。深部岩体流变特征显著，受高应力、高温、高湿度等环境因素影响，蠕变现象普遍存在[4]。巷道围岩在长期荷载作用下发生蠕变变形，导致岩石开裂或局部应力集中，进而威胁巷道的稳定性与支护结构的时效性[5]。因此，深入研究深部巷道蠕变特性及其对支护时效性的影响，对保障矿山安全生产具有重要意义。
研究现状：目前，针对深部巷道蠕变特性与支护时效性的研究主要采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的方法。已有研究表明，考虑蠕变损伤的围岩本构模型能够有效描述巷道围岩的变形规律，且在支护设计中引入时效性参数可显著提升支护效果[6]。然而，现有研究多集中于单一因素分析，缺乏对多因素耦合作用下蠕变特性与支护时效性的系统研究[7]。本文旨在通过数值模拟方法，综合分析深部巷道蠕变特性及支护时效性，为优化支护设计提供理论依据。
1 深部巷道蠕变特性理论
1.1 岩石蠕变机理
岩石蠕变是指岩石在恒定应力作用下，其应变随时间逐渐增大的现象。根据应力水平的不同，岩石蠕变可分为三个阶段：初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段[8]。在初始蠕变阶段，应变率随时间迅速减小；在稳定蠕变阶段，应变率保持恒定；而在加速蠕变阶段，应变率随时间迅速增加，最终导致岩石破坏。岩石蠕变的发生机制主要与晶体滑移、位错运动等微观结构变化密切相关。例如，在高温或高应力条件下，晶体内部的位错运动会加剧，从而导致岩石的塑性变形累积[9]。此外，岩石中的微裂隙扩展也是蠕变的重要机制之一，尤其是在高应力环境中，微裂隙的扩展会显著降低石的长期强度。
1.2 蠕变影响因素
深部巷道蠕变特性受多种因素影响，其中地应力、围岩性质、温度和湿度是最主要的控制因素[10]。地应力的大小和分布直接影响围岩的应力状态，进而决定蠕变的程度和速率。研究表明，随着地应力的增加，围岩的塑性区范围会显著扩大，蠕变变形也会更加明显[11]。围岩性质包括岩石的矿物组成、颗粒结构及其物理力学特性，这些因素共同决定了岩石的抗蠕变能力。例如，含有较多软弱矿物的岩石通常表现出较强的蠕变特性。温度和湿度对岩石蠕变的影响也不容忽视，温度升高会加速岩石内部原子的热运动，从而促进蠕变的发生；而湿度变化则可能通过改变岩石的有效应力来影响其蠕变行为。此外，巷道开挖后的应力重分布以及支护方式的选择也会对蠕变产生重要影响，合理的设计可以有效控制蠕变的发展[8][10]。
2 数值模拟过程
2.1 模型建立
本研究选取了FLAC3D数值模拟软件，该软件在岩土工程领域具有广泛的应用和较高的可靠性[12]。以口孜东矿北翼轨道石门为研究对象，根据现场实际工程地质条件，建立了离散元数值计算模型。巷道断面形状为直墙半圆拱，宽度7.3m，高度5.4m，断面面积28.6m²，顶底板主要为泥岩，两帮为煤层和泥岩，属于典型的千米深井特大断面软岩巷道[13]。数值计算模型的几何特征与实际巷道一致，确保了模拟结果的真实性与适用性。
2.2 本构模型选择
在岩石蠕变本构模型的选择上，主要考虑了Burgers模型和Kelvin模型。Burgers模型能够较好地反映岩石的瞬时应变、延迟弹性应变和黏性流动特性，适用于描述软岩的蠕变行为[14]；而Kelvin模型则更适用于分析岩石在低应力水平下的蠕变特性[15]。结合研究区深部巷道的实际情况，选择Burgers模型作为主要本构模型，因其能够更全面地描述巷道围岩在不同应力阶段的蠕变行为，特别是在高应力环境下表现出色。
2.3 参数设定
模型中的岩石力学参数基于试验巷道围岩中所取煤岩样的实验室单轴压缩试验结果确定，包括弹性模量E、泊松比v、单轴抗压强度UCS等[1]。同时，结合现场钻孔窥视估计GSI数值，并通过GSI岩体分类方法折减后取得最终参数。地应力参数则根据现场实测数据设定，最大主应力值为45.8MPa，方向呈北北西和北北东，应力大小排序为x方向最大，z方向次之，y方向最小[2]。这些参数的获取方法科学严谨，确保了模拟结果的可靠性。
2.4 模拟方案制定
模拟方案综合考虑了不同支护方式（如锚杆支护、锚索支护、联合支护等）和时间因素的影响。具体而言，设计了三种工况：无支护、锚杆支护和锚索+钢筋网联合支护，并分别模拟了为期100天的蠕变变形过程[3]。模拟目标在于分析巷道围岩的时效变形特征和应力场及塑性分布区的演化规律，变量包括支护方式、时间因素和围岩力学参数[7]。通过对比不同工况下的模拟结果，评估支护时效性并优化支护设计。
3 模拟结果分析
3.1 蠕变规律分析
在不同条件下，深部巷道的蠕变规律呈现出显著的时间和空间特征。根据数值模拟结果，巷道顶板的位移随时间逐渐增大，尤其是在初期阶段表现出较高的蠕变速率，随后趋于稳定；底板位移则表现出类似趋势，但其蠕变速率相对较低[4]。两帮位移在恒定压力作用下表现出非对称性，这与围岩材料的弱化系数及环境湿度密切相关。此外，围岩应力集中区域主要分布于巷道拐角处及顶板与两帮交界处，且应力值随时间逐渐减小，表明围岩内部应力在蠕变过程中发生了重新分布[5]。这些现象与文献中关于深部巷道蠕变特性的描述一致，进一步验证了模拟结果的合理性。
3.2 支护时效性分析
支护结构在不同阶段的受力特征及其变形情况直接反映了支护时效性。模拟结果显示，锚杆和锚索的轴力在巷道开挖初期迅速增加，随后逐渐趋于稳定，表明支护结构在初期能够有效抵抗围岩变形[6]。然而，在长期蠕变作用下，部分锚杆出现轴力下降的现象，这可能与围岩材料的流变特性及支护结构的老化有关。此外，支护结构的位移和变形量随时间逐渐增加，尤其在潮湿软化状态下，其变形速率明显高于干燥状态[8]。这表明支护时效性受到环境因素的显著影响，同时也提示在实际工程中需采取针对性的支护优化措施以提高支护效果的持久性。
4 模拟结果验证
4.1 与实际工程案例对比
为验证数值模拟结果的可靠性，选取了云南某矿山深部接替工程作为实际工程案例进行对比研究[10]。该工程地处高地应力环境，巷道围岩表现出明显的流变特性，与本文模拟对象具有较高相似性。通过对比发现，模拟得到的巷道周边位移随时间变化趋势与实际工程中监测数据基本一致，尤其是在支护阻力增加的情况下，巷道位移收敛速度减缓的现象得到了较好的再现。然而，模拟结果中塑性区半径略小于实际测量值，这可能与模型中未充分考虑围岩非均质性及节理裂隙分布有关[9]。此外，模拟中采用的广义H-B准则虽然能够较好地拟合岩石强度特性，但对局部应力集中区域的预测仍存在一定偏差。总体而言，模拟结果在宏观层面上能够反映实际工程中的蠕变规律与支护效果。
4.2 可靠性与准确性评估
基于与实际工程案例的对比分析，可以认为本文所采用的数值模拟方法在一定程度上具备可靠性与准确性。模拟结果能够合理反映深部巷道蠕变特性及支护时效性的主要特征，如围岩位移随时间的变化趋势、支护结构受力分布等。然而，模拟过程中仍存在一些误差来源。首先，模型参数的确定依赖于实验室测试与现场估算，可能无法完全反映实际岩体的复杂力学行为[11]。其次，数值模型中对围岩非均质性和不连续结构面的简化处理可能导致局部应力场与实际情况存在差异。此外，模拟中未考虑温度、湿度等环境因素对蠕变行为的影响，这也可能引入一定误差[12]。尽管如此，通过进一步优化模型参数与边界条件，并结合更多现场监测数据，可以进一步提高模拟的精度与可靠性。
5 优化建议
5.1 支护设计优化
针对数值模拟分析中发现的问题，如巷道围岩应力集中区域的位移过大以及支护结构受力不均等现象，提出优化支护设计的建议。首先，应调整支护参数，例如增加锚杆的长度和密度，以提高支护结构对围岩的约束能力，特别是在塑性区半径较大的情况下，锚杆长度需延伸至稳定岩体区域[13]。其次，改进支护结构形式，采用联合支护方式，如锚杆与锚索相结合，并在关键部位增设钢筋混凝土衬砌，以增强支护体系的整体承载能力[14]。此外，根据模拟结果中不同位置的蠕变特性，可分区设计支护方案，例如在顶板及两帮等重点区域采用高强度支护材料，而在底板等相对稳定的区域适当降低支护强度，从而实现资源的高效利用。
5.2 提高支护时效性措施
为提高支护时效性，确保巷道长期稳定，需从施工时间和材料选择两方面入手。一方面，应合理安排支护时间，基于围岩时效损伤劣化的演化趋势，确定一次支护和二次支护的最佳时机。研究表明，在一次支护完成后，围岩的垂直应力峰值比率达到某一临界值时，应及时进行二次支护，以有效控制围岩的持续变形[15]。另一方面，采用新型支护材料，如高性能聚合物基复合材料或智能监测材料，这些材料不仅具有较高的强度和耐久性，还能实时监测支护结构的受力状态，从而为后续维护提供科学依据[3]。此外，结合现场实际情况，可引入动态补强技术，根据巷道蠕变规律及时调整支护方案，以应对复杂的地质条件变化。
6 结论与展望
6.1 研究成果总结
本研究通过数值模拟方法对深部巷道蠕变特性及支护时效性进行了系统分析，揭示了深部围岩在不同应力状态下的蠕变规律。研究表明，深部巷道围岩的蠕变变形具有显著的时间效应，其变形速率在巷道掘进初期较高，并随时间逐渐减小，但最终趋于稳定的时间较长[1][2]。此外，支护方式对围岩蠕变的抑制效果表现出明显的时效性特征，例如锚杆支护在短期内能够有效控制巷道浅层围岩的变形，而联合支护体系则在长期稳定性方面表现更为优异[4]。基于模拟结果，提出了优化支护设计的建议，包括调整支护参数和改进支护结构，以提高支护效果并延长其时效性。这些研究成果为深部巷道工程实践提供了重要的理论依据和技术支持，对保障矿山安全生产具有重要意义。
6.2 未来研究方向
尽管本研究取得了一定的成果，但深部巷道蠕变特性与支护时效性研究仍面临诸多挑战。未来的研究应进一步考虑更多复杂因素对蠕变行为的影响，例如动荷载、地下水作用以及温度变化等，这些因素可能在深部地质环境中显著改变围岩的力学响应和蠕变特性[5][7]。此外，针对新型支护材料和智能监测技术的应用研究也值得关注，这些技术有望提升支护结构的性能及其时效性。同时，建议开展多场耦合条件下的数值模拟与现场试验相结合的研究方法，以更全面地揭示深部巷道围岩蠕变机制及其控制策略。通过以上研究方向的探索，可以进一步完善深部巷道蠕变理论与支护技术体系，为工程实践提供更加科学和可靠的技术支撑。
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