煤礦深部復合地層TBM掘進巷道圍巖穩定性控制工程實踐

2024-09-27 00:00:00劉震宇唐彬胡陽張大歡徐彬侯俊領

科技資訊 2024年16期

摘要：為探究深部復合地層在全斷面隧道掘進機（TunnelBoringMachine，TBM）掘進巷道圍巖穩定性控制機理，以淮南礦區某深部巖石巷道為背景，在同等支護條件下基于Flac3D數值模擬軟件對硬巖、軟弱巖層及復合巖層建立數值模型，通過分析位移云圖、應力云圖及圍巖塑性區的分布演化規律，優化TBM掘進和支護方案。通過圍巖變形和錨桿軸力監測，結合數值模擬和現場實測結果得出復合巖層的位移、應力云圖及塑性區出現明顯的不對稱性，在復合巖層中的軟弱巖層應加大支護力度。

關鍵詞：深部復合地層Flac3D數值模擬圍巖穩定工程實踐

中圖分類號：TD35

EngineeringPracticeofSurroundingRockStabilityControlofDeepCompositeStrataTBMTunnelingRoadwayinCoalMines

LIUZhenyu1TANGBin1*HUYang2ZHANGDahuan2XUBin2

HOUJunling3

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

Abstract：InordertoexplorethestabilitycontrolmechanismofthesurroundingrockofTunnelBoringMachine（TBM）tunnelingroadwayindeepcompositestratas，adeeprockroadwayintheHuainanMiningareaistakenasthebackground，andthenumericalmodelofhardrock，softrockstrataandcompositerockstrataisestablishedbasedontheFlac3Dnumericalsimulationsoftwareunderthesamesupportconditions.TBMexcavationandsupportschemeisoptimizedbyanalyzingthedistributionandevolutionlawofthedisplacementcloudmap，stresscloudmapandtheplasticzoneofthesurroundingrock.Throughthemonitoringofthedeformationofthesurroundingrockandtheaxialforceofthebolt，combinedwiththeresultsofnumericalsimulationandfieldmeasurement，itisconcludedthatthereisobviousasymmetryinthedisplacement，stressclouddiagramandplasticzoneofthecompositerockformation，andtheweakrockstratainthecompositerockstratashouldbestrengthened.

KeyWords：Deepcompositestrata;Flac3Dnumericalsimulation;Surroundingrockstability;Engineeringpractice

隨著全球能源需求的迅速增加和對能源開采強度的持續提升，對深部地下資源的開采和利用也日益成為關注的焦點。TBM法（TunnelBoringMachine）是一種采用全斷面巖石掘進機施工隧道的先進技術，其優點在于安全、施工速度快、機械化程度高，施工環境好[1-3]。因此，深入研究深部復合地層TBM施工巷道圍巖的穩定性對于提高巷道的安全性和掘進效率具有重要意義。蔣毅等人[4]開展對復合地層樣品的單軸及三軸壓縮試驗，得出深部復合地層的變形主要發生在軟巖部分。李元海等人[5]研究了深部復合地層下有、無支護條件，得出支護結構可有效改善圍巖的自承載能力和隧道的整體穩定性。秦紹龍等人[6]基于硬巖和圍巖變形規律提出巷道宜采用“樹脂錨桿+金屬網+噴射混凝土”支護，并可有效控制圍巖的變化量。以上研究主要關注巷道圍巖的穩定控制，然而對于深部復合地層上部為硬巖下部為軟巖的組合圍巖穩定控制的研究較為有限。高文藝等人[7]對深部復合地層進行模擬，但缺少相關的工程實踐。

以淮南礦區某巷道為背景，對單一及復合巖體下TBM掘進時的支護工況進行數值模擬分析及現場監測，模擬結果可為類似工程施工提供理論指導，具有重要的工程意義。

1工程地質概況

淮南礦區某深部巖石巷道，設計總工程量2914m，主要用于礦井回風，服務年限為30年。巷道斷面設計為圓形，直徑為5.5m，凈斷面23.75㎡，巷道方位0°。巷道掘進地層主要以細砂巖和泥巖為主。巷道傾角∠1°～6°。瓦斯含量隨深度增加而增加，水文地質條件簡單，無突水危險性。

2深部TBM掘進巷道圍巖穩定性數值分析

2.1幾何模型

采用FLAC3D數值模擬軟件建立模型，依據圣維南原理，模型的幾何尺寸取開挖半徑的5倍以上[8]。三維模型的尺寸為40m×48m×40m（X、Y、Z軸方向），模型的開挖半徑為2.75m。共計單元99840個，節點101969個。深部TBM掘進巷道模型如圖1所示。

2.2模擬方法

重力加速度設置為10m/s2，清除模型節點的初始位移和速度，分為60段進行開挖，每段長度為0.8m，運行null命令沿著y軸正方向依次開挖，并使用cable單元模擬錨桿及錨索進行支護[9]。巖石破壞時的本構模型為Mohr-Coulomb彈塑性本構模型、破壞準則為Mohr-Coulomb強度準則。為使模擬結果更加精確，通過在巷道工作面測量地應力的大小，得到該TBM掘進巷道的地應力參數如表1所示。

2.3支護工況及巖層參數

該TBM掘進巷道圍巖主要為細砂巖和泥巖，巖石的基本參數如表2所示，錨索和錨桿的預緊力分別為180kN和30kN。工況一的巷道巖層為細砂巖，工況二的巷道巖層為泥巖，工況三的巷道巖層為復合巖層，上部2m為細砂巖，下部3.5m為泥巖。支護材料參數及支護工況詳情見表3所示。錨桿支護工況圖2所示。

2.4邊界條件

在進行深部煤礦地層TBM掘進巷道的數值分析計算時，使用FLAC3D數值模擬軟件需要考慮到巷道周圍的巖體在計算過程中不得移動。此外，在TBM掘進巷道時，遠離巷道的巖體所受的施工擾動較小，為了限制模型的位移和變形，通過設置固定邊界條件來保持模型的某些邊界面的位置、位移或應力狀態不變。因此，為了反映實際施工情況，模型的下表面被設置為位移邊界條件，而模型的四周則被設置為應力邊界條件。

3數值模擬結果

3.1巷道圍巖位移場分

開挖后的巷道圍巖位移場分布特征如圖3所示。工況一兩幫水平收斂量為4mm，頂板沉降變形量最大為1.8mm，底板隆起變形量為1.4mm，巷道頂板底板最大收斂量為3.2mm。工況二兩幫水平收斂量為24mm，頂板沉降變形量最大為11mm，底板隆起變形量為11mm，巷道頂板底板最大收斂量為22mm，工況三兩幫水平收斂量為12mm，底板隆起變形量為8.6mm，頂板沉降變形量最大為3.5mm，巷道頂板底板最大收斂量為12.1mm。工況一、工況三相較于工況二巷道頂板底板收斂分別減少85%、45%。工況三為復合地層，水平、豎向位移云圖呈現出不對稱性。由于工況二圍巖的自承能力較差，為軟弱巖層，因此水平、豎向最大位移均大于工況一，故當巖層圍巖的自承能力較差或復合巖層頂板巖石力學參數優于兩幫和底板時，應當加大對兩幫和底板的支護力度。

3.2巷道圍巖應力場分析

開挖后的巷道圍巖應力場分布特征如圖4所示。圍巖的水平應力最大值集中在頂板和底板區域，最小值集中在兩幫區域，豎向應力則相反。工況一的水平應力區間為1.2～34MPa，豎向應力區間為2～24MPa，工況二的水平應力區間為2.5～36MPa，豎向應力區間為2～26MPa，工況三的水平應力區間為5～45MPa，豎向應力區間為2～29MPa。由于工況一圍巖自承載能力優于工況二和工況三，在支護基本相同條件下，工況一水平、豎向應力最大值均小于工況二和工況三。

3.3圍巖塑性區分析

開挖后的巷道圍巖塑性區分布特征如圖5所示。以y=24m處的截面為例，在三種不同地層支護條件下，巷道周圍的塑性區面積大小不同，工況一由于巖層為細砂巖，巖石的強度大，塑性區的面積最小約為6.4m2，占截面面積的0.4%，其中工況二為軟弱巖層，塑性區的面積最大約307.2m2，占截面面積的19.2%，工況三為上硬下軟的復合地層，塑性區的面積約216m2，占截面面積的13.5%，工況一、工況三相較于工況二的塑性區面積分別減少了18.8%、5.7%。三種支護條件下巷道的頂板和底板圍巖均發生剪切塑性變形。其中工況三的巷道圍巖為復合巖層，上部區域為細砂巖，圍巖發生剪切塑性變形，下部區域圍巖為泥巖，圍巖受拉或受剪產生塑性變形。

4工程應用

數值模擬中得到，掘進巷道為細砂巖時，由于巖石具有較高的抗壓強度和抗剪強度，導致掘進速度緩慢，刀盤需要承受更大的負荷，其磨損程度也會增加，當掘進巷道為泥巖時，巖石的強度小，在掘進過程中會產生較多的塊體脫落，增加了支護的難度。為了能夠確保掘進巷道施工的順利進行，選擇掘進巷道圍巖上部區域為細砂巖，下部區域為泥巖，能夠加快施工速度，提高施工效率，支護的難度也會降低。

4.1施工方案

巷道開挖采用EQC5530全斷面掘進機，通過推進油缸施加力量，利用刀盤與滾刀將石塊壓碎，再由刀盤上的鏟刀及刮板將石塊送至位于刀盤中央的排渣槽內，由皮帶機將其運出。在巷道的開挖過程中，使用液壓錨桿鉆機或風動錨桿鉆機進行錨桿的鉆孔和錨索的支護。在盾構機破巖掘進過程中，每個循環的進尺為1.6m。當一個循環完成后，盾構機將停止掘進，根據導向系統提供的主機位置參數進行掘進機調向，進行下一個循環的掘進作業。根據不同圍巖確定掘進機相關參數。

4.2監測方案

采用博世GLM500激光測距儀和JTM-V180型振弦式錨桿測力計分別開展周期為100天的圍巖收斂變形和錨桿受力監測，在巷道左側布置一臺激光測距儀，用激光對著巷道頂部和右幫反射靶板的靶板中心，進行測距和傾斜度的測定，從而求出兩幫的收斂值及頂板沉降量。錨桿測力計安裝在錨桿尾部，測站布置圖如圖6所示。

4.3現場監測

4.3.1巷道圍巖變形監測數據

TBM開挖40天內，復合地層圍巖的變形速率明顯加快，其后逐漸趨緩。在掘進后的第60天左右，兩幫收斂和頂板下沉開始停止變形，在第70天變形停止，現場實測的巷道兩幫收斂為93.4mm，頂板變形為53.8mm。圍巖變化曲線如圖7所示。

4.3.2錨桿軸力監測數據。

因1號、2號、3號錨桿與5號、6號、7號錨桿對稱，軸力大致相同[10-11]，1號、2號、3號、4號錨桿的軸力監測曲線如圖8所示。

由圖8可知：在巷道掘進支護后的50天內，錨桿軸力在預緊力為30kN的基礎上迅速增長，錨桿軸力在增長的過程中受到圍巖應力重分布的影響下有小幅波動；在TBM掘進后的第50天，錨桿軸力增長速率明顯減小，在第70天后錨桿軸力逐漸趨于穩定。其中監測斷面1、2、3、4號錨桿的最大軸力分別為119.25kN、126.5kN、123.8kN和135.6kN。巷道圍巖與錨桿軸力的變化趨勢一致，在巷道掘進后的第70天之后，圍巖的變形和錨桿軸力不再變化，表明巷道圍巖已經達到了基本穩定的狀態。

5結論

以淮南礦區某深部巖石巷道為背景，在同等支護條件下基于Flac3D數值模擬軟件對硬巖、軟弱巖層及復合巖層建立數值模型，通過分析位移云圖、應力云圖及圍巖塑性區的分布演化規律，優化TBM掘進和支護方案。通過圍巖變形和錨桿軸力監測，結合數值模擬和現場實測結果得出以下結論。

（1）當TBM在煤礦復合地層中掘進時，圍巖的變形呈現出不對稱性，巷道下部軟巖區變形較大并有碎巖掉落。

（2）當TBM在復合地層中掘進時，應盡量避免巷道頂部處于軟巖地層中，否則易出現巷道頂板下沉量過大或頂板碎巖掉落的情況。掘進施工中可通過調整TBM掘進姿態使巷道頂板為硬巖地層。

（3）TBM掘進巷道圍巖強度過低會導致巷道大變形、支護工作量大。而圍巖強度過高則會加劇刀具磨損、降低掘進效率。在煤礦復合地層中掘進巷道，通過調整TBM掘進層位，使巷道頂板位于硬巖地層中，可在保障巷道圍巖穩定性的前提下，提高TBM掘進效率，實現煤礦巖巷安全高效掘進。

參考文獻

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