軟巖巷道工程掘進的擾動與穩定性研究

孫 強

（晉城宏圣礦建安裝分公司 ，山西 晉城 048205）

0 引言

軟巖巷道圍巖穩定性研究是礦壓巖層控制中十分重要的一部分，同時也是礦井安全生產中所面臨的一道復雜難題。國內外研究人員對于軟巖問題進行了大量的研究，針對目前現場出現的許多現象，得到了許多成果，但由于地質條件的復雜與差異性，許多問題還無法解釋，其理論體系也尚未完善。當巖層力學性質較低即在軟巖中布置巷道時，由于巷道之間距離不合適，巷道布置比較密集。一般情況下，井下巷道掘進順序采用平行作業方式，即巷道掘進工序同時進行，從而增大井下工作效率，但由于巷道之間距離較小，掘進過程中巷道圍巖所處應力狀態發生變化，因此會對巷道穩定性產生影響[1～3]。

目前，國內外學者針對軟巖巷道工程以及掘進擾動影響的圍巖破壞變形進行了大量的研究，獲得了許多成果。朱萬成等[4]采用RFPA數值模擬軟件，針對巷道采取不同的側壓系數時，模擬了巷道掘進擾動對其圍巖造成破環的過程；高富強等[5]采用FLAC3D數值模擬軟件，對巷道掘進擾動影響下，巷道圍巖內部應力分布情況以及峰值位置進行了確定；葉洲元等[6]研究了深井工程巷道圍巖開挖后對圍巖產生的力學效應，并證明在擾動影響下，圍巖圍壓升高抗壓強度隨著增大的情況；劉泉聲等[7]對巷道圍巖表面變形以及錨桿索拉拔力進行了監測，得出了深井工程巷道掘進的擾動影響范圍。

上述研究成果從巷道掘進方式、擾動影響因素等多方面對巷道穩定性進行了研究，本文以山西三聚盛煤礦軟巖巷道掘進為背景，采用數值模擬和現場實測方法對巷道掘進的擾動與穩定性進行了分析，從而分析得出巷道掘進擾動對圍巖穩定性的影響。

1 工程概況及圍巖破壞分析

1.1 工程概況

山西三聚盛煤礦一采區主采煤層為9#煤，煤層厚度平均為3.5m，傾角為5°，煤層埋深為300～350 m，煤層結構簡單，一般含1～4夾矸，為全區穩定可采煤層。煤層頂板為泥巖、石灰巖，局部為泥灰巖、砂質泥巖，底板為粉砂巖、泥巖、砂質泥巖。根據測試結果，煤層灰巖頂板抗壓強度120.0～155.1MPa，抗拉強度4.0～5.0MPa；砂質泥巖底板抗壓強度 96.4～97.0MPa。一采區主要巷道包括回風上山、軌道上山以及膠帶上山巷道，巷道布置情況如圖1所示。由巷道圍巖物理力學條件得出，一采區巷道圍巖節理裂隙發育，穩定性差，易于受工程擾動影響而破碎。

圖1 巷道布置圖

1.2 巷道掘進擾動及穩定性分析

巷道在掘進時，會對周圍巖體產生擾動影響作用，使其完整度被破壞，出現表面圍巖塊狀掉落甚至有時發生巖爆的現象，從而影響巷道整體的穩定性。巷道掘進在巖層中會產生擾動應力波，其在巖層中的傳播會逐步減弱直到消失，通常情況下，軟巖巷道圍巖中的應力波衰減速度較大。

根據對該礦井一采區三條巷道現場的調研結果，得出巷道掘進引起的圍巖破壞的影響因素包括三方面，分別為是圍巖破碎程度高、掘進擾動影響大以及支護參數不合理等。通過現場的實地考察，發現巷道圍巖破壞過程如下：由于巷道為軟巖巷道，圍巖強度較低，內部滋生有大量裂隙，巷道掘進時在圍巖內部會出現應力集中等現象，高應力狀態對圍巖產生破壞作用，形成應力波，造成大面積地圍巖破碎。隨著時間的延長，圍巖中的應力波向深部傳遞，引起深部圍巖破壞，巷道整體穩定性降低，此時需要一定的支護作用來維持巷道的穩定性，因此支護方式以及參數至關重要。

該礦井一采區三條上山巷道采用的支護方式為傳統的錨噴支護形式，目前該支護方式及參數存在一定的缺陷，無法對巷道在強度以及剛度等方面形成一定的支護作用，支護缺陷主要如下：①支護密度小，錨桿預緊力不夠，對巷道表面破碎圍巖無法起到擠壓加固作用，造成經常出現塊狀掉落，錨桿托盤無法壓緊在巷道表面；②混凝土噴層剛度不夠，無法控制巷道表面破碎圍巖的變形，易出現裂隙等現象，影響穩定性。綜合以上因素，巷道圍巖本身易于破碎，在不合理支護條件下，圍巖破碎變形更加顯著，最終導致巷道失穩破壞。

2 數值模擬分析巷道掘進擾動影響

2.1 建立數值模型

采用FLAC數值模擬軟件對巷道間距與掘進擾動效應強弱的關系進行模擬。模型外形尺寸為長×高×寬=180×100×50m，共劃分154800個單元格。后掘巷道與先掘巷道的形狀均為直墻半圓拱形，根據現場巷道的實際大小，即寬×高=5m×3.5m。模型底面設置為固定邊界，側面為位移邊界，頂面為應力邊界，按上覆巖層約350m厚度對模型施加均布載荷，巷道上覆巖體平均密度取2500kg/m3，所以，模型頂部所需加的垂直應力分別為7.91MPa，側壓系數取為1.2，模型如圖2所示。模型采用物理力學性質較弱的單一均質材料，模型材料參數為：重度γ=2.35kg/m3，抗壓強度Rc=13MPa，抗拉強度Rt=1.14MPa，內聚力C=0.49MPa，內摩擦角 φ=31°，變形模量 E=3.35GPa，泊松比λ=0.31。

圖2 數值模擬模型

2.2 巷道間距與掘進擾動影響特性關系

根據現場巷道布置情況，數值模擬確定為三個方案，即三條上山巷道之間的間距分別為30m、40m以及50m，模擬當垂直距離為0時，后掘巷道對先掘巷道圍巖的變形量和主應力分布情況。

巷道掘進后，頂板巖層會出現應力釋放現象，形成較大范圍的冒落拱區域，由理論分析可知，巷道頂板巖層主要承受剪切破壞，而頂板巖層強度大小決定了冒落拱的高度以及范圍。巷道開挖，頂板巖層除了自身維持穩定外，會對兩幫形成載荷，應力也逐步向兩幫內部轉移，從而出現應力集中現象。巷道掘進過程中，對圍巖內部應力分布情況以及規律進行分析探索，有利于掌握巷道圍巖變形規律，因此在模型中對巷道兩幫圍巖內部應力進行監測，沿垂直于巷道兩幫的方向布置1條15m長的側線。每個監測點的距離為1m，均勻布置15個監測點。

1）巷道圍巖主應力分布分析。

模型中后掘巷道位于先掘巷道的左側，因此以先掘巷道的左幫作為研究對象，對監測數據進行處理分析，結果如圖3所示。

圖3 不同水平距離下巷道圍巖主應力差分布變化曲線

從圖中可以看出，當巷道處于同一水平時，巷道間距在30、40、50m三種方案下，巷道受到掘進擾動影響之后的圍巖內部應力分布有較大的差異性。三種方案條件下應力峰值位置大致相同，間距為30m條件下應力峰值大小最大，為18.6MPa，間距為40m和50m條件下，應力峰值大小基本相同，為16.8MPa。在圍巖深部，應力大小逐漸減小，三種方案下基本都在13m左右應力逐漸穩定，但間距為30m條件下圍巖深部應力較大為10.5MPa左右，間距為40m和50m條件下應力為5.5MPa左右。上述結果表明，巷道間距的增大能夠有效減小兩幫圍巖載荷大小。因此軟巖巷道間距的增大能夠弱化掘進對巷道產生的擾動影響。

2）巷道圍巖變形監測分析。

圖4 不同水平距離下巷道圍巖變形量

圖4 為三種不同巷道間距條件下圍巖變形量曲線圖。從圖中可看出：巷道圍巖的變形量隨著水平距離的增加而顯著下降，巷道兩幫的變形量大于頂底板移近量。其中，頂底板與兩幫變形曲線的平均變化率分別達到1.25mm/m。因此水平距離的增加顯著減小了巷道的圍巖變形量。

3 現場實測結果

一采區膠帶上山、軌道上山以及回風上山現場水平距離為30m，對一采區軌道上山巷道掘進時期巷道表面位移進行觀測，在巷掘進面附近安設觀測站，得到巷道頂底板及兩幫圍巖變形曲線圖和變形速率曲線圖，如圖5所示。

圖5 開挖擾動對巷道的前后變形曲線

根據監測數據表明，相距為30m的兩條巷道，掘進巷道對鄰近巷道或硐室影響程度較大的范圍在掘進工作面為中心的前后10～20m之內，該區域表現為位移變形較其它范圍內的巷道大，變形速度也較大。當工作面距監測點距離繼續增大時，巷道圍巖明顯減少，從圖中看出，到監測30d左右，變形速度明顯減少。另外，開挖擾動對本巷道圍巖變形的影響比對鄰近巷道的大。在一定距離中進行開挖時，當兩條巷道相距較近時，開挖擾動的影響程度較為明顯；而當兩條巷道相距較遠時，開挖擾動不明顯。

根據分析可知，當巷道之間的距離在30m以內時，相互開挖的影響程度明顯。因此，可按照巷道圍巖變形特點，將巷道掘進時所產生的開挖分為破壞區、影響程度較大區和影響程度較小區，直到無擾動區域，破壞區和影響區位于掘進面30m以內。

4 結論

本文對多條巷道掘進時擾動影響與穩定性進行了研究，以山西三聚盛煤礦一采區三條上山巷道為背景，對其進行了理論研究與數值模擬分析，得出巷道水平距離的增加能夠顯著削弱軟巖巷道間的掘進擾動影響。在以該礦一采區三條上山巷道間距為30m的情況下，對巷道表面位移進行了現場監測。監測結果表明，掘進巷道對鄰近巷道影響程度較大的范圍在掘進工作面為中心的前后10～20m之內，該區域表現為位移變形較其它范圍內的巷道大，變形速度也較大。當工作面距監測點距離繼續增大時，巷道圍巖變形量明顯減少，開挖擾動對本巷道圍巖變形的影響比對鄰近巷道的大。