掘進時高應力近距離巷道工程穩定性研究

王旭平

(西山煤電集團公司 鎮城底礦，山西 古交 030200)

?

掘進時高應力近距離巷道工程穩定性研究

王旭平

(西山煤電集團公司 鎮城底礦，山西 古交 030200)

采用現場監測、理論分析及數值模擬等方法，對高應力近距離巷道在開挖過程中產生的擾動及穩定性進行了分析研究。對開挖工序和一次爆破掘進長度等掘進方案的數值進行模擬，研究結果表明：應力釋放區域會在動載荷的作用下擴大，是由于巷道圍巖及鄰近硐室受到巷道開挖所產生的變形擾動所致；在一次爆破掘進長度較短時，整段巷道的變形會因為擾動次數的增加而增大，反之亦然。

高應力；近距離巷道；機械掘進；爆破掘進；擾動；穩定性

在礦山設計中，巷道及硐室往往分布比較集中。在進行巷道開挖作業時，應遵循平行作業，那么，在爆破作業時，附近巷道及硐室必然會受到震動擾動的影響，同時應力的疊加也會影響到其穩定性。

目前，國內外針對爆破動力擾動開展了一系列研究，且取得了不錯的效果。其中吳剛就一種基于擾動狀態概念的本構模擬方法對損傷模型體系進行了具體研究；劉泉聲基于監測結果發現擾動具有時空效應；何滿潮指出巷道擾動是淺部工程圍巖所屬的非線性力學系統。這些研究結果均從巖體開挖的擾動損傷和破壞機理入手來揭示圍巖變形受力規律，然而對于不同掘進方式和工況條件下的擾動影響研究卻較少。因此，本文從不同施工工序和工況條件下對高應力近距離巷道工程在掘進和使用過程中的穩定性進行分析研究，為巷道支護提供理論依據。

1 工程概況

某礦-750 m水平的主井井底車場，主要硐室包括：主水泵房，中央變電所，運輸大巷及繞道大巷。本文主要針對主要巷道和硐室的擾動及穩定性進行分析，其平面布置圖見圖1.

圖1 主要硐室及巷道平面示意圖

2 開挖爆破過程中擾動應力傳播

運用爆破方法掘進巷道過程中，開挖段巷道圍巖會受到爆炸產生的擾動而發生損傷破壞，會對巷道圍巖及鄰近硐室造成一定影響。擾動應力波在巖石中傳播時不斷被吸收消化。因此，巷道的開挖過程對擾動應力波的傳播起到衰減作用。通過實驗可以發現，衰減系數與巖石堅硬程度有關，通常在軟巖中的衰減較快。

復雜條件下的礦山圍巖及硐室在近距離開挖時，所形成的擾動應力往往較為復雜，并且會有應力集中現象。擾動應力波會在圍巖內部形成動應力，加上靜應力的共同作用，會降低圍巖穩定性。

3 擾動下巷道圍巖變形特征數值模擬

本文針對運輸大巷及繞道大巷的開挖對主水泵房和中央變電所的擾動進行數值模擬分析，模擬時采用機械掘進和爆破掘進，開挖工序為：單獨和同時開挖運輸大巷和繞道大巷，分別研究其對各硐室的影響。

采用FLAC 3D建立數值模擬模型。模型長、寬、高分別為180 m、100 m、50 m，見圖2.

圖2 三維數值模型圖

實測表明，采用多排孔爆破會引起爆破震動的疊加，為了避免這一問題，計算中取載荷波形為諧波的一段。根據實際情況，取擾動應力峰值為20 MPa，持續時間為5 ms，應力波時程曲線圖見圖3.

圖3 爆破擾動應力波時程圖

利用FLAC軟件可以模擬邊界或內部節點受到動載荷時的受力情況，通過控制程序，允許動載荷輸入進而模擬應力時程圖。巷道開挖后，在巷道壁面輸入兩幫、頂板、底板和撐子面等參數。

4 開挖擾動巷道圍巖變形特征數值計算結果分析

分別對機械掘進和爆破掘進進行模擬，最終得到位移與應力計算結果見圖4，圖5. 對比圖4 和圖5可以發現：機械掘進時，運輸大巷和繞道大巷對中央變電所和主水泵房硐室的擾動較小，硐室巷道兩邊開挖時周邊巖體變形也較小。而在爆破掘進時，相比機械掘進，運輸大巷和繞道大巷對中央變電所和主水泵房的擾動較大，同樣硐室巷道兩邊開挖時周邊巖體變形也較大。同時還能夠看出，在較大范圍內3個開挖工程的應力釋放已經相通，應力集中現象較為明顯，說明3個巷道工程在圍巖較大變形情況下形成了一個較大的應力釋放區。

一次爆破不同掘進長度的硐室圍巖變形和擾動計算過程曲線圖見圖6. 由圖6可以看出，一次爆破掘進長度越短，擾動開挖次數越多，導致圍巖變形越大，反之同理。一次爆破掘進長度越長，圍巖開挖初期引起的變形速度就較大，之后隨爆破次數的增加，圍巖變形開始逐漸增加，說明爆破次數的增加會加速圍巖產生變形。

5 擾動結果分析

根據實測結果可知：對于相鄰巷道或硐室的相互開挖擾動影響表現為，兩條相距20 m的巷道或硐室位移形變在以掘進工作面為中心的10～20 m較大；而爆破掘進對掘進巷道圍巖擾動影響較大一般是發生在25 m左右，距離再增加時，擾動影響逐漸減弱，見圖7.

圖4 兩種工況圍巖變形分布規律圖

圖5 兩種工況圍巖應力分布規律圖

圖6 不同掘進長度下開挖擾動引起的圍巖變形特征曲線圖

圖7 收斂變形曲線圖

當開挖距離一定時，兩條巷道相距越近擾動影響越明顯，相距較遠時，擾動不明顯。根據現場監測和數值計算所得的不同間距開挖時所引起的圍巖變形增長曲線圖見圖8. 由圖8曲線分析可得，當巷道間距在30 m以內時，相互開挖擾動十分明顯，這是由于在開挖過程中爆破掘進產生的動載荷作用加劇，相互擾動造成應力區貫通，此時應力釋放區擴大，產生明顯的應力集中現象，從而導致開挖擾動十分明顯；當間距在30 m以外時，無法形成應力貫通區域，動載荷作用不明顯，因而相比30 m以內擾動現象不明顯，并且隨間距增加圍巖變形逐漸減小。因此，根據巷道圍巖變形規律可將開挖巷道分為破壞區、影響較大區、影響較小區和無影響區，破壞區和影響區位于掘進面30 m以內。

6 結 論

1) 爆破掘進所產生的擾動應力會對開挖巷道圍巖造成損傷破壞，此時的巷道圍巖受到靜應力和動應力的共同作用，使得巷道和硐室的失穩性增加。

2) 靜荷載與動荷載的作用效果不同。靜荷載時，巷道開挖對鄰近硐室和巷道的擾動影響較小，松動圈無法形成貫通區域，而動荷載作用時，巷道開挖時的擾動影響較大，松動圈形成貫通區域。巷道間距越小，爆破擾動影響越大，巷道穩定性越差。

圖8 不同巷道間距下圍巖變形關系曲線圖

3) 當單獨開挖運輸大巷采用爆破掘進方式時，變電所和水泵房硐室的變形和應力釋放區都會偏向運輸大巷；當同時開挖運輸大巷和繞道大巷采用爆破掘進方式時，變電所和水泵房硐室的變形和應力釋放區域分布就會比較均勻，此時應力釋放區與運輸大巷和繞道大巷相貫通。

4) 根據巷道圍巖變形規律可將開挖巷道分為破壞區、影響較大區、影響較小區和無影響區。破壞區和影響區位于掘進面30 m以內。

[1] 鄒 洋，李夕兵.開挖擾動下高應力巖體的能量演化與應力重分布規律研究[J].巖土工程學報，2012，34(9)：1677-1684.

[2] 劉泉聲，時 凱.鄰近巷道掘進擾動效應下巷道變形監測分析[J].煤炭學報，2011，36(6)：897-902.

[3] 趙國彥，劉東銳.爆破擾動下露天礦邊坡巖體力學參數確定[J].科技導報，2013，31(3)：33-37.

[4] 陳 明，盧文波.爆破開挖對巖體含水裂紋擴展機制[J].巖土力學，2014，35(6)：1555-1560.

[5] 孫金山，左昌群.爆破應力波對鄰近圓形隧道的動力擾動特征[J].振動與沖擊，2015，34(18)：7-13.

[6] 陳 明，郭天陽.爆破開挖對邊坡巖體裂紋擴展機制[J].巖石力學與工程學報，2015，34(7)：1307-1314.

Study on Stability of High Stress Short Distance Roadway
Engineering during Advancing

WANG Xuping

The perturbation and stability of high-stress short-distance roadway during excavation are analyzed by field monitoring, theoretical analysis and numerical simulation. The results show that the stress release area will expand under the action of dynamic load, which is induced by the roadway excavation conducted to surrounding rock and the adjacent chamber. In a blasting tunneling with short length, the whole section of the roadway deformation will increase, and vice versa.

High stress; Close distance roadway; Mechanical advancing; Blasting advancing; Disturbance; Stability

2017-02-09

王旭平(1986—)，男，江蘇鎮江人，2010年畢業于中國礦業大學，助理工程師，主要從事煤礦掘進安全技術管理工作

(E-mail)361609132@qq.com

TD326

B

1672-0652(2017)03-0012-04