深部巷道循環(huán)進(jìn)尺模擬優(yōu)化研究

孫飛躍， 張偉峰， 趙大震， 李栓杰

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454003； 2.駐馬店市公路工程開發(fā)有限公司， 河南 駐馬店 463000)

隨著我國對淺部煤炭資源開采數(shù)量的持續(xù)增加，煤炭已進(jìn)入了深部開采階段[1]。對煤炭進(jìn)行深部開采時(shí)，施工方案對控制深部巷道圍巖變形尤為重要，對保證巷道施工的安全順利進(jìn)行具有重要意義。

近年來學(xué)者們不斷地對深部巷道施工方案進(jìn)行探討，并取得了長足的進(jìn)步。董春亮等以彈性卸荷為基本理論，通過探究巷道開挖的半徑和卸荷的時(shí)間等因素對深部圓形巷道開挖中圍巖的破壞機(jī)理進(jìn)行分析，得到了適合該巷道施工的開挖方案[2]。袁璞等采用相似物理模型實(shí)驗(yàn)對深部巷道鉆爆法施工進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)采取合理的錨固支護(hù)形式可以有效地控制圍巖應(yīng)力的分布[3]。李揚(yáng)帆等從數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)和理論研究以及現(xiàn)場監(jiān)測等方面對開挖地下洞室的擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行探究，為地下洞室施工提供了參考[4]。楊榮寬等以具體工程案例為背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值分析相結(jié)合的方法對深部煤巷近距離開采進(jìn)行了分析，通過分析圍巖應(yīng)力和位移的變化優(yōu)化巷道的開采布局[5]。

本文采用FLAC3D有限差分軟件建立巷道計(jì)算模型，采用3種不同的施工方案進(jìn)行模擬施工。通過對比分析，優(yōu)選出合適的施工方案。

1 工程概況

某礦區(qū)位于丘陵和平原的過渡地帶，東西走向長4 500 m，南北傾斜寬3 700～4 700 m，工作面埋深-863 m。其斷面形狀為馬蹄形，斷面的凈寬為5 400 mm，墻高為1 600 mm，凈斷面積為24.33 m2。開挖過程中采用逐步開挖逐步支護(hù)的方法，當(dāng)最后一步開挖完成后，拆除臨時(shí)隔壁支護(hù)，并襯砌封閉成環(huán)。利用圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的支護(hù)體系，使圍巖壓力在可控制的情況下得以釋放，減少襯砌施工所承受的荷載，有效地控制圍巖的過度松弛，確保工程質(zhì)量，減少襯砌開裂[6]。具體圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)[7-10]和該工程具體的圍巖等級進(jìn)行綜合確定，取值詳見表1。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

根據(jù)圣維南原理以及巷道開挖的影響范圍建立的計(jì)算模型，橫向40 m，豎向30 m，縱向分別為32 m、36 m和40 m，即左右邊界為左右巷道總跨度的3.5倍，上下邊界為左右巷道總高度的3倍[11]。在數(shù)值計(jì)算中，圍巖和加固圈采用Mohr-Coulomb模型，支護(hù)和襯砌采用彈性模型，開挖模擬采用空模型。圍巖和加固圈采用實(shí)體單元模擬，支護(hù)采用cable單元和Shell單元共同模擬。該計(jì)算模型的上邊界為應(yīng)力約束邊界條件，施加24.93 MPa的垂直載荷，其余邊界均為位移約束邊界條件。巷道模型、模型尺寸及邊界條件如圖1所示。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

(a) 巷道模型

注：尺寸單位為cm。(b) 模型尺寸及邊界條件圖1 計(jì)算模型圖

2.2 開挖方案模擬

施工方法采用全斷面法，為了研究巷道局部讓壓段所需的最佳長度對巷道周圍巖體的影響，采用3種不同的施工方案(A方案、B方案、C方案)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過分析計(jì)算結(jié)果，選出較為合理的施工方案。

3種開挖方案都先以1.2 m為一個(gè)大循環(huán)的掘進(jìn)長度進(jìn)行開挖，隨后分別以0.4 m、0.6 m和0.8 m(局部讓壓段)為一個(gè)小循環(huán)的掘進(jìn)長度進(jìn)行開挖，即A方案、B方案和C方案均先開挖1.2 m，采用C25噴射混凝土加錨桿和錨索進(jìn)行共同支護(hù)，而后相應(yīng)開挖0.4 m(A方案)、0.6 m(B方案)和0.8 m(C方案)，采用C25混凝土模筑襯砌，均為20個(gè)循環(huán)，開挖長度共計(jì)為32 m(A方案)、36 m(B方案)和40 m(C方案)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖變形

圍巖變形是評價(jià)圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)[12]。如果圍巖的變形過大，會(huì)直接影響巷道的正常使用。只有對圍巖變形特性有了充分的了解，才能有效地控制巖體在外部荷載作用下所產(chǎn)生的變形，從而降低對人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)。

3種不同開挖方案下，巷道的豎向位移和水平位移的等值線云圖分別見圖2、圖3。通過分析圖2可知： 3種不同的開挖方案中，巷道頂部和底部產(chǎn)生的豎向變形最大，所以在施工時(shí)應(yīng)特別注意頂部和底部的圍巖變形；C方案對圍巖頂部位移變形所產(chǎn)生的影響范圍最廣(圖中等值線為5的區(qū)域)，B方案次之，A方案最少；C方案在巷道頂部所產(chǎn)生的最大豎向位移變化量最大，B方案次之，A方案最小。在巷道底部中心處，C方案和B方案所引起的底鼓現(xiàn)象最為嚴(yán)重，A方案較輕，這主要是因?yàn)镃方案和B方案在施工時(shí)圍巖局部讓壓的距離較A方案長，從而導(dǎo)致圍巖底部的變形過大。采取A方案開挖時(shí)，局部讓壓變形的長度較適中，從而提高了圍巖抵抗變形的承載能力，阻止了圍巖產(chǎn)生過大的變形，增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)所發(fā)揮的作用，使圍巖的變形有所降低[13]。通過分析圖3可知，巷道兩側(cè)徑向變形是由內(nèi)向外移動(dòng)的，且變形大致呈對稱分布。巷道拱頂部位受力形成壓力拱，使其受到的壓力轉(zhuǎn)化為水平推力，導(dǎo)致圍巖向外側(cè)偏離。最終，巷道拱頂承受主動(dòng)土壓力，而巖體因側(cè)墻向外移動(dòng)擠壓而承受被動(dòng)土壓力。

(a) A方案 (b) B方案 (c) C方案圖2 3種開挖方案下巷道豎向位移等值線云圖

(a) A方案 (b) B方案 (c) C方案圖3 3種開挖方案下巷道水平位移等值線云圖

為了探究巷道開挖完成后圍巖的變形特征，在巷道頂板、底板和幫部的垂直方向均設(shè)置了3條監(jiān)測線，在巷道頂板和底板監(jiān)測線上以2 m為間隔均勻布置了14個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，在巷道兩幫監(jiān)測線上以2 m為間隔均勻布置了18個(gè)監(jiān)測點(diǎn)[14]。不同開挖方案下的巷道頂板、底板和兩幫的位移變化曲線分別如圖4、圖5所示。通過分析圖4可知，3種開挖方案下巷道圍巖頂板、底板位移變化規(guī)律大致相同，采用A方案、B方案和C方案開挖時(shí)，巷道頂板最大沉降量分別為243.7 mm、249.4 mm和263.7 mm。另外，A方案引起的底板沉降比B方案小13.8 mm、比C方案小22.5 mm。通過分析圖5可知，3種開挖方案下巷道圍巖兩幫位移基本呈對稱分布，其中采用A方案施工對巷道兩側(cè)橫向變形影響較小，相比其他兩種方案略有優(yōu)勢。此外，隨距巷道中心距離的增加，圍巖兩幫的位移變化逐漸減小，并趨近于零。總體來說，與其他兩種方案相比，A方案更具有控制圍巖變形的優(yōu)勢。

圖4 巷道頂板、底板位移變化曲線圖

圖5 巷道兩幫位移變化曲線圖

圖6 位移監(jiān)測點(diǎn)位置圖

圖7 拱肩豎向位移曲線圖

圖8 拱肩水平位移曲線圖

圖9 邊墻豎向位移曲線圖

圖10 邊墻水平位移曲線圖

在數(shù)值模擬計(jì)算中，對巷道拱肩和邊墻的堅(jiān)向、水平位移進(jìn)行監(jiān)測，并沿著巷道掘進(jìn)方向每隔2個(gè)循環(huán)進(jìn)行一次監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)如圖6所示。拱肩豎向和水平位移曲線分別如圖7、圖8所示。邊墻豎向和水平位移曲線分別如圖9、圖10所示。通過分析圖7和圖9可知，C方案在巷道拱肩和邊墻位置所產(chǎn)生的豎向位移變化量最大，最大處分別為261.8 mm和8.25 mm；A方案在巷道拱肩和邊墻位置所產(chǎn)生的堅(jiān)向位移變化量最小，最大豎向位移變化量分別為242.2 mm和7.56 mm。通過分析圖8和圖10可知，C方案在巷道拱肩和邊墻位置所產(chǎn)生的水平位移變化量最大，最大處分別為290.8 mm和37.82 mm；A方案在巷道拱肩和邊墻位置所產(chǎn)生的水平位移變化量最小，最大處分別為270.5 mm和34.81 mm。因此，從水平位移和豎向位移變化量來看，A方案優(yōu)于其他兩種方案。

在數(shù)值計(jì)算過程中，對巷道拱頂和拱底的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。施工過程中拱頂和拱底最大沉降曲線分別如圖11和圖12所示。由圖11可知，巷道的豎向變形主要是壓縮變形。方案C在拱頂產(chǎn)生的沉降量最大，方案A產(chǎn)生的沉降量最小。在整個(gè)巷道斷面開挖完成后，方案C的拱頂沉降量為491.8 mm；方案A的拱頂沉降量為412.7 mm。由圖12可知，方案A在各階段產(chǎn)生的沉降量都是比較小的，在巷道完全開挖后，方案A、方案B和方案C造成的拱底最大沉降量分別為411.7 mm、456.6 mm及498.4 mm，所以在巷道完全開挖后，方案A所造成的拱底總沉降量也是最小的。從模擬開挖過程中拱頂和拱底的沉降曲線來看，在前十幾步施工過程中，3種施工方案對拱頂和拱底的沉降影響較小，而在最后一步開挖過程中，3種開挖方案都對拱頂和拱底沉降造成了很大影響，沉降曲線突然變陡，主要原因是在全部開挖后巷道內(nèi)的巖體對洞室的支撐作用減小，從而使拱頂和拱底沉降突然變大[15]。在實(shí)際開挖巷道內(nèi)部區(qū)域的巖體時(shí)，一定要加強(qiáng)拱頂和拱底支護(hù)，盡量采取“快挖快支護(hù)”的方式減少圍巖的沉降[16]。總的來看，3種方案最終造成的沉降量有一定差別，其中方案A具有沉降量更小優(yōu)勢。

圖11 施工過程中拱頂最大沉降曲線圖

圖12 施工過程中拱底最大沉降曲線圖

為了優(yōu)選一個(gè)更加適合該巷道的施工方案，控制地表沉降，不影響地面建筑物、鄰近建筑物和道路的正常使用，在巷道開挖時(shí)務(wù)必嚴(yán)格控制地表沉降。所以，在距巷道中心軸線左右各20 m的地表每隔5 m設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，繪出地表不同位置的沉降曲線，見圖13。由圖13可以看出，3種施工方案在巷道中心軸線左右兩側(cè)15 m范圍內(nèi)造成的地表沉降量比較大，在巷道中心軸線位置處地表沉降量最大。巷道中心軸線左右兩側(cè)15 m之外的地表沉降量距中心軸線距離越遠(yuǎn)變化越不明顯，巷道開挖對地表沉降影響的區(qū)域大致為巷道跨度的2.8倍。其中A方案在地表不同位置產(chǎn)生的沉降量是最小的，C方案是最大的，與A方案相比，C方案產(chǎn)生的沉降量降低了9.74%。這也說明，該巷道采用A方案不僅可以控制圍巖的位移變化，還可以縮短開挖時(shí)間，提高工作效率。

圖13 地表不同位置沉降曲線圖

3.2 圍巖應(yīng)力

圍巖應(yīng)力的變化是圍巖產(chǎn)生變形和失穩(wěn)的根本原因[17]。洞室開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，破壞了原有的平衡狀態(tài)，使圍巖局部應(yīng)力增加[18]。因此，圍巖應(yīng)力的變化是施工中要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

為了分析巷道開挖后圍巖應(yīng)力的變化特征，在巷道頂板、底板和幫部的垂直方向均設(shè)置了3條監(jiān)測線，在頂板和底板監(jiān)測線上以2 m為間隔均勻布置了14個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，在幫部監(jiān)測線上以2 m為間隔均勻布置了18個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。巷道頂板、底板和兩幫應(yīng)力變化曲線分別如圖14、圖15所示。通過分析圖14可知，巷道頂板、底板的應(yīng)力隨距巷道中線距離的增加而逐漸減小，頂板的豎向應(yīng)力作用范圍略大于底板。此外，A、B、C 3種方案在巷道開挖完成后產(chǎn)生的圍巖頂部和底部最大壓應(yīng)力分別為25.21 MPa、25.26 MPa和25.27 MPa和25.29 MPa、25.32 MPa和25.33 MPa。雖然在3種施工方案下在頂板和底板產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力差別不太明顯，但是相比之下，A方案比C方案所產(chǎn)生的圍巖頂部和底部最大壓應(yīng)力分別降低了0.23%和0.16%。由圖15可知，巷道圍巖左右兩幫的應(yīng)力大致呈對稱分布，對巷道影響較大的兩幫水平應(yīng)力范圍大致在距巷道中線左右兩側(cè)12 m處，離巷道中線越遠(yuǎn)影響越小。從巷道圍巖應(yīng)力曲線來看，A方案比其他兩種方案略有優(yōu)勢。

圖14 巷道頂?shù)装鍛?yīng)力變化曲線圖

3種施工方案的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力等值線云圖分別如圖16和圖17所示。由應(yīng)力等值線云圖可知，最大壓應(yīng)力發(fā)生在巷道的最底部，巷道的頂部出現(xiàn)了拉應(yīng)力。在巷道兩幫與地面的交接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)特別注意對應(yīng)力集中部位巖體的加固，防止巖體局部破壞。此外，巷道拱頂處的受力狀態(tài)明顯好于巷道拱底處。由圖16可知，在巷道頂板、底板處，A方案產(chǎn)生的應(yīng)力影響范圍最小，C方案最大(見圖中等值線為8的區(qū)域)。此外，A方案造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象較輕，C方案較重(見圖中等值線為1和8的區(qū)域)。由于巷道兩幫水平應(yīng)力的影響區(qū)域比頂板和底板多，所以巷道兩幫水平應(yīng)力整體呈橢圓狀分布。由圖17可知，在巷道的拱頂、拱底和兩幫處都有應(yīng)力集中現(xiàn)象。相比之下，A方案應(yīng)力集中現(xiàn)象較輕，C方案較為嚴(yán)重。在開挖巷道時(shí)，拱頂豎向應(yīng)力對巷道的影響范圍比拱底廣。此外，隨著巷道局部讓壓段長度的增加，圍巖豎向應(yīng)力等值線云圖作用范圍增大，說明C方案對洞室開挖的影響范圍比A方案大。總之，在施工過程中應(yīng)特別注意對應(yīng)力集中部位和巷道關(guān)鍵位置的圍巖進(jìn)行加固，防止圍巖破壞。

圖15 巷道兩幫應(yīng)力變化曲線

(a)方案A (b) 方案B (c) 方案C 圖16 3種開挖方案下巷道水平應(yīng)力等值線云圖

(a)方案A (b) 方案B (c) 方案C 圖17 3種開挖方案下巷道豎向應(yīng)力等值線云圖

3.3 圍巖塑性區(qū)的分布

圍巖塑性區(qū)的分布范圍是分析圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)和巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)[19]。巷道開挖后，巖體的應(yīng)力發(fā)生變化，從而破壞了圍巖的自身平衡，出現(xiàn)了洞周部分圍巖應(yīng)力超出巖體屈服強(qiáng)度的現(xiàn)象，使得巖體進(jìn)入了塑性狀態(tài)[20]。不同開挖方案下圍巖塑性區(qū)分布如圖18所示。

由圖18可知，在高地應(yīng)力作用下開挖洞室，巖體的破壞從洞室的幫角和底角等關(guān)鍵部位開始，先在巷道的頂部和底部以及幫部產(chǎn)生局部剪切破壞帶，然后這些剪切破壞帶開始擴(kuò)展、相互連接和貫通，從而產(chǎn)生大范圍的剪切破壞區(qū)，所以巖體的破壞形式以剪切破壞為主[21]，圍巖的拉伸屈服區(qū)域隨著巷道的開挖逐漸減小，直到消失。通過FLAC3D內(nèi)嵌的FISH語言對3種方案的塑性區(qū)體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，A方案、B方案和C方案的塑性區(qū)體積分別為448.28 m3、555.30 m3和671.06 m3。

圖18 3種開挖方案下巷道圍巖塑性區(qū)分布圖

表2所示為不同施工方案下巷道圍巖塑性區(qū)的最大深度。由表2可知，圍巖兩幫的塑性破壞區(qū)范圍比頂部和底部大，C方案的塑性區(qū)范圍略大于A方案。此外，A方案引起的頂板塑性區(qū)最大深度比B方案小0.11 m、比C方案小0.17 m。A方案引起的底板塑性區(qū)最大深度比B方案小0.10 m、比C方案小0.25 m。A方案引起的幫部塑性區(qū)最大深度比B方案小0.06 m、比C方案小0.59 m。從不同施工方案下巷道圍巖塑性區(qū)的最大深度來看，采取A方案具有一定的優(yōu)勢。

表2 不同施工方案下巷道圍巖塑性區(qū)最大深度 m

4 結(jié) 論

采用FLAC3D有限差分軟件對3種施工方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，并根據(jù)巷道開挖過程中圍巖位移變化、圍巖應(yīng)力變化、圍巖塑性區(qū)分布、圍巖支護(hù)作用、拱頂位移和地表沉降變化六方面進(jìn)行綜合考慮，得到如下主要結(jié)論：

(1) 根據(jù)圍巖位移變化可知，A方案豎向和水平位移變化量比其他兩種施工方案小；從拱肩和邊墻位移監(jiān)測情況來看，C方案產(chǎn)生的位移變化量最大，A方案最小；從拱底沉降分析來看，A方案具有沉降量小的優(yōu)勢，地表最大沉降量為411.7 mm，B方案和C方案產(chǎn)生的最大沉降量分別為456.6 mm、498.4 mm。相比之下，A方案比B方案沉降量減小9.8%，比C方案沉降量減小17.4%。因此，從圍巖位移變化來看，A方案優(yōu)于其他兩種方案。

(2) 根據(jù)圍巖應(yīng)力變化可知，在巷道兩幫與巷道地面的交接處和開挖拱頂、拱底部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與大量工程實(shí)際也是相吻合的。因此，應(yīng)對應(yīng)力集中部位進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)，以免造成圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的局部破壞。相比之下，A方案所產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象較輕，造成的圍巖頂部和底部最大壓應(yīng)力最小，應(yīng)力值分別為25.21 MPa和25.29 MPa；C方案造成的圍巖頂部和底部最大壓應(yīng)力最大，分別為25.27 MPa和25.33 MPa。A方案所產(chǎn)生的圍巖頂部和底部最大壓應(yīng)力較C方案分別減小了0.23%和0.16%。因此，從圍巖應(yīng)力變化來看，A方案優(yōu)于其他兩種方案。采用A方案不僅可以減少對巷道圍巖的擾動(dòng)，還可以縮短開挖時(shí)間，提高工作效率。

(3) 由圍巖塑性區(qū)分布可知，在開挖巷道時(shí)，巖體的破壞從洞室的幫角和底角等關(guān)鍵部位開始，先在巷道的頂部和底部以及幫部產(chǎn)生局部剪切破壞帶，然后這些剪切破壞帶開始擴(kuò)展、相互連接和貫通，從而產(chǎn)生大范圍的剪切破壞區(qū)，所以巖體的破壞形式以剪切破壞為主，圍巖的拉伸屈服區(qū)域隨著巷道的開挖逐漸減小，直到消失。

(4) 從地表不同位置的沉降曲線來看，A方案在地表的每一個(gè)位置產(chǎn)生的沉降量都較其他兩種方案小。在距巷道中線約15 m的范圍內(nèi)，地表產(chǎn)生的沉降量較大，巷道開挖對地表沉降影響的區(qū)域大致為巷道中線兩側(cè)的2.8倍跨度。