陷落柱對巷道掘進影響的數值模擬及防治對策研究

中圖分類號：TD323 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）20-0153-05

Abstract：Collapsecolumnsareundergroundthree-dimensionalcollpseareasformedbykarstormining.Duringmine mining，clapsedcolumnsposeagreatthreattoproductionsafetyandseriouslyafecttheminingprogress.Inorderto understandtheimpactofthecollpsecolumnonthetunnel，anumericalmodelwasestablishedusingFLAC3Dnumerical simulationsoftwaretostudythedisributionandchangelawsoftheunnelsuroundingrockstress，tunneldeformationandplastic zoneduring theprocessofamine tunnelpassingthroughtheSX12collpsecolumn，anddeterminethescopeoftheimpactof thecollapsecolumnon tunnelexcavation.Thegeologicalrisksthatthemainroadwaymayfacewhenpassng through the SX12 collpsecolumnareanalyzed，andcorrespondingpreventionandcontrolmeasuresareformulatedtoensurethesafepaageof themairoadwaythroughthecolapsecolumnarea.Thisstudyplaysademonstrationroleinpreventingandcontroling the adverse effects of collapse columns on tunnel excavation.

Keywords：collapse column;excavation;numerical simulation；prevention measure;tunnel deformation

礦井開采時，陷落柱是常見的構造類型之一。陷落柱是由巖溶或采礦形成的立體塌落區域，穿越過程中不僅影響巷道的安全性，還會影響掘進速率。所以，研究與認識陷落柱對巷道掘進的影響，制定相應的防治措施，是保證掘進安全和提高掘進效率的重要工作。本文建立FLAC3D數值模型，開展了陷落柱對大巷掘進過程中巷道圍巖應力、巷道變形和塑性區分布的影響規律，制定了針對性防治措施，有效保障了掘進安全和掘進效率。

1工程地質條件

某煤礦主要開采3號煤層，開采深度一般在 500m 左右。為了可持續發展，預進行西部水平延伸區 +480 水平巷道的開拓與采掘工作，在此過程中將面臨較為復雜的地質構造條件，主要表現為較復雜的斷層結構和多個疑似陷落柱的分布。三維地震勘探和地面補勘鉆孔均表明， +480 水平材料大巷、行人大巷、皮帶大巷和回風大巷等主要巷道向西部延伸開拓過程中均需要通過以

SX12陷落柱為代表的眾多大小不等的陷落柱，這些陷落柱具有孤立隨機分布的特點，這導致礦井在西部延伸開拓過程中面臨著較大的潛在風險。為評估陷落柱對巷道掘進的影響，建立數值模型開展研究。

根據地質鉆孔資料，結合三維地震解譯的陷落柱位置及大致形狀，陷落柱及地層情況如圖1所示。地層近水平，其中可采 3^* 煤層位于山西組地層，煤層均厚大約6m 陷落柱底界位于奧陶系中，根據三維地震解譯的陷落柱形態，陷落柱穿透煤層。

2數值模型建立

2.1邊界條件

+480 水平巷道位于可采煤層之上，主要穿過下石盒子組地層，根據鉆孔資料與數值模擬經驗，可簡單概化得到模擬范圍巖層的柱狀圖（圖2）。將研究區內巖土層從上到下劃分為9層地層。以地面為坐標原點所在水平，以深度方向為 Z 方向，以東西向為 X 方向，以南北方向為 Y 方向建立三維坐標系統。SX12陷落柱附近 +480 水平主要出于下石盒子組下部地層中，故模型建立處于下石河子組與山西組中；模型邊界條件和初始條件如圖

3所示，約束如圖所示；模型頂部為自由邊界，且在頂部施加均勻豎向地應力，豎向地應力大小主要有上覆地層重力決定。

2.2物理力學參數

模型本構關系采用Mohr-Coulomb本構模型，材料參數見表1。

2.3 數值模型

如圖3所示，模型為包括陷落柱與 +480 水平巷道在內的長和寬為 360m×220m 高為 106m 的三維模型。三維地震解譯的陷落柱近橢圓形，其長軸近 360m ，短軸近 170m ，模型 X 軸方向與長軸平行， Y 軸方向與短軸平行。考慮到陷落柱范圍較大，尤其在 Y 方向，模型厚度遠小于陷落柱短軸長度，因此，模型中陷落柱可近似看作立方體，且根據實際尺寸，對模型進行等比例縮小。不考慮開挖支護作用，即在前一次開挖后，不對巷道進行支護而做下一次開挖。模型從左至右長 360m ，左邊

160m 為正常地層，中間 80m 為陷落柱，右邊 120m 為地層，前邊 40m 為地層，分為11層（巷道掘進單分為一層）。通過試算，模擬計算開挖步長為 20m （從左到右分16步，共計掘進 320m ），巷道斷面采用長方體斷面0 53.5m， 。圖3為巷道在沒有開挖前的三維模型豎向應力分布云圖，由于陷落柱體為相對松散的碎石、土的混合體，初始地應力比周圍地層小，從而導致陷落柱周圍一定范圍地層出現應力集中現象（最大豎向應力可達11.1MPa， ），而陷落柱本身則出現應力分散，這符合實際情況，因此模型初始應力與實際相對較吻合。

3陷落柱對巷道掘進影響分析

3.1 豎向應力分布

根據巷道斷面垂直應力分布，圖4給出了單巷道情況下巷道周圍最大、最小豎向應力隨距離的變化。從圖中可以看出，巷道周圍巖石最大、最小豎向應力隨著距離發生較大變化，尤其是在進、出陷落柱附近。整體上，最大、最小豎向應力在進陷落柱附近出現快速減小，在出陷落柱附近出現快速增大的規律；巷道周圍巖體不同部位出現不同應力分布，頂板與底板位置應力減小，兩幫位置出現應力集中，根據最大、最小豎向應力分布，可以看出應力在頂、底板與兩幫位置變化規律基本一致，但是存在一定的差異。在進入陷落柱以前，最小豎向應力基本保持不變；最大豎向應力隨著靠近陷落柱緩慢的增大，且增大速率隨距離的減小越來越快，到 150m 增到最大。 155～ 170m 之間，最大、最小豎向應力快速減小；在 160m （陷落柱與地層接觸部位）最大豎向應力略低于 20～40m 處最大應力；超過 160m ，最大豎向應力低于正常地層應力，到 165m 處減小到最小，約 9.5MPa_? 。在陷落柱內部 170～ 230m ，最大、最小豎向應力基本保持不變，且都低于正常地層豎向應力。出陷落柱最大、最小豎向應力與進陷落柱基本類似。可見，陷落柱對豎向應力的影響范圍較大，圖4（a）揭示其影響范圍在可能達到 100m_o

3.2 豎向變形分布

為了研究不同位置巷道斷面頂、底板最大位移隨距離的變化，圖4（b）給出了單巷道情況下巷道周圍頂板、底板豎向位移隨距離的變化。從圖中可以看出，巷道頂、底板最大位移隨著距離發生較大變化，尤其是在進、出陷落柱附近。整體上，在陷落柱部位最大位移都要大于正常地層最大位移，根據位移隨距離的變化，可以分為以下幾個階段：推進距離 100m 以前，頂底板最大位移基本保持不變，頂板最大位移約 0.3m ，底板最大位移約0.25m 。推進距離 100～140m ，頂、底板最大位移都隨距離的增大緩慢增大。推進距離 140～170m ，受陷落柱的影響，頂、底板最大位移都隨距離的增大快速增大。推進距離到 170m ，頂板最大位移約 0.6m ，底板最大位移約0.5m ，巷道斷面發生明顯的縮徑現象。推進距離170＼～230m ，處于陷落柱內部，頂、底板最大位移都維持在較大水平。

3.3 塑性區分布

圖5給出了不同位置處巷道斷面塑性區分布變化。

推進距離 20～100m 塑性區范圍及形狀基本相似；推進距離到 150m 處，塑性區范圍較之前有所增大，增大的幅度不明顯；推進距離 155～160m 處（處于正常地層，陷落柱附近），塑性區范圍進一步增大，受到陷落柱松散巖體的影響，在巷道底部出現較大的塑性區；推進距離165～240m （陷落柱內部），塑性區范圍明顯大于正常地層中塑性區范圍；推進距離 240m 以后塑性區范圍基本不變，且和推進距離 0～150m 基本相同。可見，因為陷落柱本身巖體強度較低，巷道開挖對其塑性區的影響較大，表現為陷落柱內部塑性區范圍明顯大于正常地層。由于陷落柱的影響，在正常地層與陷落柱接觸以及接觸面一定范圍內，塑性區范圍也大于正常地層中國塑性區范圍。本次模擬中，從距離陷落柱 10m 開始，塑性區范圍開始明顯增大（圖5）。

根據上述分析，在豎向應力變化方面，由于陷落柱內部巖石破碎、強度較低、膠結較差等，巷道開拓掘進對陷落柱垂向應力分布的影響遠大于正常地層，表現在陷落柱中應力低于正常地層；在與陷落柱接觸的地層中，更容易出現較大的應力集中，最大可到 13.5MPa 左右。巷道周圍巖石最大、最小豎向應力隨著距離變化呈現一定的規律性，整體上最大、最小豎向應力呈現出在進陷落柱附近出現快速減小，在出陷落柱附近出現快速增大的規律。在位移變化方面，巷道頂、底板最大位移隨著距離變化較大，且在陷落柱內部最大位移都要大于正常地層最大位移，尤其是在進、出陷落柱附近，頂板最大位移可達 0.75m ，底板最大位移可達 0.6m ，而正常地層處巷道上方位移在 0.2～0.4m 之間。塑性區變化方面，因為陷落柱本身巖體強度較低，巷道開挖對其塑性區的影響較大，表現為陷落柱內部塑性區范圍明顯大于正常地層且與之相互連接，和陷落柱接觸的正常地層在 10m 范圍內，塑性區范圍也大于正常地層中塑性區范圍。

4地質風險分析與對策

4.1 地質風險分析

基于數值模擬結果和該礦地質條件， +480 水平大巷通過SX12陷落柱的地質風險主要在圍巖變形大、巷道突水和瓦斯突出等3個方面。

巷道變形方面，根據前文數值模擬，當巷道掘進面靠近陷落柱時，尤其在 20m 以內，巷道周圍巖體發生變形或破壞以后，其塑性區較正常地層范圍大，巷道將會產生大變形。根據現場施工過程中巷道變形情況，適時采取相應的臨時支護措施，并采區錨索、支拱形棚、噴砼等方法對泥巖層巷道開展加固和及時封閉，以免出現頂幫漏冒問題。若泥巖層較軟，開挖時要縮短進尺，掘夠合理長度后立即進行臨時支護或者邊掘進邊支護，然后再繼續掘進。對泥巖和砂巖分界處和泥巖范圍的巷道，應適當增強巷道永久支護。

受開拓影響，當巷道逐漸接近況SX12陷落柱時，由于陷落柱本身比較松散，再加上擾動，陷落柱底部奧陶統灰巖巖溶裂隙含水層屬于富水性強的具有較高壓力的區域性充水含水層，很有可能在開拓過程中通過陷落柱導通該含水層引起突水事故的發生。同時，陷落柱可能為其他煤層集聚的瓦斯提供空間，在大巷掘進擾動下發生瓦斯突出事故，也應引起重視。

4.2 應對措施

巷道在通過陷落柱時，需要做好充足準備以保障施工安全。圖6為 +480 水平大巷Ⅲ段開拓掘進通過SX12陷落柱前后應對技術措施流程圖。通過SX12陷落柱將面臨圍巖、瓦斯和水害3個方面的問題，特別是水害問題要高度引起重視，超前探測清楚后方可開拓。

5結論

通過建立數值模型，研究了陷落柱對大巷掘進過程中巷道圍巖應力、巷道變形和塑性區分布的影響規律，制定了針對性防治措施，主要得出以下結論：

1）當巷道掘進面靠近陷落柱時，尤其在 20m 以內，巷道周圍巖體發生變形或破壞以后，其塑性區較正常地層范圍大，巷道將會產生大變形。

2）SX12陷落柱對巷道掘進的影響主要體現在巷道變形、巷道突水和瓦斯突出3個方面，制定了防治措施。

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