大跨度巷道不同開挖順序的數值模擬研究

曹 磊，呂洪旭，劉長武

（1.四川省地質工程勘察院，四川 成都 610072；2.四川大學 水利水電學院，四川 成都 610044）

1 引言

在礦業工程中，隨著回采工作面設備的大型化以及開采強度和產量的大幅度提高，為保證礦井通風、運輸及大型設備的安裝等要求，巷道的跨度越來越大［1］，大跨度巷道的開挖與支護問題便成為現實要解決的問題。對大跨度巷道開挖與支護的研究表明，巷道開挖后由于垂直應力的作用，導致兩幫應力集中，水平應力重分布后成為頂板巖層的荷載［2-3］。矩形巷道由于巷道開挖后應力轉移和破壞導致頂板產生卸壓區，故大跨度巷道的開挖采用一次全斷面施工時，可能導致頂板巖層大面積跨落，同時巷道兩幫及肩角處的應力集中現象［4-5］也會給支護帶來困難。因此，本文針對大跨度巷道不同開挖順序的情況進行數值模擬研究，以探求大跨度巷道合理的施工方法，為支護的設計提供依據。

本文以冀中能源集團葛泉礦東井11912工作面為背景，采用以有限差分法為基礎的FLCD3D軟件模擬11912工作面切眼開挖的過程，以期對類似大跨度巷道的施工及支護提供理論依據。

2 模型概況與相關參數取值

理論分析與實踐證明，巷道的開挖僅對巷道周邊一定的范圍有明顯影響，當模型邊界到巷道周邊的距離為巷道尺寸的3～5倍時［6］，由計算區域的大小而引起的計算誤差便可以控制在工程允許的范圍之內。因此，根據葛泉礦11912工作面實際地質情況，切眼模擬埋深190m，采用摩爾-庫倫模型，模擬范圍定為長×寬×高=60m×10m×27m。整個模型共生成42000個網格區域和47916個節點。模型頂部為自由邊界，上部巖層平均容重取2.4t/m3，荷載大小由上覆巖層的重量確定。左右邊界施加固定水平位移的約束，巷道底部施加固定垂直位移的約束。力學模型如圖1所示，物理力學參數見表1。

表1 煤巖體物理力學特征

巷道跨度6.3m，計算模型共取2個，一是首次開挖斷面2.3m，后擴挖斷面4.0m；二是首次開挖斷面4.0m，后擴挖斷面2.3m。

圖1 數值分析力學模型

3 數值模擬研究結果與分析

3.1 不同開挖順序時的圍巖破壞規律

圖2、圖3、圖4、圖5分別為不同開挖順序下的巷道圍巖塑性區分布圖。

圖2 先開挖2.3m塑性區分布圖

圖3 先開挖4.0m塑性區分布圖

圖4 擴幫4.0m后塑性區分布圖

圖5 擴幫2.3m后塑性區分布圖

圖2和圖3比較可見，第一次開挖大斷面比第一次開挖小斷面時的塑性區范圍要大，這是正常的，符合巷道跨度的理論分析，即巷道跨度越大，圍巖破壞區越大［7］。當第二次開挖完成后，兩種開挖方法塑性區范圍差別不大，兩種開挖順序巷道直接頂均發生了破壞，破壞類型表現為剪切破壞和拉伸破壞，先開挖大斷面比先開挖小斷面時頂板破壞范圍較大，兩種開挖方法擴幫部分頂板、幫部、底板破壞范圍均比先開挖部分要大，兩幫煤體破壞均為剪切破壞，塑性區范圍相差不大。先開挖大斷面時巷道底板塑性破壞區范圍略大于先開挖小斷面時塑性區破壞范圍，巷道直接頂均表現為拉破壞和剪破壞，直接頂以下主要表現為剪破壞。由圖4和圖5可以看出，上述兩種開挖方式，巷道兩肩角部位均出現較大范圍的圍巖破壞區，因此巷道肩角部位應重點進行支護。

3.2 不同開挖順序時的位移分布規律

圖6、圖7、圖8、圖9為不同開挖順序時的位移分布云圖。

圖6和圖7可以看出，先開挖小斷面時左右兩幫最大6水平位移大致相同，均在20～25.0mm之間，先開挖大斷面時，巷道左幫水平位移略大于巷道右幫，即先開挖部分巷道左幫最大位移量（24.5mm）大于后開挖部分巷道右幫最大位移量（23.1mm）。先開挖小斷面時最大水平位移發生在巷道右幫，而先開挖大斷面時最大水平位移發生在巷道左幫。由圖8和圖9可以看出，兩種開挖方法垂直位移主要發生在頂板，表現為頂板下沉。第一種開挖順序頂板最大下沉位移量（35.0～39.2mm）小于第二種開挖順序時的頂板最大下沉位移量（40.0～40.1mm），但相差不大。

圖6 先開挖小斷面時水平位移云圖

圖7 先開挖大斷面時水平位移云圖

圖8 先開挖小斷面時垂直位移云圖

圖9 先開挖大斷面時垂直位移云圖

圖10為兩種開挖順序頂板中部下沉位移分布，由圖可見，先開挖小斷面時巷道頂部表面位移量比先開挖大斷面時小約7.0%（約3.0mm），向頂板深部發展兩種開挖方法引起的位移量逐漸趨于一致，由此可知，兩種開挖方法引起的位移差別主要集中在巷道頂部附近。在頂板深部4m處煤與上部巖層交界面，兩種開挖順序引起的頂板位移量曲線斜率均發生明顯變化，位移增加率開始變小，表明煤與直接頂在此處發生離層，因此頂板支護應該以頂部煤層為重點。

圖10 頂板跨中不同深度位移量對比圖

圖11 巷道左幫不同深處位移量對比圖

圖11為兩種開挖順序巷道左幫（先開挖的永久幫）的位移分布，由圖中可看出先開挖大斷面比先開挖小斷面時位移小5%左右（約1.5mm），曲線在2.0m處位移接近于0mm，因此兩種開挖順序巷幫圍巖內部位移主要集中在2m范圍內。

3.3 不同開挖順序時的圍巖應力分布規律

圖12、圖13、圖14、圖15為不同開挖順序時的應力分布云圖。從中可以看出，兩種開挖方法最大應力值基本相同，巷道頂板和底板均出現拉應力區，巷道兩幫均出現壓應力區。無論是水平應力還是垂直應力，在巷道頂板和底板區域均表現出應力降低區。先開挖大斷面時最大壓應力區域比先開挖小斷面時大，先開挖大斷面時壓應力區主要在底板左側部分，而先開挖小斷面時壓應力區主要在底板中部，說明兩種開挖順序的第二步開挖對底板壓應力的分布有影響。

圖12 先開挖小斷面時水平應力云圖

圖13 先開挖大斷面時水平應力云圖

圖14 先開挖小斷面時垂直應力云圖

圖15 先開挖大斷面時垂直應力云圖

4 葛泉礦11912工作面大跨度切眼施工

4.1 支護參數

葛泉礦東井11912工作面切眼埋深190m，巷道跨度大、煤層強度低、圍巖破碎、裂隙發育，根據葛泉礦實際條件，采用鉆爆法施工。依據數值模擬結論，結合11912工作面地質情況，選擇先開挖大斷面后開挖小斷面的施工方法，即先掘進跨度3.8m的巷道，然后再擴幫2.5m至設計斷面。考慮到開切眼的實際地質情況，以考慮多種影響因素的極限平衡區深入巖體深度作為大跨度破碎圍巖巷道圍巖分類指標［8］，初始支護設計時對頂板采用“錨帶網，錨索聯合支護”方式，巷道兩幫采用“錨網支護”方式。擴切眼前，距切眼中心線1.25m處，垂直補打一排單體配鉸接頂梁，擴切眼后，垂直補打一排單體配 型鋼，隨擴隨打。

圖16 開切眼初始支護設計圖

4.2 巷道表面位移監測

為反饋支護效果，對巷道周邊位移進行觀測并加以探討，巷道表面變形觀測采用十字布置法。通過對切眼的頂板、底板和兩幫的表面位移量進行觀測，可以較準確地掌握11912綜放工作面巷道的支護形式對圍巖變形的控制效果，以判斷開挖順序及支護參數的合理性。工作面切眼巷道表面位移監測歷時20天。

圖17 開切眼位移量曲線圖

最終監測結果如圖17所示。可以看出，切眼左幫總位移約62mm，位移速率隨著切眼擴幫的進行逐漸減小；切眼右幫在擴幫前位移量為零，隨著擴幫的進行，位移量逐漸增大，總位移量約54mm，低于左幫位移量；切眼頂板總位移量約14mm，總位移量較小；切眼底板最終底鼓量約14mm。由以上數據可以看出，切眼左幫、右幫、頂板、底板變形量均較小，在允許的范圍之內，且在整個工作面推進期間，均沒有發生明顯的破壞，支護效果良好。

5 結論

（1）大跨度巷道不同的開挖順序對巷道圍巖破壞區域、應力分布和位移量均有明顯的影響，先開挖小斷面有利于巷道頂底板的穩定，而先開挖大斷面有利于巷道兩幫的穩定。

（2）兩種開挖順序均導致巷道上部兩肩角處出現較大范圍的破壞區，因此在進行支護設計時，應考慮在錨桿支護的基礎上采用錨索進行加強支護。

（3）兩種開挖順序均導致巷道頂板和兩幫出現較大位移，因此，巷道頂板和兩幫中部是巷道維護的重點。

（4）對于大跨度巷道開挖順序的選擇要根據實際情況而定，當埋深較淺且圍巖性質較好時應采用先開挖小斷面后開挖大斷面的施工順序，以利于頂板穩定，而對于埋深較大且圍巖性質較差的情況應選擇先開挖大斷面后開挖小斷面的施工順序，以利于兩幫穩定。