巷道群掘進(jìn)順序?qū)_動(dòng)效應(yīng)影響模擬研究

王 濤

(山西西山煤電股份有限公司，山西 太原 030053)

長期以來，巷道間掘進(jìn)擾動(dòng)一直是煤礦開采中突出難題，隨著開采深度的增加，掘進(jìn)擾動(dòng)效應(yīng)愈加強(qiáng)烈[1]. 在礦山建設(shè)中，不少硐室及巷道布置得較近，形成了較為密集的硐室群[2]. 深井巷道群掘進(jìn)過程中，由于開挖順序的不同，每條巷道的開挖應(yīng)力釋放都有變化，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)因此產(chǎn)生差異，巖體的破壞狀態(tài)也會(huì)不一樣[3].

本文以非對(duì)稱的“品”字形巷道群為研究對(duì)象，根據(jù)排列組合方法共設(shè)計(jì)了6種開挖方案進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得出在既定的巷道空間相對(duì)位置條件下，不同的開挖順序?qū)ο锏廊赫w圍巖穩(wěn)定性的擾動(dòng)程度，以求得到最佳掘進(jìn)順序。

1 模型的建立

本節(jié)數(shù)值分析以某礦-648 m 6煤底板專用回風(fēng)巷、膠帶機(jī)上山、底板回風(fēng)上山組成的巷道群為工程背景條件，巷道位置關(guān)系見圖1.模型尺寸為X100 m×Y10 m×Z60 m. 巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，巷道設(shè)計(jì)尺寸寬6 m×高5 m.數(shù)值分析模型圖見圖2.

圖1 巷道群平面圖

圖2 數(shù)值分析模型圖

模型采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，左右、前后及下邊界均設(shè)定為位移固定約束條件，上邊界為應(yīng)力邊界，按上覆巖層厚度施加均布載荷。巖石相關(guān)力學(xué)參數(shù)參照表1選取。

2 模擬方案

結(jié)合所選巷道群相對(duì)位置分布非對(duì)稱的特點(diǎn)，根據(jù)排列組合共設(shè)計(jì)6種掘進(jìn)方案，可分為3組：先中間后兩邊(方案1、2)，先兩邊后中間(方案3、4)，依次掘進(jìn)(方案5、6)，掘進(jìn)方案見表2.

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

表2 3條巷道開挖順序表

3 模擬結(jié)果分析

1) 應(yīng)力場(chǎng)分析。

a) 水平應(yīng)力場(chǎng)。

巷道群掘進(jìn)后，各種方案的水平應(yīng)力等值線圖見圖3，圖4，圖5.

從圖3，4，5可以看出，總體分布特征無較大變化，整體形態(tài)基本相似。3條巷道在頂?shù)装鍏^(qū)域均形成了高值應(yīng)力區(qū)，由于底板專用回風(fēng)巷距離較遠(yuǎn)，并未與另外兩條巷道應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生重疊，而膠帶機(jī)上山和回風(fēng)上山由于距離較近，處于較高位置的膠帶機(jī)上山的底板應(yīng)力集中區(qū)域與位于右側(cè)較低位置的回風(fēng)上山頂板應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生重疊，各方案所形成的應(yīng)力集中范圍、形狀、分布特征也基本相同。

圖3 第一組方案水平應(yīng)力等值線圖

圖4 第二組方案水平應(yīng)力等值線圖

圖5 第三組方案水平應(yīng)力等值線圖

b) 垂直應(yīng)力場(chǎng)

巷道群掘進(jìn)后垂直應(yīng)力等值線圖見圖6，圖7，圖8.

圖6 第一組方案垂直應(yīng)力等值線圖

圖7 第二組方案垂直應(yīng)力等值線圖

圖8 第三組方案垂直應(yīng)力等值線圖

巷道群的開挖引起巷道兩幫產(chǎn)生垂直應(yīng)力集中，近距離巷道群巖柱中應(yīng)力集中區(qū)域的相互重疊，導(dǎo)致了相鄰巷道掘進(jìn)相互擾動(dòng)影響。對(duì)比圖6，7，8可知，各掘進(jìn)方案下巷道群垂直應(yīng)力分布規(guī)律整體較為相似，不同掘進(jìn)順序下巷道兩幫應(yīng)力集中峰值變化幅度不甚明顯。中間膠帶機(jī)上山兩幫垂直應(yīng)力集中程度在第二組方案相比另外兩組略小，方案3、4中，膠帶機(jī)上山兩幫峰值應(yīng)力為24.7 MPa，集中系數(shù)為1.41，而其他各方案中其值達(dá)到了25.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到了1.45左右。

2) 位移場(chǎng)分析。

巷道群掘進(jìn)順序決定了各巷道遭受擾動(dòng)的次數(shù)及擾動(dòng)強(qiáng)度，不同的施工順序?qū)ο锏廊旱奈灰茍?chǎng)有不同影響。各種方案的總位移等值線圖見圖9，10，11.

圖9 第一組方案總位移等值線圖

圖10 第二組方案總位移等值線圖

圖11 第三組方案總位移等值線圖

在不同掘進(jìn)順序下，巷道群位移場(chǎng)總體特征大致相同。最大位移量出現(xiàn)在膠帶機(jī)上山(中間巷道)的拱頂及兩幫部位；兩側(cè)巷道變形特征相似，最大變形量均出現(xiàn)在巷道拱頂，右側(cè)巷道底鼓較左側(cè)巷道更為顯著。

根據(jù)模擬結(jié)果，分別從6種方案的監(jiān)測(cè)結(jié)果中提取了巷道各工程部位位移量，見表3.

表3 不同掘進(jìn)順序下巷道圍巖位移量表

分析表3數(shù)據(jù)可知：3條巷道中，就某條巷道而言，其變形量隨著掘進(jìn)順序的提前，變形量呈增長趨勢(shì)。由表3可以看出，各方案都是對(duì)中間軌道巷的影響最大，對(duì)最后一條開挖的巷道影響最小。6種方案中，巷道群最大位移量主要表現(xiàn)在中間巷道，其中兩幫收斂及拱頂下沉最為嚴(yán)重，分別達(dá)到了310 mm、400 mm以上。底板專用回風(fēng)巷各工程部位在不同掘進(jìn)順序下變形量相差不大，差值均不超過15 mm，回風(fēng)上山各工程部位在不同掘進(jìn)順序下拱頂部位最大相差22.8 mm，左幫變形量最大相差24.7 mm，右?guī)图暗装遄冃瘟坎钪稻?0 mm左右。

圖12顯示了6種掘進(jìn)順序下中間巷道膠帶機(jī)上山各工程部位變形量。綜合對(duì)比各組方案巷道位移量并結(jié)合圖12可以得出，先掘進(jìn)兩側(cè)巷道后掘進(jìn)中間巷道較其他順序更為合理，即方案3和方案4優(yōu)于其他各方案。

為選出最佳掘進(jìn)方案，將方案3及方案4單獨(dú)對(duì)比，進(jìn)一步分析表3數(shù)據(jù)可知，3條巷道中，底板專用回風(fēng)巷及膠帶機(jī)上山各部位位移量表現(xiàn)為方案4小于方案3，而回風(fēng)上山各部位位移量表現(xiàn)為兩幫及底板方案4變形量要稍大于方案3，頂板位移量為方案4較小。綜合分析可知，方案4為最佳掘進(jìn)順序。

圖12 6種方案下膠帶機(jī)上山巷道變形量對(duì)比圖

4 結(jié) 論

從巷道群掘進(jìn)順序的角度出發(fā)，模擬分析了非對(duì)稱“品”字形巷道群在不同掘進(jìn)順序下應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)的特點(diǎn)，模擬結(jié)果表明：不同的掘進(jìn)順序雖然對(duì)最終位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的形態(tài)分布影響較小，但各巷道受力特征及位移變化仍有規(guī)律,中間巷道受掘進(jìn)擾動(dòng)最為明顯。最優(yōu)順序?yàn)槭紫染蜻M(jìn)兩側(cè)巷道，后掘進(jìn)中間巷道。中間巷道掘進(jìn)順序的滯后有助于巷道群整體圍巖穩(wěn)定性，此時(shí)中間巷道兩幫應(yīng)力集中程度及圍巖位移量均小于其他掘進(jìn)方案。