TBM掘進煤礦深井巷道支護方案優(yōu)化實踐

摘要：針對煤礦深井巷道TBM掘進施工中圍巖支護方案少有規(guī)范可供參考，支護施工需同時兼顧支護強度和支護施工速度等問題，根據(jù)煤礦深部地層巖層物理力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力場參數(shù)等工程地質(zhì)條件，開展TBM掘進巷道數(shù)值模擬，獲得不同支護方案下圍巖應(yīng)力場、位移場演化規(guī)律，優(yōu)選合理支護方案，并在TBM掘進煤礦深井巷道工程實踐中應(yīng)用。工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，巷道開挖后第70d，頂板下沉量和兩幫收斂量停止增加，錨桿軸力停止增長，所采用的支護方案滿足巷道圍巖穩(wěn)定性控制的需要。

關(guān)鍵詞：煤礦巖巷數(shù)值模擬支護方案現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號：TD35

OptimizationPracticeofDeepMineRoadwaySupportSchemeinTBMMining

ZHANGFenglin1TANGBin1*SHENRenwei2LIHongliang2ZHANGPengtao2CHENGJinyi2LIUZhenyu1HOUJunling3

1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，Huainan，AnhuiProvince，232001China;2.HuainanMiningIndustry（Group）Co.，Ltd.，Huainan，AnhuiProvince，232001China;3.SchoolofVanadiumandTitanium，PanzhihuaUniversity，Panzhihua，SichuanProvince，617000China

Abstract：AstherearefewspecificationsforthesurroundingrocksupportschemeintheTBMexcavationconstructionofdeepmineroadwayforreference，thesupportconstructionneedstotakeintoaccountbothsupportstrengthandsupportconstructionspeed，etc.Accordingtoengineeringgeologicalconditionssuchasphysicalandmechanicalpropertiesofrockstrataandgeologicalstressfieldparametersindeepcoalmine，numericalsimulationofTBMexcavationroadwayiscarriedoutinthisarticle，toobtaintheevolutionlawsofthesurroundingrockstressfieldanddisplacementfieldunderdifferentsupportschemes，andareasonablesupportschemeisselectedandappliedindeepmineroadwayengineeringpracticeofTBMmining.On-sitemonitoringdatashowthatonthe70thdayaftertunnelexcavation，theroofsubsidenceandconvergenceofthetwosidesstopincreasing，andtheaxialforceoftheanchorrodstopsincreasing.Thesupportschemeadoptedmeetstheneedsofthestabilitycontrolofthesurroundingrockoftheroadway.

KeyWords：Coalmine;Rockroadway;Numericalsimulation;Supportscheme;Fieldmonitoring

深部煤礦巷道建設(shè)過程中普遍存在高地應(yīng)力，高地應(yīng)力易導(dǎo)致深部巷道圍巖發(fā)生大變形、強度失穩(wěn)等現(xiàn)象[1]。為防止深部煤礦巷道圍巖因大變形而發(fā)生破壞，需采用滿足控制巷道圍巖穩(wěn)定性要求的支護方案。

錨桿錨索支護是一種快速、經(jīng)濟的支護工藝，常被采用在巷道圍巖支護的施工中。針對錨桿、錨索支護條件下巷道圍巖穩(wěn)定性的研究，眾多學(xué)者通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等研究方法研究錨桿、錨索支護條件下的巷道圍巖應(yīng)力場、位移場的演化規(guī)律。例如：劉海雁等人[2]采用正交數(shù)值模擬方法，提出多指標的巷道錨桿支護正交設(shè)計矩陣分析方法；趙呈星等人[3]提出一種“混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索”聯(lián)合支護方案，并采用FLAC3D進行數(shù)值模擬驗證該支護方案的合理性和可靠性；唐彬等人[4-6]采用UDEC離散元模擬軟件模擬了巷道無支護與兩種有支護情況下的開挖擾動行為，同時提出了以錨網(wǎng)支護為主的TBM掘進巷道支護形式與設(shè)計方法。

本文以淮南礦區(qū)某礦井瓦斯綜合治理巷為工程背景，采用FLAC3D軟件對3種不同支護方案的巷道圍巖進行數(shù)值模擬，研究不同支護方案下巷道圍巖的強度和穩(wěn)定性，確定最優(yōu)支護方案。

1工程概況

某礦井瓦斯綜合治理巷設(shè)計標高為-877.6至-739.8m，設(shè)計工程量為3102.4m。巷道巷底距11-3煤、11-2煤頂板法距分別為22.4～55.4m、27～60m，巷頂距12煤、13-1煤底板法距為3.9～37.5m、11.9～45.4m。巷道整體地層較平緩，傾角∠2～12°、平均5°，11-2煤厚0.4～3.4m，平均2.8m，13-1煤厚1.8～4.1m，平均2.8m。根據(jù)周邊巷道實際揭露資料、勘探鉆孔及地質(zhì)前探孔資料分析，施工中預(yù)計揭露巖性為砂質(zhì)泥巖、花斑泥巖、粉砂巖、砂巖、泥巖等。

2數(shù)值模擬分析

2.1模型建立

采用FLAC3D建立三維巷道模型。考慮到巷道開挖僅對距中心點３～５倍巷道最大半徑范圍內(nèi)圍巖有影響，因此幾何模型尺寸取開挖半徑的5倍以上[7]。模型尺寸為40m×48m×40m，巷道開挖方向為正Y方向，開挖直徑為4.5m。圍巖采用實體單元zone單元建立，錨桿、錨索采用錨結(jié)構(gòu)單元cable單元建立[8]。模型的單元數(shù)為99840，節(jié)點數(shù)為101969。圍巖的結(jié)構(gòu)模型采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準則為摩爾-庫倫強度準則[9]。

2.2參數(shù)選取

2.2.1圍巖物理力學(xué)參數(shù)

巷道圍巖主要為砂巖。對現(xiàn)場圍巖進行取樣、制樣，進行室內(nèi)試驗測得其各項物理力學(xué)參數(shù)。具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2.2錨桿和錨索物理力學(xué)參數(shù)

錨桿采用MSGLW-400型高強錨桿，直徑為22mm，長為2500mm；錨索采用SKP22-1/1860/6300mm型礦用錨索，直徑為22mm，長為6300mm。錨桿、錨索物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.3邊界條件及初始應(yīng)力場平衡

模型底面采用限制Z方向位移的位移邊界條件， X邊界面、Y邊界面及頂面采用應(yīng)力邊界條件，應(yīng)力邊界條件由巷道所處地層的地應(yīng)力場確定。

根據(jù)地應(yīng)力場，并將最大、最小主應(yīng)力分解到X、Y方向，最終確定在X邊界面上施加的應(yīng)力邊界條件大小為23.9MPa，在Y邊界面上施加的應(yīng)力邊界條件大小為12.7MPa，在頂面上施加的初始地應(yīng)力為14.3MPa。

2.4數(shù)值模擬方案

根據(jù)TBM掘進巷道支護施工經(jīng)驗和某礦井瓦斯綜合治理巷道的工程地質(zhì)條件，初步擬定3種備選支護方案，具體如表3所示。

2.5數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.5.1應(yīng)力分析

3種支護方案下的水平方向及豎直方向的應(yīng)力云圖如圖2、圖3所示。3種支護方案均產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，且均表現(xiàn)為水平應(yīng)力集中在巷道的頂板和底板，豎直應(yīng)力集中在巷道的兩幫。其中，方案一最大水平應(yīng)力約為39.5MPa，最小水平應(yīng)力約為2.5MPa，最大豎直應(yīng)力約為32.2MPa，最小豎直應(yīng)力約為2.7MPa；方案二相比于方案一，減少了錨索數(shù)量，其最大水平應(yīng)力約為50.8MPa，最小水平應(yīng)力約為3MPa，最大豎直應(yīng)力約為43.3MPa，最小豎直應(yīng)力約為3.3MPa；方案三相比于方案二提高了錨桿預(yù)緊力，其最大水平應(yīng)力約為43.2MPa，最小水平應(yīng)力約為2.6MPa，最大豎直應(yīng)力約為35.9MPa，最小豎直應(yīng)力約為3MPa。

2.5.2位移分析

3種支護方案下巷道的水平方向及豎直方向的圍巖變形云圖如圖4、圖5所示。3種支護方案下的巷道圍巖水平方向變形主要發(fā)生在巷道的兩幫，豎直方向位移主要發(fā)生在巷道的頂板、底板處，同應(yīng)力云圖應(yīng)力最大值位置保持一致。其中，方案一巷道兩幫的收斂量為44.8mm，頂板下沉量約為18.1mm，底板變形為13.6mm；方案二巷道兩幫的收斂量為59.8mm，頂板下沉量為26.3mm，底板變形為19.8mm；方案三巷道兩幫的收斂量為50.6mm，頂板下沉量約為21.3mm，底板變形為16mm。

2.5.3塑性區(qū)分析

3種支護方案的塑性區(qū)分布如圖6所示。3種支護方案的塑性區(qū)均產(chǎn)生在巷道周圍，其中，方案一塑性區(qū)面積最小，且均為巷道圍巖剪切破壞形成的塑性區(qū)；支護方案二塑性區(qū)面積更大，且同時存在圍巖剪切破壞和拉伸破壞形成的塑性區(qū)；支護方案三塑性區(qū)面積介于方案一、二之間，且只存在圍巖剪切破壞形成的塑性區(qū)。

綜上所述，支護方案一的支護效果最為顯著，其圍巖的應(yīng)力集中程度最小，巷道斷面變形量最小且塑性區(qū)面積最小。由此可見，增加錨索和提高錨桿預(yù)緊力均可有效控制圍巖變形和塑性區(qū)擴展發(fā)育。但現(xiàn)場施工中，提高錨桿預(yù)緊力需相應(yīng)增大錨桿螺母扭矩，施工中常出現(xiàn)減摩墊片提前損壞而無法繼續(xù)增加螺母扭矩和錨桿預(yù)緊力的情況，現(xiàn)場操作難度較大。相比之下，方案一增加2根錨索，施工難度更低，施工過程中返工極少，且支護效果略優(yōu)于方案三。因此選擇支護方案一作為工程現(xiàn)場的支護方案。

3TBM掘進煤礦深井巷道支護工程實踐

3.1巷道監(jiān)測方案

現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容包括錨桿軸力監(jiān)測和巷道圍巖變形監(jiān)測，錨桿軸力采用振弦式錨桿測力計進行測量，巷道圍巖變形采用激光測距儀進行測量。測點布置方面，每個監(jiān)測斷面布置4個錨桿軸力監(jiān)測點和兩個分別用于測量巷道斷面頂板下沉量和兩幫收斂量監(jiān)測點，具體測點布置見圖7所示。

3.2監(jiān)測結(jié)果

3.2.1巷道圍巖變形

巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。在巷道開挖后的30d內(nèi)，巷道圍巖變形速度較快，巷道開挖后20d左右變形速度開始逐漸變慢，巷道開挖后第70d，頂板下沉量和兩幫收斂量停止增加。巷道頂板下沉量約為52mm，兩幫收斂量約為84mm。巷道斷面收斂監(jiān)測結(jié)果表明支護方案一的支護方案可以滿足圍巖變形控制的要求。

3.2.2錨桿軸力

錨桿軸力監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。4個測點錨桿軸力變化趨勢與巷道圍巖變形趨勢基本保持一致。在巷道開挖70d后，錨桿軸力停止增長，1～4號監(jiān)測點的錨桿軸力分別為：123.72kN、67.8kN、157.79kN、116.04kN。巷道錨桿軸力監(jiān)測結(jié)果表明巷道圍巖應(yīng)力已基本穩(wěn)定且沒有發(fā)生強度破壞，支護方案一的支護方案可以滿足圍巖穩(wěn)定性控制的要求。

4結(jié)論

本文使用FLAC3D有限差分法數(shù)值模擬軟件，建立煤礦深部地層TBM掘進巷道數(shù)值模型。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，初步選定三種支護方案，開展數(shù)值模擬。獲得不同支護條件下巷道圍巖位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)分布規(guī)律。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)選支護方案，并在TBM掘進巷道開展現(xiàn)場監(jiān)測，獲得了TBM掘進巷道圍巖變形和錨桿軸力演化規(guī)律。得出結(jié)論如下。

（1）TBM掘進巷道中，增加錨索和提高錨桿預(yù)緊力均可有效控制圍巖變形和塑性區(qū)擴展發(fā)育。但現(xiàn)場施工中，提高錨桿預(yù)緊力需相應(yīng)增大錨桿螺母扭矩，現(xiàn)場操作難度大，返工率較多。而增加2根錨索施工難度較低，且支護效果略優(yōu)于提高錨桿預(yù)緊力。因此優(yōu)選增加2根錨索的支護方案。

（2）巷道開挖后，巷道表面圍巖卸荷，應(yīng)力集中區(qū)域向圍巖深部轉(zhuǎn)移。3種支護方案中，增加錨索可有效擴大在圍巖深部的錨固范圍，應(yīng)力集中范圍較小，對圍巖變形控制效果最好。

（3）現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，驗證了數(shù)值模擬的準確性。監(jiān)測結(jié)果表明：巷道開挖初期，圍巖變形、錨桿軸力增長較快。30d后增幅減慢。70d后，巷道圍巖變形與錨桿軸力基本趨于穩(wěn)定。表明所采用的支護方案滿足實際工程控制圍巖穩(wěn)定性的要求。

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