深井鄰近巷道掘巷擾動影響下的穩(wěn)定性分析

張寧　高明中　經(jīng)來旺

摘要：利用ABAQuS有限元軟件，對淮南某深部礦井1112工作面新掘進的順槽煤巷造成原有高抽巷的掘巷擾動影響進行數(shù)值模擬分析，分析了深部礦井兩條巷道在不同間距下隨著新巷道的掘進使原有巷道的應(yīng)力和變形的最大值增加并且所在位置發(fā)生改變，探討了新掘巷道對既有巷道穩(wěn)定性造成的影響；研究了深井相鄰巷道掘巷擾動效應(yīng)對原有巷道應(yīng)力應(yīng)變的改變，結(jié)果表明：淺部巷道之間的合理間距在深部條件下不再適用，深部礦井鄰近巷道之間掘巷擾動效果顯著，既有巷道需要在已有支護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加新的支護措施以保證其正常使用。

關(guān)鍵詞：掘巷擾動；深部礦井；鄰近巷道；巷道穩(wěn)定性

中圖分類號：TD353

文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）04-0022-05隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，能源消耗量逐年遞增，煤炭需求不斷增加，淺部煤炭資源逐漸減少，煤礦的開采深度也不斷增大，大部分礦山進入深部資源開采階段。開采深度增加的同時，煤礦巷道圍巖地應(yīng)力水平也隨著升高，很多新的巖石壓力問題也逐漸顯現(xiàn)，掘巷擾動問題就是其中之一。

掘巷擾動是指在布置多條鄰近巷道的過程中，后掘進的巷道對先掘進巷道的擾動問題。在淺部地下工程中已經(jīng)對巷道（硐室）的布置方式、開挖順序的不同對巷道（硐室）穩(wěn)定性的影響進行了一定的研究。到了深部情況下，由于巷道兩側(cè)應(yīng)力增高區(qū)范圍增大而導(dǎo)致相鄰巷道之間的應(yīng)力增高區(qū)出現(xiàn)相互疊加的現(xiàn)象，后掘進巷道對先掘進巷道的擾動效果逐漸顯現(xiàn)，嚴重時可以導(dǎo)致整條先掘進巷道的變形，巷道的圍巖應(yīng)力需經(jīng)多次、長時間分布才能趨于平衡，在應(yīng)力平衡過程中巷道表現(xiàn)出劇烈變形，特別是底臌和兩幫收斂加劇。已有的研究主要集中對鄰近巷道（硐室）支護策略進行研究，而巷道間距的大小對穩(wěn)定性的影響研究較少。本文以淮南礦業(yè)集團某深井正在掘進施工的11-2煤層運輸順槽巷道和既有頂板巖層運輸順槽高抽巷道為研究對象，主要對兩條巷道在不同的間距下進行穩(wěn)定性的數(shù)值分析。目前常采用數(shù)值模擬法對地下巷道結(jié)構(gòu)進行分析，本文采用SIMU-LIA公司開發(fā)的ABAQUS有限元軟件進行數(shù)值模擬，得到深部礦井條件下不同間距的兩條巷道，新巷道掘巷擾動對原有巷道穩(wěn)定性的影響。

1.計算模型及模擬方案

1.1工程現(xiàn)場情況

淮南礦業(yè)集團某深部礦井-906m的1112工作面運輸順槽頂板高抽巷已開挖多時，下方的1112工作面運輸順槽煤巷開始施工，兩條巷道相鄰約45m左右，且具有相同的走向，見圖1，適合進行深井掘巷擾動影響的研究。

我國的煤礦相鄰巷道間相互距離設(shè)定一般按照文獻的規(guī)定進行，巷道的合理間距D由巷道寬度、巷道埋深、圍巖強度、巖層傾角、巷道與巖層走向的夾角五個因素決定，并按（1）計算

在我國煤礦目前的開采深度下，巷道間的合理距離以20-40m為宜，上、下山巷道集中區(qū)的間距以15-30m為宜，圍巖較穩(wěn)定時取小值，不穩(wěn)定時取大值。也就是在大于等于合理距離的兩條巷道相互影響很小可以忽略，但在深部開采情況下鄰近巷道受到掘巷擾動影響變大，上述的合理間距范圍已經(jīng)無法適用。本文所研究的兩條巷道間距已經(jīng)大于40m，但在實際施工中發(fā)現(xiàn)，在順槽煤巷開挖后原有高抽巷的變形加劇，因此以這兩條巷道為研究對象，模擬出該地質(zhì)條件下不同間距巷道的相互影響情況。

1.2模型建立與參數(shù)

根據(jù)該礦目前的建設(shè)現(xiàn)狀和工程地質(zhì)條件，對正在掘進的順槽煤巷道對既有頂板巖層巷道高抽巷的穩(wěn)定性影響建立分析模型。該計算模型的巖層選取煤層、泥巖、粉砂巖和砂巖；煤層底板簡化成粉砂巖，頂板為泥巖、粉砂巖和砂巖。取室內(nèi)試驗檢測到的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

式中：c為粘聚力；ω為內(nèi)摩擦角；σ。為剪切面上的法向應(yīng)力（以拉為正）；n為剪切面外法線方向。兩條模型巷道的間距從10-50m，每10m進行一次模擬，將5種情況的模擬結(jié)果進行對比，觀察不同間距情況下掘巷擾動作用對原有巷道的穩(wěn)定性影響狀況，模型建立如圖2所示。其中，模型建立方法參考文獻。2模擬結(jié)果分析

初始狀態(tài)的既有高抽巷的受力狀態(tài)與位移狀況如圖3所示，可以看出在-906m情況下，由于地應(yīng)力過高，即使進行了初步支護，但是原有高抽巷所受壓力還是較大，圍巖的最大豎向應(yīng)力位置位于巷道幫底部，最大值接近43MPa，最大位移發(fā)生位置在巷道底板處，最大位移量為底臌量，達到25mm。

按照模擬方案，當(dāng)順槽煤巷與原有高抽巷的間距分別為10m，20m，30m，40m，50m時，原有高抽巷的應(yīng)力和位移云圖分別如圖4～圖5所示。

從圖4中可以看出，由于順槽煤巷位于高抽巷的右下方，所以在煤巷開挖后，高抽巷的應(yīng)力分布發(fā)生了一定偏移，最大應(yīng)力所處位置發(fā)生改變，特別是在間距較小時，這也導(dǎo)致了巷道最大位移發(fā)生位置的改變，頂板下沉成為巷道變形的最大問題。當(dāng)間距為10m時，由于距離很近，煤巷對高抽巷產(chǎn)生了卸壓作用，使得高抽巷的最大應(yīng)力小于煤巷未開挖時高抽巷的最大應(yīng)力，只有39MPa，但這并不影響其最大位移的增大，此時的巷道最大位移值變?yōu)?6.8mm。當(dāng)間距為20m之后，最大應(yīng)力和最大位移的變化情況開始有規(guī)律，隨著間距的增大，最大應(yīng)力和最大位移逐漸減少，最大應(yīng)力從間距20m時的51MPa變?yōu)殚g距50m時的44.8MPa，都大于原有狀態(tài)時的高抽巷所受最大應(yīng)力；最大位移從46.8mm變?yōu)?5.8mm時，仍舊大于原有巷道的最大位移。通過模擬可以看出，煤巷掘進之后，高抽巷所受應(yīng)力位置發(fā)生了變化，發(fā)生最大位移的位置也產(chǎn)生變化。

從圖5可知，最大位移位置位于高抽巷的頂板位置。當(dāng)兩條巷道間距為50m時，既有高抽巷仍舊受掘巷擾動的影響，雖然所受最大應(yīng)力和巷道最大位移的數(shù)值增加不大，但是最大位移所在的位置發(fā)生了明顯變化，原有的高抽巷的支護措施在煤巷掘進后已經(jīng)不能適應(yīng)。實際工程中兩條巷道間距處于40m與50m之間，煤巷的開挖使得原有高抽巷的最大應(yīng)力和位移均發(fā)生了一定增加且改變了最大應(yīng)力和位移的位置，需要在原有支護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加新的支護方進行補強，才能保證高抽巷的順利使用。

3.結(jié)論

1）深部礦井中，相鄰巷道的掘巷擾動作用明顯，原有的巷道合理間距在深井下不再適用，需要調(diào)整既有巷道的支護措施，保證其在新掘巷道的擾動作用下能夠順利的使用。

2）基于數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，由于新掘巷道的位置不同，會使得原有巷道的最大應(yīng)力和最大變形的數(shù)值增加，且出現(xiàn)的位置發(fā)生變化，當(dāng)兩條巷道間距達到50m時，掘巷擾動影響開始減弱，最大變形量比原有狀態(tài)時的增加量已不明顯，但由于巷道最大位移所處位置的變化，依舊會導(dǎo)致巷道原有支護結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

3）數(shù)值模擬方法的可以有效的考慮復(fù)雜的地質(zhì)條件以及施工因素，得到的結(jié)果也比較接近于工程實際，利用好數(shù)值模擬結(jié)果，可以提前預(yù)知可能發(fā)生的巷道受力變形情況，從而進行相應(yīng)的支護對策制訂，避免巷道的破壞和工程的延誤。