煤礦深部復(fù)合地層TBM掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性控制工程實踐

摘要：為探究深部復(fù)合地層在全斷面隧道掘進(jìn)機（TunnelBoringMachine，TBM）掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性控制機理，以淮南礦區(qū)某深部巖石巷道為背景，在同等支護(hù)條件下基于Flac3D數(shù)值模擬軟件對硬巖、軟弱巖層及復(fù)合巖層建立數(shù)值模型，通過分析位移云圖、應(yīng)力云圖及圍巖塑性區(qū)的分布演化規(guī)律，優(yōu)化TBM掘進(jìn)和支護(hù)方案。通過圍巖變形和錨桿軸力監(jiān)測，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果得出復(fù)合巖層的位移、應(yīng)力云圖及塑性區(qū)出現(xiàn)明顯的不對稱性，在復(fù)合巖層中的軟弱巖層應(yīng)加大支護(hù)力度。

關(guān)鍵詞：深部復(fù)合地層Flac3D數(shù)值模擬圍巖穩(wěn)定工程實踐

中圖分類號：TD35

EngineeringPracticeofSurroundingRockStabilityControlofDeepCompositeStrataTBMTunnelingRoadwayinCoalMines

LIUZhenyu1TANGBin1*HUYang2ZHANGDahuan2XUBin2

HOUJunling3

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

Abstract：InordertoexplorethestabilitycontrolmechanismofthesurroundingrockofTunnelBoringMachine（TBM）tunnelingroadwayindeepcompositestratas，adeeprockroadwayintheHuainanMiningareaistakenasthebackground，andthenumericalmodelofhardrock，softrockstrataandcompositerockstrataisestablishedbasedontheFlac3Dnumericalsimulationsoftwareunderthesamesupportconditions.TBMexcavationandsupportschemeisoptimizedbyanalyzingthedistributionandevolutionlawofthedisplacementcloudmap，stresscloudmapandtheplasticzoneofthesurroundingrock.Throughthemonitoringofthedeformationofthesurroundingrockandtheaxialforceofthebolt，combinedwiththeresultsofnumericalsimulationandfieldmeasurement，itisconcludedthatthereisobviousasymmetryinthedisplacement，stressclouddiagramandplasticzoneofthecompositerockformation，andtheweakrockstratainthecompositerockstratashouldbestrengthened.

KeyWords：Deepcompositestrata;Flac3Dnumericalsimulation;Surroundingrockstability;Engineeringpractice

隨著全球能源需求的迅速增加和對能源開采強度的持續(xù)提升，對深部地下資源的開采和利用也日益成為關(guān)注的焦點。TBM法（TunnelBoringMachine）是一種采用全斷面巖石掘進(jìn)機施工隧道的先進(jìn)技術(shù)，其優(yōu)點在于安全、施工速度快、機械化程度高，施工環(huán)境好[1-3]。因此，深入研究深部復(fù)合地層TBM施工巷道圍巖的穩(wěn)定性對于提高巷道的安全性和掘進(jìn)效率具有重要意義。蔣毅等人[4]開展對復(fù)合地層樣品的單軸及三軸壓縮試驗，得出深部復(fù)合地層的變形主要發(fā)生在軟巖部分。李元海等人[5]研究了深部復(fù)合地層下有、無支護(hù)條件，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效改善圍巖的自承載能力和隧道的整體穩(wěn)定性。秦紹龍等人[6]基于硬巖和圍巖變形規(guī)律提出巷道宜采用“樹脂錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土”支護(hù)，并可有效控制圍巖的變化量。以上研究主要關(guān)注巷道圍巖的穩(wěn)定控制，然而對于深部復(fù)合地層上部為硬巖下部為軟巖的組合圍巖穩(wěn)定控制的研究較為有限。高文藝等人[7]對深部復(fù)合地層進(jìn)行模擬，但缺少相關(guān)的工程實踐。

以淮南礦區(qū)某巷道為背景，對單一及復(fù)合巖體下TBM掘進(jìn)時的支護(hù)工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場監(jiān)測，模擬結(jié)果可為類似工程施工提供理論指導(dǎo)，具有重要的工程意義。

1工程地質(zhì)概況

淮南礦區(qū)某深部巖石巷道，設(shè)計總工程量2914m，主要用于礦井回風(fēng)，服務(wù)年限為30年。巷道斷面設(shè)計為圓形，直徑為5.5m，凈斷面23.75㎡，巷道方位0°。巷道掘進(jìn)地層主要以細(xì)砂巖和泥巖為主。巷道傾角∠1°～6°。瓦斯含量隨深度增加而增加，水文地質(zhì)條件簡單，無突水危險性。

2深部TBM掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1幾何模型

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，依據(jù)圣維南原理，模型的幾何尺寸取開挖半徑的5倍以上[8]。三維模型的尺寸為40m×48m×40m（X、Y、Z軸方向），模型的開挖半徑為2.75m。共計單元99840個，節(jié)點101969個。深部TBM掘進(jìn)巷道模型如圖1所示。

2.2模擬方法

重力加速度設(shè)置為10m/s2，清除模型節(jié)點的初始位移和速度，分為60段進(jìn)行開挖，每段長度為0.8m，運行null命令沿著y軸正方向依次開挖，并使用cable單元模擬錨桿及錨索進(jìn)行支護(hù)[9]。巖石破壞時的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型、破壞準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則。為使模擬結(jié)果更加精確，通過在巷道工作面測量地應(yīng)力的大小，得到該TBM掘進(jìn)巷道的地應(yīng)力參數(shù)如表1所示。

2.3支護(hù)工況及巖層參數(shù)

該TBM掘進(jìn)巷道圍巖主要為細(xì)砂巖和泥巖，巖石的基本參數(shù)如表2所示，錨索和錨桿的預(yù)緊力分別為180kN和30kN。工況一的巷道巖層為細(xì)砂巖，工況二的巷道巖層為泥巖，工況三的巷道巖層為復(fù)合巖層，上部2m為細(xì)砂巖，下部3.5m為泥巖。支護(hù)材料參數(shù)及支護(hù)工況詳情見表3所示。錨桿支護(hù)工況圖2所示。

2.4邊界條件

在進(jìn)行深部煤礦地層TBM掘進(jìn)巷道的數(shù)值分析計算時，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件需要考慮到巷道周圍的巖體在計算過程中不得移動。此外，在TBM掘進(jìn)巷道時，遠(yuǎn)離巷道的巖體所受的施工擾動較小，為了限制模型的位移和變形，通過設(shè)置固定邊界條件來保持模型的某些邊界面的位置、位移或應(yīng)力狀態(tài)不變。因此，為了反映實際施工情況，模型的下表面被設(shè)置為位移邊界條件，而模型的四周則被設(shè)置為應(yīng)力邊界條件。

3數(shù)值模擬結(jié)果

3.1巷道圍巖位移場分

開挖后的巷道圍巖位移場分布特征如圖3所示。工況一兩幫水平收斂量為4mm，頂板沉降變形量最大為1.8mm，底板隆起變形量為1.4mm，巷道頂板底板最大收斂量為3.2mm。工況二兩幫水平收斂量為24mm，頂板沉降變形量最大為11mm，底板隆起變形量為11mm，巷道頂板底板最大收斂量為22mm，工況三兩幫水平收斂量為12mm，底板隆起變形量為8.6mm，頂板沉降變形量最大為3.5mm，巷道頂板底板最大收斂量為12.1mm。工況一、工況三相較于工況二巷道頂板底板收斂分別減少85%、45%。工況三為復(fù)合地層，水平、豎向位移云圖呈現(xiàn)出不對稱性。由于工況二圍巖的自承能力較差，為軟弱巖層，因此水平、豎向最大位移均大于工況一，故當(dāng)巖層圍巖的自承能力較差或復(fù)合巖層頂板巖石力學(xué)參數(shù)優(yōu)于兩幫和底板時，應(yīng)當(dāng)加大對兩幫和底板的支護(hù)力度。

3.2巷道圍巖應(yīng)力場分析

開挖后的巷道圍巖應(yīng)力場分布特征如圖4所示。圍巖的水平應(yīng)力最大值集中在頂板和底板區(qū)域，最小值集中在兩幫區(qū)域，豎向應(yīng)力則相反。工況一的水平應(yīng)力區(qū)間為1.2～34MPa，豎向應(yīng)力區(qū)間為2～24MPa，工況二的水平應(yīng)力區(qū)間為2.5～36MPa，豎向應(yīng)力區(qū)間為2～26MPa，工況三的水平應(yīng)力區(qū)間為5～45MPa，豎向應(yīng)力區(qū)間為2～29MPa。由于工況一圍巖自承載能力優(yōu)于工況二和工況三，在支護(hù)基本相同條件下，工況一水平、豎向應(yīng)力最大值均小于工況二和工況三。

3.3圍巖塑性區(qū)分析

開挖后的巷道圍巖塑性區(qū)分布特征如圖5所示。以y=24m處的截面為例，在三種不同地層支護(hù)條件下，巷道周圍的塑性區(qū)面積大小不同，工況一由于巖層為細(xì)砂巖，巖石的強度大，塑性區(qū)的面積最小約為6.4m2，占截面面積的0.4%，其中工況二為軟弱巖層，塑性區(qū)的面積最大約307.2m2，占截面面積的19.2%，工況三為上硬下軟的復(fù)合地層，塑性區(qū)的面積約216m2，占截面面積的13.5%，工況一、工況三相較于工況二的塑性區(qū)面積分別減少了18.8%、5.7%。三種支護(hù)條件下巷道的頂板和底板圍巖均發(fā)生剪切塑性變形。其中工況三的巷道圍巖為復(fù)合巖層，上部區(qū)域為細(xì)砂巖，圍巖發(fā)生剪切塑性變形，下部區(qū)域圍巖為泥巖，圍巖受拉或受剪產(chǎn)生塑性變形。

4工程應(yīng)用

數(shù)值模擬中得到，掘進(jìn)巷道為細(xì)砂巖時，由于巖石具有較高的抗壓強度和抗剪強度，導(dǎo)致掘進(jìn)速度緩慢，刀盤需要承受更大的負(fù)荷，其磨損程度也會增加，當(dāng)掘進(jìn)巷道為泥巖時，巖石的強度小，在掘進(jìn)過程中會產(chǎn)生較多的塊體脫落，增加了支護(hù)的難度。為了能夠確保掘進(jìn)巷道施工的順利進(jìn)行，選擇掘進(jìn)巷道圍巖上部區(qū)域為細(xì)砂巖，下部區(qū)域為泥巖，能夠加快施工速度，提高施工效率，支護(hù)的難度也會降低。

4.1施工方案

巷道開挖采用EQC5530全斷面掘進(jìn)機，通過推進(jìn)油缸施加力量，利用刀盤與滾刀將石塊壓碎，再由刀盤上的鏟刀及刮板將石塊送至位于刀盤中央的排渣槽內(nèi)，由皮帶機將其運出。在巷道的開挖過程中，使用液壓錨桿鉆機或風(fēng)動錨桿鉆機進(jìn)行錨桿的鉆孔和錨索的支護(hù)。在盾構(gòu)機破巖掘進(jìn)過程中，每個循環(huán)的進(jìn)尺為1.6m。當(dāng)一個循環(huán)完成后，盾構(gòu)機將停止掘進(jìn)，根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)提供的主機位置參數(shù)進(jìn)行掘進(jìn)機調(diào)向，進(jìn)行下一個循環(huán)的掘進(jìn)作業(yè)。根據(jù)不同圍巖確定掘進(jìn)機相關(guān)參數(shù)。

4.2監(jiān)測方案

采用博世GLM500激光測距儀和JTM-V180型振弦式錨桿測力計分別開展周期為100天的圍巖收斂變形和錨桿受力監(jiān)測，在巷道左側(cè)布置一臺激光測距儀，用激光對著巷道頂部和右?guī)头瓷浒邪宓陌邪逯行?，進(jìn)行測距和傾斜度的測定，從而求出兩幫的收斂值及頂板沉降量。錨桿測力計安裝在錨桿尾部，測站布置圖如圖6所示。

4.3現(xiàn)場監(jiān)測

4.3.1巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

TBM開挖40天內(nèi)，復(fù)合地層圍巖的變形速率明顯加快，其后逐漸趨緩。在掘進(jìn)后的第60天左右，兩幫收斂和頂板下沉開始停止變形，在第70天變形停止，現(xiàn)場實測的巷道兩幫收斂為93.4mm，頂板變形為53.8mm。圍巖變化曲線如圖7所示。

4.3.2錨桿軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)。

因1號、2號、3號錨桿與5號、6號、7號錨桿對稱，軸力大致相同[10-11]，1號、2號、3號、4號錨桿的軸力監(jiān)測曲線如圖8所示。

由圖8可知：在巷道掘進(jìn)支護(hù)后的50天內(nèi)，錨桿軸力在預(yù)緊力為30kN的基礎(chǔ)上迅速增長，錨桿軸力在增長的過程中受到圍巖應(yīng)力重分布的影響下有小幅波動；在TBM掘進(jìn)后的第50天，錨桿軸力增長速率明顯減小，在第70天后錨桿軸力逐漸趨于穩(wěn)定。其中監(jiān)測斷面1、2、3、4號錨桿的最大軸力分別為119.25kN、126.5kN、123.8kN和135.6kN。巷道圍巖與錨桿軸力的變化趨勢一致，在巷道掘進(jìn)后的第70天之后，圍巖的變形和錨桿軸力不再變化，表明巷道圍巖已經(jīng)達(dá)到了基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

5結(jié)論

以淮南礦區(qū)某深部巖石巷道為背景，在同等支護(hù)條件下基于Flac3D數(shù)值模擬軟件對硬巖、軟弱巖層及復(fù)合巖層建立數(shù)值模型，通過分析位移云圖、應(yīng)力云圖及圍巖塑性區(qū)的分布演化規(guī)律，優(yōu)化TBM掘進(jìn)和支護(hù)方案。通過圍巖變形和錨桿軸力監(jiān)測，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)TBM在煤礦復(fù)合地層中掘進(jìn)時，圍巖的變形呈現(xiàn)出不對稱性，巷道下部軟巖區(qū)變形較大并有碎巖掉落。

（2）當(dāng)TBM在復(fù)合地層中掘進(jìn)時，應(yīng)盡量避免巷道頂部處于軟巖地層中，否則易出現(xiàn)巷道頂板下沉量過大或頂板碎巖掉落的情況。掘進(jìn)施工中可通過調(diào)整TBM掘進(jìn)姿態(tài)使巷道頂板為硬巖地層。

（3）TBM掘進(jìn)巷道圍巖強度過低會導(dǎo)致巷道大變形、支護(hù)工作量大。而圍巖強度過高則會加劇刀具磨損、降低掘進(jìn)效率。在煤礦復(fù)合地層中掘進(jìn)巷道，通過調(diào)整TBM掘進(jìn)層位，使巷道頂板位于硬巖地層中，可在保障巷道圍巖穩(wěn)定性的前提下，提高TBM掘進(jìn)效率，實現(xiàn)煤礦巖巷安全高效掘進(jìn)。

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