煤礦節(jié)理地層TBM 掘進(jìn)巷道圍巖損傷規(guī)律分析

代 邁，唐 彬，，3，王 永，王雪松，汪振華

（1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南232001；2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南232001；3.淮南礦業(yè)集團(tuán)博士后科研工作站，安徽 淮南232001）

TBM（Tunnel Boring Machine），即全斷面掘進(jìn)機(jī)。其掘進(jìn)、排矸、支護(hù)同步作業(yè)，具有安全性好、掘進(jìn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來，TBM 已逐漸被用于煤礦巖石巷道掘進(jìn)施工中。以德國Minister Stein 和Franz Haniel，澳大利亞West Cliff，美國Westmoreland，加拿大Donkin-Morien 等為代表的煤礦采用TBM 掘進(jìn)斜井或平硐，取得了較為理想的效果[2]。我國煤礦全斷面掘進(jìn)工程應(yīng)用始于2003 年塔山煤礦主平硐。2015 年，張集煤礦使用敞開式TBM 掘進(jìn)瓦斯抽采巷道，神東補(bǔ)連塔煤礦使用雙護(hù)盾TBM 施工主斜井[3]。TBM 掘進(jìn)巷道斷面及掘進(jìn)擾動(dòng)特性均與傳統(tǒng)的鉆爆法和綜掘法有較大區(qū)別。針對煤礦巷道TBM 圍巖穩(wěn)定性分析的問題，唐彬、程樺[4]等依據(jù)圍巖力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，建立了煤礦硬巖TBM 掘進(jìn)條件下非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則，分析了煤礦硬巖地層TBM 掘進(jìn)后圍巖力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。黃興、劉泉聲[5-8]等推導(dǎo)了軟巖TBM 開挖卸荷擠壓大變形本構(gòu)模型，揭示了TBM掘進(jìn)隧（巷）道軟弱圍巖的流變力學(xué)特性。蔣明鏡、王華寧等[9-10]提出了考慮襯砌結(jié)構(gòu)的圓形巷道圍巖力學(xué)響應(yīng)的黏彈性解析解。單仁亮、何川等[11-12]基于數(shù)值模擬，研究了TBM 掘進(jìn)煤礦巷道圍巖與襯砌相互作用機(jī)理。上述學(xué)者多基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論對巷道圍巖穩(wěn)定性開展分析研究。然而煤系地層節(jié)理較為發(fā)育，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)在分析節(jié)理、裂隙分布及擴(kuò)展形態(tài)對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響、研究巷道圍巖損傷、破壞發(fā)育擴(kuò)展規(guī)律和巷道冒頂、片幫范圍的分布特性等方面具有較大的局限性。為此，基于離散單元法理論，建立考慮節(jié)理影響的TBM 掘進(jìn)煤礦巷道數(shù)值模型，開展數(shù)值計(jì)算，分析節(jié)理地層TBM 掘進(jìn)巷道圍巖損傷變形特性，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，為TBM 掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論參考和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 工程概況

1）工程背景。施工巷道為張集煤礦1413A 綜采工作面瓦斯抽采巷道，巷道長度1 594 m，巷道斷面為圓形，直徑4.53 m，埋深-495 m[13-14]。其作用為抽采1413A 綜采工作面回采時(shí)析出的瓦斯，防止采煤工作面瓦斯超限，確保回采工作的安全。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，綜合考慮掘進(jìn)工作的安全性和TBM設(shè)備特點(diǎn)，擬采用錨桿作為巷道支護(hù)的主要手段。

2）地質(zhì)條件。巷道所在地質(zhì)層位為二疊紀(jì)山西組石英砂巖層，砂巖平均層厚27 m，圍巖單軸抗壓強(qiáng)度80～100 MPa 以上，最高134 MPa。巷道圍巖較為完整，地質(zhì)構(gòu)造較少，在局部區(qū)域存在節(jié)理、斷層，其中距巷道撥門處150～ 200 m 的一段區(qū)域，節(jié)理、斷層較為發(fā)育，極大地限制了TBM 安全、快速掘進(jìn)。

2 TBM 掘進(jìn)巷道圍巖損傷特性分析

在開展巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、確定支護(hù)參數(shù)前，首先對TBM 掘進(jìn)巷道圍巖損傷特性和破壞型式開展數(shù)值分析。隨后參考數(shù)值計(jì)算結(jié)果，初步制定巷道支護(hù)方案，對易破壞的圍巖區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)，并在確保支護(hù)安全性和巷道穩(wěn)定性的前提下，減少非必需的支護(hù)工作量，以使支護(hù)施工速度與TBM 較高的掘進(jìn)速度相匹配。TBM 掘進(jìn)巷道局部地層節(jié)理構(gòu)造較多，常用的FLAC、ANSYS 等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)軟件難以模擬節(jié)理、斷層及圍巖的損傷破壞擴(kuò)展發(fā)育過程，因此采用UDEC 離散單元法軟件開展數(shù)值分析。

2.1 離散單元法數(shù)值分析原理

UDEC（Universal Distinct Element Code），即通用離散單元法程序。UDEC 中的基本單元塊體各自獨(dú)立，并通過接觸與其他塊體相互作用。其通過定義塊體及接觸的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)模擬不同材料的力學(xué)特性。三角形塊體的變形特性由剪切模量G 和體積模量K 表征。而接觸的法向剛度kn和切向剛度ks決定著塊體接觸的變形特征，接觸的摩擦角φj、黏聚力cj及抗拉強(qiáng)度則決定塊體接觸的強(qiáng)度特性。當(dāng)塊體間接觸力未超過接觸強(qiáng)度時(shí)，模型由塊體的變形模量和接觸剛度產(chǎn)生變形；當(dāng)接觸法向應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，接觸產(chǎn)生拉伸破壞；當(dāng)接觸切向應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，接觸產(chǎn)生拉伸破壞，在模型中表現(xiàn)為相鄰塊體滑移或脫落[15]。選擇Mohr-Coulomb 彈塑性強(qiáng)度準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)塊體的拉伸和剪切破壞。

2.2 石細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

與其他基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值模擬軟件不同，UDEC 采用細(xì)觀參數(shù)定義材料的物理力學(xué)性能，如式（1）和式（2）[15]：

式中：G 為剪切模量；K 為體積模量；E 為彈性模量；μ 為泊松比。

接觸的法向剛度kn和切向剛度ks可由式（3）和式（4）計(jì)算得出：

式中：△Zmin為節(jié)理兩側(cè)塊體單元的最小寬度。

對于接觸的摩擦角φj、黏聚力cj及抗拉強(qiáng)度，則需開展巖石數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。巷道圍巖以粉質(zhì)石英砂巖為主，通過對現(xiàn)場取芯制取巖石試件，試件直徑50 mm，高100 mm，用于巖石單軸壓縮試驗(yàn)。隨后在UDEC 軟件中開展巖石試件，通過試錯(cuò)法，調(diào)整巖石細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，直至巖石宏觀物理力學(xué)性能與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，便可確定數(shù)值計(jì)算中所需的巖石細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，巖石細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定如圖1。

圖1 巖石細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定Fig.1 Calibration of rock micro-parameters

石英砂巖參數(shù)如下：

1）宏觀參數(shù)。①抗壓強(qiáng)度σc：105.7 MPa；②抗拉強(qiáng)度σt：5.56 MPa；③體積模量K：23.89 GPa；④剪切模量G：16.54 GPa。

2）細(xì)觀參數(shù)。①法向剛度Ks：362.35 GPa/m；②切向剛度Kn：144.94 GPa/m；③內(nèi)摩擦角φj：39.0°；④黏聚力Cj：57.76 MPa；⑤抗拉強(qiáng)度σtj：9.63 MPa。

2.3 數(shù)值模型

考慮到開挖巷道對周圍圍巖的影響，參考之前已有的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，確定模型尺寸為30 m×30 m。巷道直徑4.5 m，采用三角形塊體和Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。模型底部施加x、y 軸方向的約束，兩側(cè)僅約束x 方向位移，頂部施加荷載，以模擬巷道圍巖所受的地應(yīng)力，巷道幾何模型如圖2。

圖2 巷道幾何模型Fig.2 Geometry of numerical roadway model

巷道圍巖所在地層有1 組層狀節(jié)理，在巷道掘進(jìn)始發(fā)點(diǎn)150 m 處，有1 個(gè)傾斜的斷層。在數(shù)值模型中采用crack 命令模擬巷道圍巖地質(zhì)構(gòu)造。將層狀節(jié)理簡化為1 組傾角為60°，間距為1 m 的crack接觸，將斷層簡化為1 個(gè)傾角為320°的crack 接觸。

2.4 圍巖損傷特征

在數(shù)值模擬中，巷道圍巖變形量和應(yīng)力集中程度均較小，但在計(jì)算運(yùn)行后期，頂板圍巖在節(jié)理處出現(xiàn)斷裂，造成倒“V”型頂板垮落，這與掘進(jìn)施工現(xiàn)場遇到的情況基本吻合，表明數(shù)值模擬結(jié)果可以真實(shí)反映TBM 掘進(jìn)節(jié)理地層巷道圍巖的損傷變形特性。巷道圍巖損傷特性如圖3。

圖3 巷道圍巖損傷特性圖Fig.3 Failure characters of surrounding rocks

3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和巷道施工現(xiàn)場試挖情況可得，巷道圍巖以粉質(zhì)砂巖為主，強(qiáng)度較高，開挖后變形量小。但受層狀節(jié)理和斷層的影響，在局部地層出現(xiàn)頂板垮落情況，而巷道兩幫收斂和底鼓情況并不明顯。在確保巷道掘進(jìn)安全施工的前提下，綜合考慮支護(hù)施工效率和材料消耗量，初步選取對TBM 掘進(jìn)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)的方案。在巷道頂板施工6 根φ20 mm×2 000 mm 高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿，鋼筋標(biāo)號(hào)Q345，錨桿力學(xué)參數(shù)見表1，TBM 掘進(jìn)巷道支護(hù)方案示意圖如圖4[16-18]。

對照組:應(yīng)用生物敷料進(jìn)行創(chuàng)面修復(fù),敷料包含微量元素、類黏蛋白、膠原纖維等,首先對創(chuàng)面進(jìn)行清理和止血,順延創(chuàng)面邊緣將無生物活性或是焦痂的壞死組織進(jìn)行清除,經(jīng)電凝進(jìn)行止血,應(yīng)用經(jīng)稀釋后的碘伏進(jìn)行清洗,用無菌紗布包扎,每隔2天更換一次紗布。

表1 錨桿力學(xué)參數(shù)Table 1 Rockbolt mechanical parameters

圖4 TBM 掘進(jìn)巷道支護(hù)方案示意圖Fig.4 Layout of TBM-excavated roadway

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

使用UDEC 軟件，對初步選取的頂板支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分析支護(hù)后巷道圍巖位移場、應(yīng)力場分布演化規(guī)律，驗(yàn)證擬采用的支護(hù)方案的安全性和可行性。

1）巷道圍巖位移分布。巷道圍巖位移數(shù)值模擬結(jié)果如圖5，掘進(jìn)后，巷道底板底鼓量為2.3 mm，巷道幫部圍巖水平變形為7.2 mm，巷道頂板圍巖下沉量最大值僅為4 mm，巷道圍巖位移量較小。

圖5 巷道圍巖位移數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of roadway displacement

2）應(yīng)力場分布。巷道圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果如圖6，在開挖掘進(jìn)后，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)水平擠壓應(yīng)力集中，頂板水平應(yīng)力為41.33 MPa，底板水平應(yīng)力為41.67 MPa。巷道兩幫出現(xiàn)了豎向擠壓應(yīng)力集中，巷道幫部圍巖最大豎向應(yīng)力20.9 MPa。應(yīng)力集中程度不明顯。相比其他形狀，圓形巷道能夠更好地減少應(yīng)力集中。

圖6 巷道圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of roadway stress

3）巷道圍巖損傷特性。巷道圍巖損傷數(shù)值模擬結(jié)果如圖7。由圖7 可以看出，在節(jié)理地層TBM 掘進(jìn)巷道頂板安裝錨桿后，頂板圍巖垮落的問題已被有效遏制。巷道左側(cè)底角節(jié)理交匯處圍巖出現(xiàn)圍巖損傷，但未出現(xiàn)巷道圍巖斷裂、剝離。即使有少量圍巖剝離，碎巖將沿巷道表面滑落至巷道底板處，而掘進(jìn)機(jī)后配套拖車車輪布置在巷道左下和右下角，因此，巷道側(cè)幫、底板處圍巖損傷不會(huì)影響正常的掘進(jìn)工作。現(xiàn)場施工中，可在全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的同時(shí)清理碎巖，或根據(jù)現(xiàn)場條件和需求，對幫部和底板圍巖進(jìn)行加固。避免了圍巖斷裂、垮落或剝離造成掘進(jìn)機(jī)停機(jī)，影響掘進(jìn)效率的問題。

圖7 巷道圍巖損傷數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of roadway failure

5 現(xiàn)場監(jiān)測

5.1 測站布置

在巷道掘進(jìn)后，為開展節(jié)理地層TBM 掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性分析，在巷道內(nèi)布設(shè)監(jiān)測測站。安裝收斂計(jì)和錨桿測力計(jì)，對巷道掘進(jìn)后收斂變形和錨桿軸力進(jìn)行監(jiān)測[19-21]。由于巷道底部需安裝排矸帶式輸送機(jī)，因此僅在巷道上半部分安裝收斂計(jì)測點(diǎn)。每個(gè)測站中，在巷道圍巖表面安裝5 個(gè)收斂測點(diǎn)，使用激光測距儀監(jiān)測測點(diǎn)間的距離變化值。同時(shí)采用錨桿測力計(jì)對錨桿進(jìn)行軸力監(jiān)測，為了不影響風(fēng)筒和電纜的安裝和正常工作，僅在中間4 根錨桿上安裝錨桿測力計(jì)，監(jiān)測錨桿軸力變化。每個(gè)測站包括5 個(gè)收斂位移測點(diǎn)和4 個(gè)錨桿測力計(jì)，測站布置示意圖如圖8，圖中1～5 為收斂計(jì)，用于監(jiān)測圍巖變形，①～④為錨桿測力計(jì)，用于監(jiān)測錨桿軸力。

圖8 測站布置示意圖Fig. 8 Layout of monitoring station

5.2 監(jiān)測結(jié)果

巷道收斂變形曲線如圖9。從圖9 可知：巷道圍巖變形在開挖后20 d 內(nèi)變化較快，幫部收斂值達(dá)8.5 mm。30 d 后變形-時(shí)間曲線趨于平緩，兩幫收斂值最終穩(wěn)定在12 mm 左右。

圖9 巷道收斂變形曲線Fig.9 Monitoring results of roadway convergence

圖10 錨桿軸力變化曲線Fig.10 Monitoring results of rockbolt stress

6 結(jié) 語

現(xiàn)場工程實(shí)踐表明，TBM 掘進(jìn)效率相比之前相同地質(zhì)條件下鉆爆法施工的40～60 m/月提高至最高560 m/月；施工隊(duì)伍人數(shù)僅為鉆爆法的1/3；操作人員在TBM 各類保護(hù)裝置下工作，作業(yè)安全性高。TBM 在巷道長度大、圍巖強(qiáng)度高、完整性好的情況下，具有較好的適用性。

1）TBM 掘進(jìn)巷道施工前應(yīng)做好地質(zhì)勘探工作，探明節(jié)理、斷層、軟弱夾層等不利地質(zhì)條件的賦存特性，根據(jù)勘察結(jié)果，提前制定應(yīng)對措施。

2）傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及相關(guān)數(shù)值分析軟件難以反映節(jié)理地層巷道圍巖損傷破壞特性，圍巖中的不連續(xù)面對巷道穩(wěn)定性的影響不容忽視。該情況下宜采用離散元、顆粒流等力學(xué)手段，首先分析巷道圍巖，尤其是頂板處的損傷斷裂特征，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果有針對性地制定支護(hù)方案。

3）相比圍巖強(qiáng)度、硬度等參數(shù)，圍巖節(jié)理、裂隙分布特征是影響巷道圍巖損傷特性的主要因素。節(jié)理交錯(cuò)貫通的區(qū)域尤易出現(xiàn)圍巖的宏觀損傷和斷裂。制定支護(hù)方案時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)支護(hù)頂板，防止冒頂事故的發(fā)生。而幫部和底板圍巖破壞的危險(xiǎn)性相對較低，可在保證安全性的前提下，適當(dāng)降低支護(hù)強(qiáng)度。

4）應(yīng)整體考慮TBM 掘進(jìn)參數(shù)與支護(hù)參數(shù)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，有針對性地對易冒頂區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)，提高支護(hù)速度，使支護(hù)速度與TBM 掘進(jìn)速度相匹配，避免出現(xiàn)TBM 停機(jī)等待支護(hù)的情況。

5）當(dāng)前深井煤礦各類瓦斯抽采巷道、排放水巷道、回風(fēng)巷道、帶式輸入機(jī)機(jī)巷道等各類巖巷眾多，工程量大，采用TBM 施工此類巷道，可大幅提高施工安全性和掘進(jìn)效率，有效保證礦井的安全生產(chǎn)和正常的采掘接替。