受掘進擾動影響的巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究

張 斌，蘇學(xué)貴,2，段振雄，常立宗，王福周

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京100083)

巷道圍巖的穩(wěn)定性不僅與巷道所處的空間位置[1-3]、布置方式有關(guān)[4-7]，巷道的掘進擾動也會對其產(chǎn)生影響[8-11]。隨著煤炭資源的不斷開采，有限井田范圍內(nèi)布置著的巷道數(shù)量也在不斷增多，巷道間的掘進擾動逐漸成為制約礦井安全生產(chǎn)的重要影響因素。龍泉煤礦相鄰的2條大巷由于布置不合理,受相互擾動等因素影響巷道變形破壞嚴重，直接影響生產(chǎn)安全。

國內(nèi)外眾多學(xué)者針對掘進擾動展開了諸多研究，劉泉聲等通過礦壓觀測提出了深埋巷道即使間距大于5倍硐徑，仍然會受到擾動影響[12]；YAN Peng等通過數(shù)值模擬對比了應(yīng)力的二次分布和爆破荷載對開挖擾動區(qū)的影響[13];MARTINO J B等對圍巖的波速變化進行了測定,將開挖擾動區(qū)劃分為內(nèi)部損傷區(qū)和外部損傷區(qū)[14]；周輝等對巷道開挖擾動區(qū)的演化特征進行了研究，指出開挖擾動區(qū)與擾動應(yīng)力場的演化特征具有一定的相似性[15]；冷先倫等研究了掘進速率和開挖擾動的內(nèi)在關(guān)系，指出開挖擾動效應(yīng)的降低可以通過加快掘進速率來實現(xiàn)[16]；張明等對超深井多煤層擾動下的巷道變形破壞機理進行了研究，指出巷道間的擾動過程與底板巷道的破壞區(qū)域存在著時空對應(yīng)關(guān)系[17]；RUTQVIST J等對巷道開挖所引起的圍巖滲透系數(shù)的變化規(guī)律進行了研究，并將開挖擾動區(qū)劃分為損傷區(qū)、不飽和區(qū)、流體壓力降低區(qū)[18-19];宋朝陽等對巷道不同水平間距、垂距、掘進順序進行了研究，并在此基礎(chǔ)上提出了巷道掘進擾動影響因子[20]。但目前的研究多從巖體擾動損傷與破壞機理角度來揭示圍巖應(yīng)力和變形的規(guī)律，而基于原位裂隙演化探測與穩(wěn)定性監(jiān)測分析的巷道間掘進擾動影響規(guī)律研究相對較少。

筆者以龍泉煤礦相鄰的膠帶大巷和回風(fēng)大巷為研究對象，采用圍巖原位實測、數(shù)值模擬和工程監(jiān)測的方法，對膠帶大巷受掘進擾動的影響規(guī)律，以及巷道圍巖穩(wěn)定性控制展開研究。

1 工程特征分析

1.1 工程概況

龍泉煤礦回風(fēng)大巷和膠帶大巷為相鄰平行的2條巷道，巷間距25 m，埋深為600 m，膠帶大巷沿4#煤層頂板掘進，巷道凈寬5.70 m、凈高3.75 m，原支護方案采用錨網(wǎng)索+噴射混凝土聯(lián)合支護，巷道頂部每排施工7根錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm，施加的預(yù)緊力為40 kN；錨索長度為7 m,第一排打3根錨索，第二排打2根錨索，依次循環(huán)，排距為1 000 mm，間距分別為2 200、2 300 mm，施加的預(yù)緊力均為100 kN。兩幫每排施工4根錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，錨固方式與頂板一致。巷道頂?shù)装鍘r層賦存情況及支護斷面如圖1所示。

圖1 巷道頂?shù)装鍘r層賦存情況及支護斷面圖

回風(fēng)大巷凈寬5.3 m、凈高4.3 m，支護方式與膠帶大巷相似。2條大巷均采用綜掘機施工，膠帶大巷超前回風(fēng)大巷150 m左右，2條大巷的相對位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 巷道位置關(guān)系示意圖

1.2 破壞特征

由于受地質(zhì)條件變化尤其是掘進擾動等因素的影響，膠帶大巷在掘進后產(chǎn)生了嚴重破壞，兩幫不對稱變形尤為明顯，其中靠近回風(fēng)大巷的左幫變形劇烈(如圖3所示)，局部地區(qū)頂板下沉量較大，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)。

圖3 膠帶大巷左幫變形情況

1.3 圍巖物理力學(xué)特性

為了解龍泉煤礦巷道頂?shù)装宀煌瑤r層的物理力學(xué)性質(zhì)，在距測站后方5 m處選取合適的位置打鉆取芯，之后將其密封并帶回實驗室對其物理力學(xué)參數(shù)進行測定。巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)測定結(jié)果如表1 所示。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

由表1可知，在巷道頂板7.7 m范圍內(nèi)的巖層包括4#煤的強度較同類巖層低許多，層間連接性較差且節(jié)理較為發(fā)育；泥巖之上則覆蓋一層厚度約10.4 m的砂質(zhì)泥巖，該巖層強度較高,圍巖完整性較好；4#煤層之下為厚3.8 m的細粒砂巖。

2 巷道擾動影響規(guī)律研究

2.1 擾動規(guī)律數(shù)值分析

2.1.1 建立數(shù)值模型

巷道間距是影響掘進擾動的重要因素，基于表1數(shù)據(jù)構(gòu)建FLAC3D數(shù)值模型。巷道間距分別取15、25、35、45 m,模擬范圍為50.0 m×56.0 m×37.4 m，模擬深度為600 m，側(cè)壓系數(shù)設(shè)為1.2。數(shù)值模擬中將膠帶大巷視為已施工完畢的巷道，回風(fēng)大巷作為后掘巷道，以步距8 m向前掘進，將膠帶大巷y軸方向上32 m處的斷面作為測站，對不同巷道間距下膠帶大巷所受的擾動影響規(guī)律進行數(shù)值模擬。

2.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

膠帶大巷在原方案支護下左、右兩幫最大移近量,以及頂?shù)装遄畲笠平吭诓煌锏篱g距下的變化曲線如圖4所示。

圖4 膠帶大巷圍巖變形量隨巷道間距的變化曲線

由圖4可知，當(dāng)巷道間距為45 m時，膠帶大巷左、右兩幫移近量分別為380、381 mm，頂?shù)装逡平繛?82 mm，左、右兩幫移近量相近，巷道圍巖穩(wěn)定；當(dāng)間距為35 m時，左、右兩幫移近量及頂?shù)装逡平糠謩e比間距45 m時僅高出9.5%、1.8%、9.3%，巷道變形較??；當(dāng)間距為25 m時，左、右兩幫移近量分別比間距45 m時高出52.4%、22.0%，其中左幫高出右?guī)?4.5%，巷道變形明顯加大；當(dāng)間距為15 m時，右?guī)鸵平勘乳g距45 m時高出49.6%，巷道整體破壞嚴重。

不同巷道間距時膠帶大巷斷面積隨回風(fēng)大巷掘進距離的變化曲線如圖5所示。

圖5 膠帶大巷斷面積隨回風(fēng)大巷掘進距離的變化曲線

由圖5可知，當(dāng)巷道間距為45 m時，膠帶大巷基本不受擾動影響；當(dāng)間距為35 m時，受擾動影響較小；當(dāng)間距分別為25、15 m時，回風(fēng)大巷從16 m掘進至40 m的過程中膠帶大巷變形明顯，巷道斷面的收縮量分別達到了總收縮量的78.5%、66.4%。

隨著巷道間距的減小，掘進擾動影響不斷增強，膠帶大巷前后8 m范圍內(nèi)受擾動影響最為明顯,且左幫比右?guī)推茐膰乐亍?/p>

2.2 圍巖擾動原位實測分析

在工程實際中膠帶大巷和回風(fēng)大巷2條巷道間距為25 m，為進一步研究回風(fēng)大巷掘進對膠帶大巷的擾動影響，在膠帶大巷中選取合適的位置布置鉆孔，采用TYGD10巖層鉆孔探測儀及DM-4型多點位移計對圍巖松動變形進行探測分析，其中窺視深度為12.5 m，多點位移計測深為7.0 m。

當(dāng)回風(fēng)大巷掘進工作面距離窺視探測站前、后16 m處時分別對其進行了窺視，頂板圍巖前后2次窺視結(jié)果如圖6所示。

(a)第1次窺視 (b)第2次窺視

由圖6可知，第2次窺視時窺視孔1.2 m深處和2.6 m深處的孔壁與第1次窺視時相比較，破碎且裂隙明顯增多；3.3 m深處與第1次窺視時相比孔壁較為粗糙；6.7 m深處第1次窺視時孔壁比較光滑，第2次窺視時則出現(xiàn)了2條張開度較大的縱向裂隙；窺視孔7.2 m深處前后2次窺視結(jié)果相近，孔壁裂隙變化不明顯。

窺視結(jié)果顯示，回風(fēng)大巷經(jīng)過后膠帶大巷圍巖裂隙進一步增加，表明受擾動影響明顯。

對膠帶大巷左幫的多點位移計讀數(shù)進行了為期30 d的監(jiān)測，左幫不同深度測點位移隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7 左幫不同深度測點位移隨時間的變化曲線

由圖7可知，回風(fēng)大巷在第10天通過了測點，從第9天到第12天這段期間左幫1、2、4 m深度處的測點位移增長較快，移近量分別達到了總移近量的61.5%、58.6%、58.3%，其中1、2、4 m深度處的測點總移近量分別為39、29、10 mm；7 m深度處測點位移變化較小，穩(wěn)定后的移近量僅為2 mm。

通過上述窺視和監(jiān)測結(jié)果可以得出，膠帶大巷圍巖較淺部位受回風(fēng)大巷掘進擾動的影響較為明顯，擾動影響顯著期為5 d，圍巖深度大于7 m時基本不受擾動影響。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性控制優(yōu)化研究

3.1 支護機理及優(yōu)化

依據(jù)數(shù)值分析和現(xiàn)場原位實測結(jié)果對原支護方案進行優(yōu)化。

1)原位探測表明，受擾動影響的頂板圍巖深度1.0～2.6 m區(qū)域破碎明顯，3.3～6.7 m區(qū)域孔壁較為粗糙且出現(xiàn)了多條裂隙，會導(dǎo)致錨桿(索)錨固基礎(chǔ)不牢，支護效果較差，由此可通過減小錨桿(索)間排距、提高預(yù)緊力，以及增加錨索長度來對破碎圍巖進行控制。

2)膠帶大巷左幫為煤柱，右?guī)蜑閷嶓w煤，煤柱對上覆巖層起著較強的支撐作用。同時左幫受擾動影響其受力情況相比于右?guī)透鼮閺?fù)雜，進而導(dǎo)致左幫的破壞情況比右?guī)蛧乐亍榱艘种破瑤颓闆r的發(fā)生，更好地起到固幫控頂?shù)淖饔茫赏ㄟ^減小幫部錨桿間排距，增打幫錨索的方式來實現(xiàn)。

3)巷道間距25 m時受擾動影響明顯,35 m時受擾動影響較小，因此在允許的情況下可適當(dāng)調(diào)整巷道間距。

4)膠帶大巷底板出現(xiàn)了一定程度的底鼓，在后期采取挖底、路面硬化等措施對其進行治理。

巷道支護的優(yōu)化方案如下：

優(yōu)化方案1：鑒于現(xiàn)有2條大巷間距不宜再做調(diào)整，故在原支護方案基礎(chǔ)上將錨索改為“三三布置”，長度加長至8 m，間排距為2.2 m×1.0 m。由于兩幫變形總體偏大，故兩幫各增打1根8 m長的錨索，布置在2排錨桿之間，距頂板1.5 m，排距為1.0 m。

優(yōu)化方案2：在原支護方案的基礎(chǔ)上將錨索改為“四三布置”，長度加長至8 m，間距均為1.5 m，排距為0.85 m；頂板和幫部的錨桿間排距均調(diào)整為0.85 m×0.85 m；幫錨索在方案1的基礎(chǔ)上將排距縮減為0.85 m。在該支護方案中將錨桿預(yù)緊力增大至60 kN,錨索預(yù)緊力增大至160 kN。

優(yōu)化方案3：為了給新采區(qū)的巷道布置提供合理依據(jù)，將2條大巷的間距調(diào)整為35 m，膠帶大巷仍采用原支護方案。

3.2 優(yōu)化巷道穩(wěn)定性數(shù)值分析

對不同支護方案下的巷道圍巖穩(wěn)定性進行對比分析，膠帶大巷左、右兩幫最大移近量及頂?shù)装遄畲笠平吭诓煌桨赶碌淖兓€如圖8所示。

圖8 膠帶大巷不同優(yōu)化方案圍巖變形曲線

從圖8中可以看出，在優(yōu)化方案1的支護下，膠帶大巷左、右兩幫移近量分別為531、455 mm，頂?shù)装逡平繛?24 mm，與原方案支護下的移近量相比分別減小了8.3%、2.2%、6.9%，其中左幫移近量高出右?guī)?6.7%，左右兩幫仍存在不對稱變形的現(xiàn)象。

在優(yōu)化方案2的支護下，膠帶大巷左、右兩幫移近量及頂?shù)装逡平糠謩e比在原方案支護時的移近量減小了21.2%、6.0%、15.2%，其中左幫移近量僅高出右?guī)?.3%，兩幫不對稱變形大幅降低。

在優(yōu)化方案3的支護下，膠帶大巷左、右兩幫移近量及頂?shù)装逡平糠謩e比在原方案支護時的移近量減小了28.2%、16.6%、18.3%，巷道圍巖變形得到較好的控制。

膠帶大巷在4種支護方式下巷道圍巖變形量達到最大值時的塑性區(qū)分布如圖9所示。

(a)原方案支護下

由圖9可知，在原方案的支護下巷道頂板塑性區(qū)最深達到了4.23 m，左、右兩幫的塑性區(qū)最深分別達到了8、6 m，超出了錨桿(索)的錨固范圍，巷道圍巖穩(wěn)定性較差；在優(yōu)化方案1的支護下巷道圍巖塑性區(qū)與原方案支護時的相比減小了29.3%，塑性區(qū)分布范圍仍然較大；在優(yōu)化方案2和優(yōu)化方案3的支護下巷道圍巖塑性區(qū)與原方案支護時的相比分別減小了45.6%、53.1%，塑性區(qū)被有效控制在錨桿(索)的支護范圍內(nèi)。

優(yōu)化方案1對巷道圍巖穩(wěn)定性的控制效果不明顯，優(yōu)化方案2與優(yōu)化方案3能夠有效控制巷道圍巖變形。鑒于目前正在施工的2條巷道調(diào)整間距較為困難，因此采用優(yōu)化方案2作為最終的優(yōu)化方案。對于下一步巷道布置，優(yōu)化方案3具有一定的借鑒意義。

4 工程監(jiān)測

4.1 測站布置

采用優(yōu)化方案支護后在現(xiàn)場重新布置測站進行監(jiān)測，其中兩幫的測點布置相同。監(jiān)測儀器主要有MCJ-30型錨桿測力計、MCJ-40型錨索測力計及激光測距儀等。測站布置及現(xiàn)場監(jiān)測示意圖見圖10。

圖10 測站布置及現(xiàn)場監(jiān)測示意圖

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

測站監(jiān)測的圍巖變形量及錨桿(索)受力變化曲線如圖11～12所示。

圖11 圍巖變形量隨監(jiān)測時間的變化曲線

圖12 測力計讀數(shù)隨監(jiān)測時間的變化曲線

由圖11、圖12可知，回風(fēng)大巷在第9天通過測站，通過測站期間巷道圍巖變形明顯增加，同時左、右兩幫錨桿測力計和頂板錨索測力計的工作載荷增長幅度較大，分別達到了總增長量的81.5%、82.8%、83.3%，之后錨桿(索)受力平穩(wěn)。幫部錨桿測力計和頂板錨索測力計的工作載荷峰值分別為91.49、199.45 kN，為屈服載荷的48.2%、39.9%，錨桿(索)受力合理。測站兩幫總移近量為53 mm，頂板總下沉量為28 mm，表明在優(yōu)化方案2加強支護下巷道圍巖較為穩(wěn)定。優(yōu)化支護后膠帶大巷斷面如圖13所示，滿足礦井安全生產(chǎn)要求。

圖13 優(yōu)化支護后膠帶大巷斷面圖

5 結(jié)論

1)巷道圍巖較淺部位受掘進擾動影響明顯，擾動影響下圍巖裂隙增加、位移量增大，當(dāng)圍巖深度大于 7 m 時基本不受擾動影響，擾動影響顯著期為5 d。

2)巷道間距為45 m時基本不受擾動影響；間距為35 m時，受擾動影響的變形較?。婚g距為25 m時，左幫和右?guī)偷囊平勘乳g距45 m時高出52.4%、22.0%，其中左幫高出右?guī)?4.5%，兩幫不對稱變形明顯；間距為15 m時，巷道破壞嚴重。

3)調(diào)整巷道間距(由25 m增加到35 m)可明顯降低擾動影響，圍巖塑性區(qū)減小53.1%。但當(dāng)巷道間距不宜變化時，通過優(yōu)化支護參數(shù)，圍巖塑性區(qū)亦可減小45.6%，優(yōu)化方案經(jīng)工程應(yīng)用驗證具有合理性。