基于數值計算的淺埋采煤巷道場地穩定性研究

管瑜熙

(煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

采煤過程中對地面建設場地及建構筑物的影響，不僅表現在采空區上部巖層垮落、裂隙發育造成的地面變形盆地對地面的影響，在礦井建設初期，開采大巷等的建設，尤其是淺埋巷道的建設過程，同樣會對地面建構筑物等造成影響，甚至損害人民生命財產等安全。

采煤造成的地面沉降問題，世界范圍內的專家、學者均進行了大量的研究。我國學者也在采煤場地穩定性方面做了大量的研究工作。其中汪吉林、吳圣林、丁陳建等對復雜地貌多煤層采空區的穩定性評價進行了研究[1]，郭廣禮等就老采空區上方建筑地基變形機理及其控制進行了研究[2]。在綜合上述研究的基礎上，由中煤科工武漢研究院有限公司及煤炭工業太原設計研究院集團有限公司分別主編了《煤礦采空區巖土工程勘察規范》及《煤礦采空區建(構)筑物地基處理技術規范》兩本國家標準[3-4]。上述科研成果及國標的發布為采空區穩定性工作總結出了行之有效的評價方法。但是針對采煤巷道建設對場地穩定性的影響則沒有展開廣泛研究。由于巷道在設計時，往往已經采用了一定的支護手段來保證巷道圍巖穩定，其對地面變形的影響不僅與巷道及圍巖特性相關，還與巷道的支護設計相關。大量的采煤巷道穿越工業場地、居民聚集區、交通系統及電力系統等，對上述生產建設活動均造成了較為嚴重的影響。因此，對巷道穿越上述區域造成的穩定性問題進行評價，具有重要的意義。本研究在前人研究的基礎上，采用有限元計算的方法，以實際工程為例，構建有限差分模型，以實際案例對穿越煤礦工業場地的采煤巷道對上覆建筑物的影響進行分析研究，并對其穩定性進行評價。

2 項目特征

本次評價對象為山西鄉寧焦煤集團毛則渠煤礦，該礦井工業場地原有運輸、軌道及回風大巷進行西延設計的過程中，穿越了煤礦工業場地，對場地職工食堂、職工公寓及家屬樓等建筑會造成影響。擬延伸巷道與場地建筑物相對位置關系如圖1所示。

2.1 建筑結構特征

該礦井下擬建三條巷道穿越的上部建筑物主要包括家屬樓、職工食堂、職工公寓、充電室、洗衣房、排洪涵洞等既有建筑物。其中，職工食堂長36.0 m、寬9.0 m，2層磚混結構；職工公寓長60.0 m、寬15.0 m，5層磚混結構；家屬樓長64.0 m、寬11.0 m，2層磚混結構。

2.2 巷道結構特征

設計運輸、軌道、回風大巷水平間距35.0 m，該礦井下擬建巷道主要設計特征見表1。

表1 巷道特征表

3 模型構建

依據評價區場地工程地質條件以及該礦井下擬建巷道與既有建筑物相對位置關系，本次評價采用Plaxis 3D有限元模擬軟件，構建三維有限元數值模型，通過分析計算推演巷道穿越推進條件下的地面變形特征、巷道頂板移動特征、巷道周邊巖層應力分布特征、巷道周邊巖層塑性區開展等變形特征，并推演在巷道穿越推進條件下，巷道對上部既有建筑物的穩定性影響進行分析評價。

Plaxis是一系列功能強大的通用巖土針對巖土工程有限元分析軟件，已廣泛應用于各種復雜巖土工程項目的有限元分析中，如：大型基坑與周邊環境相互影響、盾構隧道施工與周邊既有建筑物相互作用、邊坡開挖及加固后穩定性分析等。該軟件通過構建模擬對象的地質模型，進行結構單元設置，然后剖分有限元網格，對模擬對象的應力、應變特征進行網格計算。

3.1 本構模型選擇及參數賦值

本次評價有限元分析計算涉及的材料類型包括人工填土，砂、泥巖及煤等巖體以及用于巷道支護的錨噴支護材料。因此，評價模擬計算針對上述巖、土體特征以及支護材料特性，選用本構模型及參數[5-8]如表2～表4所示。

表2 第四系松散層本構模型的選用及參數賦值

表3 基巖及煤層本構模型的選用及參數賦值

表4 支護結構本構模型的選用及參數賦值

3.2 數值模型建立

本次模擬計算基于地質模型采用項目區地層剖面進行數值模型的構建。

模型X方向100.0 m，Y方向170.0 m，總模擬面積17 000 m2。模型深度為場地3號煤層底板下18.0 m。基于地質模型，本次評價構建數值模型如圖2所示。

模型支護結構體系包括錨噴與錨桿兩部分構件，分別采用面板模型與錨桿模型進行構建，構建后的模型如圖3所示。巷道上部既有建筑物荷載通過條型基礎均布傳遞，施加面荷載選取120 kPa。模型中巷道開挖部分，模擬巷道開挖的實際情況，以5.0 m作為分段開挖推進作業模擬逐次開挖，共劃分20部開挖序次。

4 模擬計算

支護巷道模擬用于巷道開挖后即刻采用支護措施工況，以推演實際巷道穿越開挖過程巷道應力應變特性。

4.1 圍巖變形特征

對模型進行塑性計算，得到在不同的隧道開挖深度下計算結果。其中對巷道未開挖，第一部開挖(開挖進尺5.0 m)，開挖至建筑物底部(根據建筑位置不同，分別為進尺65 m，100 m處切面)變形云圖詳見圖4～圖6。

通過上述變形模擬計算，值得高度警惕的是，隨著巷道掘進工作的推進，三個巷道引起的地面總體變形呈現互相貫通跡象，形成一個疊加的地表“倒馬鞍型”變形區，以中部運輸巷上部變形為最大，回風巷道及軌道巷道上部變形較小。

從圖4～圖6可以看出，巷道開挖初期，變形未波及至地表，變形量主要分布于巷道周圍。上述變形主要因為巷道在開挖后支護條件下，原有的應力分布特征改變，出現應力重新分配而引起的巷道圍巖脹變。隨著巷道施工的推進，變形發育至地表，地表變形區逐步連接成片，且位于中部的運輸大巷頂部變形量為最大。在三條巷道竣工投產后，地面引起的變形最大下沉值預計為17.6 mm，劇烈變形位置應處于中部的軌道巷上部，上述地面變形規律總趨勢是沿軌道巷基本呈對稱狀，沿兩邊逐步減小。

4.2 巷道斷面變形特征

為進一步分析研究巷道挖掘變形規律，隨著巷道挖掘推進，對巖巷道斷面分期進行了變形模擬計算，推演了施工初期(第一部開挖5.0 m)，巷道施工中期(第十五部開挖65 m)，巷道竣工(第二十部開挖100 m)處的各巷道縱剖面變形系列云圖。各剖面截取位置見圖7，其中A剖面為沿運輸巷截取剖面位置，B剖面為沿軌道大巷截取剖面位置，C剖面為沿回風大巷截取剖面位置，D剖面為沿職工食堂截取剖面位置，E剖面為沿職工公寓及職工食堂截取剖面位置。

回風巷道在巷道施工不同深度下的變形云圖剖面詳見圖8～圖10。

通過上述變形云圖分析可知，巷道開挖引起的地面變形在時空上有一定的“超前性”，即在巷道開挖過程中，引起的圍巖應力應變重新調整超時，波及到了巷道下道開挖前方有限范圍的巖體，從而引起超前巖體表現彈性變形特征。

同時，巷道在施工過程中，巷道圍巖變形量峰值且達到穩定的地段一般具有“滯后性”，即巷道正處于施工階段的部位，變形量并不一定最大，其最大變形位置有一定的延時滯后效應。

對于回風巷道，其在三條巷道同時施工結束后，所引起的地面最大變形量為14 mm，變形量較小，屬于彈性變形區。軌道巷上部覆巖的變形云圖，巷道施工引起的變形特征與回風巷道上部的變形特征相同。在施工穿越模擬段后，地表的最大變形量達到了17.6 mm。變形以彈性變形為主。運輸巷道上部覆巖的變形云圖，巷道施工引起的變形特征與回風巷道上部的變形特征相同。在施工穿越模擬段后，地表的最大變形量達到了14.0 mm。變形以彈性變形為主。

4.3 建筑位置變形計算

為更直觀表征評價區在巷道穿挖條件下，既有建筑物基礎下地基巖土體變形特征，選擇家屬樓、職工公寓與職工食堂所在位置處的縱向模擬剖面，計算變形云圖如圖11所示。

以上變形云圖顯示，職工食堂地面最大變形為14.0 mm，職工公寓樓段地面最大變形為17.6 mm，家屬樓段地面最大變形為14.0 mm。

5 結論

由數值模擬計算結果分析，各巷道穿越施工引起的地面變形輕微，預測最大沉降值為17.6 mm，其中，家屬樓預計沉降值14.0 mm，職工公寓預計沉降值17.6 mm，職工食堂預計沉降值14.0 mm，預計變形沉降值量均遠小于GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范有關規定要求，說明煤礦巷道推進對場地建筑物穩定性影響較小。本次數值模擬研究結果表明，在支護結構穩定的情況下，巷道建設活動對地面建筑物穩定性影響較小，不會造成大的變形、破壞。