TBM掘進(jìn)煤礦深井巷道支護(hù)方案優(yōu)化實踐

摘要：針對煤礦深井巷道TBM掘進(jìn)施工中圍巖支護(hù)方案少有規(guī)范可供參考，支護(hù)施工需同時兼顧支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)施工速度等問題，根據(jù)煤礦深部地層巖層物理力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力場參數(shù)等工程地質(zhì)條件，開展TBM掘進(jìn)巷道數(shù)值模擬，獲得不同支護(hù)方案下圍巖應(yīng)力場、位移場演化規(guī)律，優(yōu)選合理支護(hù)方案，并在TBM掘進(jìn)煤礦深井巷道工程實踐中應(yīng)用。工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，巷道開挖后第70d，頂板下沉量和兩幫收斂量停止增加，錨桿軸力停止增長，所采用的支護(hù)方案滿足巷道圍巖穩(wěn)定性控制的需要。

關(guān)鍵詞：煤礦巖巷數(shù)值模擬支護(hù)方案現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號：TD35

OptimizationPracticeofDeepMineRoadwaySupportSchemeinTBMMining

ZHANGFenglin1TANGBin1*SHENRenwei2LIHongliang2ZHANGPengtao2CHENGJinyi2LIUZhenyu1HOUJunling3

1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，Huainan，AnhuiProvince，232001China;2.HuainanMiningIndustry（Group）Co.，Ltd.，Huainan，AnhuiProvince，232001China;3.SchoolofVanadiumandTitanium，PanzhihuaUniversity，Panzhihua，SichuanProvince，617000China

Abstract：AstherearefewspecificationsforthesurroundingrocksupportschemeintheTBMexcavationconstructionofdeepmineroadwayforreference，thesupportconstructionneedstotakeintoaccountbothsupportstrengthandsupportconstructionspeed，etc.Accordingtoengineeringgeologicalconditionssuchasphysicalandmechanicalpropertiesofrockstrataandgeologicalstressfieldparametersindeepcoalmine，numericalsimulationofTBMexcavationroadwayiscarriedoutinthisarticle，toobtaintheevolutionlawsofthesurroundingrockstressfieldanddisplacementfieldunderdifferentsupportschemes，andareasonablesupportschemeisselectedandappliedindeepmineroadwayengineeringpracticeofTBMmining.On-sitemonitoringdatashowthatonthe70thdayaftertunnelexcavation，theroofsubsidenceandconvergenceofthetwosidesstopincreasing，andtheaxialforceoftheanchorrodstopsincreasing.Thesupportschemeadoptedmeetstheneedsofthestabilitycontrolofthesurroundingrockoftheroadway.

KeyWords：Coalmine;Rockroadway;Numericalsimulation;Supportscheme;Fieldmonitoring

深部煤礦巷道建設(shè)過程中普遍存在高地應(yīng)力，高地應(yīng)力易導(dǎo)致深部巷道圍巖發(fā)生大變形、強(qiáng)度失穩(wěn)等現(xiàn)象[1]。為防止深部煤礦巷道圍巖因大變形而發(fā)生破壞，需采用滿足控制巷道圍巖穩(wěn)定性要求的支護(hù)方案。

錨桿錨索支護(hù)是一種快速、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)工藝，常被采用在巷道圍巖支護(hù)的施工中。針對錨桿、錨索支護(hù)條件下巷道圍巖穩(wěn)定性的研究，眾多學(xué)者通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等研究方法研究錨桿、錨索支護(hù)條件下的巷道圍巖應(yīng)力場、位移場的演化規(guī)律。例如：劉海雁等人[2]采用正交數(shù)值模擬方法，提出多指標(biāo)的巷道錨桿支護(hù)正交設(shè)計矩陣分析方法；趙呈星等人[3]提出一種“混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索”聯(lián)合支護(hù)方案，并采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬驗證該支護(hù)方案的合理性和可靠性；唐彬等人[4-6]采用UDEC離散元模擬軟件模擬了巷道無支護(hù)與兩種有支護(hù)情況下的開挖擾動行為，同時提出了以錨網(wǎng)支護(hù)為主的TBM掘進(jìn)巷道支護(hù)形式與設(shè)計方法。

本文以淮南礦區(qū)某礦井瓦斯綜合治理巷為工程背景，采用FLAC3D軟件對3種不同支護(hù)方案的巷道圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同支護(hù)方案下巷道圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確定最優(yōu)支護(hù)方案。

1工程概況

某礦井瓦斯綜合治理巷設(shè)計標(biāo)高為-877.6至-739.8m，設(shè)計工程量為3102.4m。巷道巷底距11-3煤、11-2煤頂板法距分別為22.4～55.4m、27～60m，巷頂距12煤、13-1煤底板法距為3.9～37.5m、11.9～45.4m。巷道整體地層較平緩，傾角∠2～12°、平均5°，11-2煤厚0.4～3.4m，平均2.8m，13-1煤厚1.8～4.1m，平均2.8m。根據(jù)周邊巷道實際揭露資料、勘探鉆孔及地質(zhì)前探孔資料分析，施工中預(yù)計揭露巖性為砂質(zhì)泥巖、花斑泥巖、粉砂巖、砂巖、泥巖等。

2數(shù)值模擬分析

2.1模型建立

采用FLAC3D建立三維巷道模型。考慮到巷道開挖僅對距中心點３～５倍巷道最大半徑范圍內(nèi)圍巖有影響，因此幾何模型尺寸取開挖半徑的5倍以上[7]。模型尺寸為40m×48m×40m，巷道開挖方向為正Y方向，開挖直徑為4.5m。圍巖采用實體單元zone單元建立，錨桿、錨索采用錨結(jié)構(gòu)單元cable單元建立[8]。模型的單元數(shù)為99840，節(jié)點數(shù)為101969。圍巖的結(jié)構(gòu)模型采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則為摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則[9]。

2.2參數(shù)選取

2.2.1圍巖物理力學(xué)參數(shù)

巷道圍巖主要為砂巖。對現(xiàn)場圍巖進(jìn)行取樣、制樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗測得其各項物理力學(xué)參數(shù)。具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2.2錨桿和錨索物理力學(xué)參數(shù)

錨桿采用MSGLW-400型高強(qiáng)錨桿，直徑為22mm，長為2500mm；錨索采用SKP22-1/1860/6300mm型礦用錨索，直徑為22mm，長為6300mm。錨桿、錨索物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.3邊界條件及初始應(yīng)力場平衡

模型底面采用限制Z方向位移的位移邊界條件， X邊界面、Y邊界面及頂面采用應(yīng)力邊界條件，應(yīng)力邊界條件由巷道所處地層的地應(yīng)力場確定。

根據(jù)地應(yīng)力場，并將最大、最小主應(yīng)力分解到X、Y方向，最終確定在X邊界面上施加的應(yīng)力邊界條件大小為23.9MPa，在Y邊界面上施加的應(yīng)力邊界條件大小為12.7MPa，在頂面上施加的初始地應(yīng)力為14.3MPa。

2.4數(shù)值模擬方案

根據(jù)TBM掘進(jìn)巷道支護(hù)施工經(jīng)驗和某礦井瓦斯綜合治理巷道的工程地質(zhì)條件，初步擬定3種備選支護(hù)方案，具體如表3所示。

2.5數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.5.1應(yīng)力分析

3種支護(hù)方案下的水平方向及豎直方向的應(yīng)力云圖如圖2、圖3所示。3種支護(hù)方案均產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，且均表現(xiàn)為水平應(yīng)力集中在巷道的頂板和底板，豎直應(yīng)力集中在巷道的兩幫。其中，方案一最大水平應(yīng)力約為39.5MPa，最小水平應(yīng)力約為2.5MPa，最大豎直應(yīng)力約為32.2MPa，最小豎直應(yīng)力約為2.7MPa；方案二相比于方案一，減少了錨索數(shù)量，其最大水平應(yīng)力約為50.8MPa，最小水平應(yīng)力約為3MPa，最大豎直應(yīng)力約為43.3MPa，最小豎直應(yīng)力約為3.3MPa；方案三相比于方案二提高了錨桿預(yù)緊力，其最大水平應(yīng)力約為43.2MPa，最小水平應(yīng)力約為2.6MPa，最大豎直應(yīng)力約為35.9MPa，最小豎直應(yīng)力約為3MPa。

2.5.2位移分析

3種支護(hù)方案下巷道的水平方向及豎直方向的圍巖變形云圖如圖4、圖5所示。3種支護(hù)方案下的巷道圍巖水平方向變形主要發(fā)生在巷道的兩幫，豎直方向位移主要發(fā)生在巷道的頂板、底板處，同應(yīng)力云圖應(yīng)力最大值位置保持一致。其中，方案一巷道兩幫的收斂量為44.8mm，頂板下沉量約為18.1mm，底板變形為13.6mm；方案二巷道兩幫的收斂量為59.8mm，頂板下沉量為26.3mm，底板變形為19.8mm；方案三巷道兩幫的收斂量為50.6mm，頂板下沉量約為21.3mm，底板變形為16mm。

2.5.3塑性區(qū)分析

3種支護(hù)方案的塑性區(qū)分布如圖6所示。3種支護(hù)方案的塑性區(qū)均產(chǎn)生在巷道周圍，其中，方案一塑性區(qū)面積最小，且均為巷道圍巖剪切破壞形成的塑性區(qū)；支護(hù)方案二塑性區(qū)面積更大，且同時存在圍巖剪切破壞和拉伸破壞形成的塑性區(qū)；支護(hù)方案三塑性區(qū)面積介于方案一、二之間，且只存在圍巖剪切破壞形成的塑性區(qū)。

綜上所述，支護(hù)方案一的支護(hù)效果最為顯著，其圍巖的應(yīng)力集中程度最小，巷道斷面變形量最小且塑性區(qū)面積最小。由此可見，增加錨索和提高錨桿預(yù)緊力均可有效控制圍巖變形和塑性區(qū)擴(kuò)展發(fā)育。但現(xiàn)場施工中，提高錨桿預(yù)緊力需相應(yīng)增大錨桿螺母扭矩，施工中常出現(xiàn)減摩墊片提前損壞而無法繼續(xù)增加螺母扭矩和錨桿預(yù)緊力的情況，現(xiàn)場操作難度較大。相比之下，方案一增加2根錨索，施工難度更低，施工過程中返工極少，且支護(hù)效果略優(yōu)于方案三。因此選擇支護(hù)方案一作為工程現(xiàn)場的支護(hù)方案。

3TBM掘進(jìn)煤礦深井巷道支護(hù)工程實踐

3.1巷道監(jiān)測方案

現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容包括錨桿軸力監(jiān)測和巷道圍巖變形監(jiān)測，錨桿軸力采用振弦式錨桿測力計進(jìn)行測量，巷道圍巖變形采用激光測距儀進(jìn)行測量。測點布置方面，每個監(jiān)測斷面布置4個錨桿軸力監(jiān)測點和兩個分別用于測量巷道斷面頂板下沉量和兩幫收斂量監(jiān)測點，具體測點布置見圖7所示。

3.2監(jiān)測結(jié)果

3.2.1巷道圍巖變形

巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。在巷道開挖后的30d內(nèi)，巷道圍巖變形速度較快，巷道開挖后20d左右變形速度開始逐漸變慢，巷道開挖后第70d，頂板下沉量和兩幫收斂量停止增加。巷道頂板下沉量約為52mm，兩幫收斂量約為84mm。巷道斷面收斂監(jiān)測結(jié)果表明支護(hù)方案一的支護(hù)方案可以滿足圍巖變形控制的要求。

3.2.2錨桿軸力

錨桿軸力監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。4個測點錨桿軸力變化趨勢與巷道圍巖變形趨勢基本保持一致。在巷道開挖70d后，錨桿軸力停止增長，1～4號監(jiān)測點的錨桿軸力分別為：123.72kN、67.8kN、157.79kN、116.04kN。巷道錨桿軸力監(jiān)測結(jié)果表明巷道圍巖應(yīng)力已基本穩(wěn)定且沒有發(fā)生強(qiáng)度破壞，支護(hù)方案一的支護(hù)方案可以滿足圍巖穩(wěn)定性控制的要求。

4結(jié)論

本文使用FLAC3D有限差分法數(shù)值模擬軟件，建立煤礦深部地層TBM掘進(jìn)巷道數(shù)值模型。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，初步選定三種支護(hù)方案，開展數(shù)值模擬。獲得不同支護(hù)條件下巷道圍巖位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)分布規(guī)律。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)選支護(hù)方案，并在TBM掘進(jìn)巷道開展現(xiàn)場監(jiān)測，獲得了TBM掘進(jìn)巷道圍巖變形和錨桿軸力演化規(guī)律。得出結(jié)論如下。

（1）TBM掘進(jìn)巷道中，增加錨索和提高錨桿預(yù)緊力均可有效控制圍巖變形和塑性區(qū)擴(kuò)展發(fā)育。但現(xiàn)場施工中，提高錨桿預(yù)緊力需相應(yīng)增大錨桿螺母扭矩，現(xiàn)場操作難度大，返工率較多。而增加2根錨索施工難度較低，且支護(hù)效果略優(yōu)于提高錨桿預(yù)緊力。因此優(yōu)選增加2根錨索的支護(hù)方案。

（2）巷道開挖后，巷道表面圍巖卸荷，應(yīng)力集中區(qū)域向圍巖深部轉(zhuǎn)移。3種支護(hù)方案中，增加錨索可有效擴(kuò)大在圍巖深部的錨固范圍，應(yīng)力集中范圍較小，對圍巖變形控制效果最好。

（3）現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。監(jiān)測結(jié)果表明：巷道開挖初期，圍巖變形、錨桿軸力增長較快。30d后增幅減慢。70d后，巷道圍巖變形與錨桿軸力基本趨于穩(wěn)定。表明所采用的支護(hù)方案滿足實際工程控制圍巖穩(wěn)定性的要求。

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