尖林山采區(qū)臨近巷道開挖對既有巷道錨桿支護的影響

陳 虎 葉義成，2 王其虎 劉 冉

（1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢430081;2.湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430081）

針對臨近巷道開挖對既有巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的情況，前期的研究多側(cè)重于圍巖強度較弱的窄間距巷道。毛光輝［1］研究了王家?guī)X煤礦18101工作面及其相鄰巷道的相互作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)未做補強支護的工作面在臨近巷道開挖過程中會受到滯后壓力的影響，頂板沉降量會增大。劉泉聲［2］通過對淮南朱集礦軌道巷進行兩幫收斂、拱頂沉降、底鼓和錨索拉力的現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)軌道巷圍巖受兩側(cè)回風巷和膠帶巷開挖擾動。在圍巖強度較好的金屬非金屬礦山，尤其是采用無底柱分段崩落法的礦山，由于進路巷道的間距較小，也存在一定程度的相互擾動［3-6］。無底柱分段崩落法［7］巷道進路間距一般都在20 m以內(nèi)，如程潮鐵礦進路間距最初為10 m，后來改為14 m；金山店鐵礦最初為10 m，改擴建工程中改為16 m；馬蘭莊鐵礦地下開采設(shè)計進路間距采用20 m［8］。由于無底柱分段崩落法回采巷道進路間距較?。?］，因此既有巷道受臨近巷道開挖影響較大，容易產(chǎn)生頂板冒落和局部塌陷。

當既有巷道穿過礦體和圍巖形成的接觸帶時，臨近巷道開挖產(chǎn)生的影響會更加復雜，巷道的支護難度也會增加。接觸帶巷道的變形規(guī)律和破壞機理的研究已經(jīng)較為成熟。A Yassaghia等［10］對安山玄武巖和凝灰?guī)r接觸帶巖體進行壓縮實驗和分析，發(fā)現(xiàn)接觸帶巷道收斂量較單一巖體巷道收斂量大3%；R Q Huang［11］通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)接觸帶兩側(cè)巖石力學強度較弱的一側(cè)塑性區(qū)范圍明顯大于另一側(cè)；王其虎［12］通過數(shù)值模擬和相似實驗，得到了復合巖體參數(shù)差異導致的次生剪應力集中是接觸帶巷道非協(xié)調(diào)變形的主要原因；劉曉云［13］通過單軸壓縮和聲發(fā)射實驗對2種不同參數(shù)的復合巖體進行研究，得到了不同強度比和體積比對復合巖體變形破壞產(chǎn)生的影響。在巷道支護上，晏勤等［14］在圓形隧道復合巖體中的研究論證了錨桿在復合巖體圍巖變形上擁有較好的控制作用。以上研究表明，穿過接觸帶的既有巷道在巷道變形和穩(wěn)定性上都不同于穿過單一巖體的巷道，變形的規(guī)律更為復雜，支護的難度相對較高。同時，與其他支護形式相比，錨桿支護在復合巖體巷道穩(wěn)定性的控制上具有更好的優(yōu)勢。因此，為保證既有巷道的安全穩(wěn)定，對接觸帶條件下臨近巷道開挖對既有巷道錨桿支護的影響展開研究。

大冶鐵礦尖林山采區(qū)-90 m的2#水平進路接觸帶巷道是典型的穿過接觸帶的窄間距巷道，在實際工程中存在冒頂片幫的現(xiàn)象，支護難度較大。因此，以該礦巷道工程為背景，對臨近巷道開挖情況下既有巷道錨桿支護的可靠性展開研究。通過臨近巷道開挖后既有巷道頂板2次沉降規(guī)律和既有巷道自身開挖頂板一次沉降規(guī)律進行比較，分析臨近巷道開挖后既有巷道頂板沉降規(guī)律。同時，設(shè)計多組既有巷道錨桿支護參數(shù)方案，對不同錨桿支護方案下既有巷道頂板2次沉降的變化進行分析，得到不同支護參數(shù)對于控制既有巷道頂板穩(wěn)定性的成效，從而達到提高既有巷道錨桿支護可靠性的目的。

1 臨近巷道開挖對既有巷道頂板沉降的影響

1.1 模型的建立與計算

研究對象是大冶鐵礦尖林山采區(qū)-90 m的2#水平進路既有巷道及其左側(cè)臨近開挖巷道。數(shù)值模擬軟件選用FLAC3D。為消除邊界效應，模型的尺寸依據(jù)彈性力學圣維南原理，設(shè)置為36 m×36 m×36 m，同水平相鄰2個巷道斷面形式采用三心拱，巷道尺寸為3.6 m×3.2 m，巷道間距為14 m，埋深420 m。假定既有巷道和臨近開挖巷道均與接觸面正交垂直。巖石力學參數(shù)如表1所示。

根據(jù)設(shè)定的尺寸和力學參數(shù)建立FLAC3D數(shù)值模擬的模型，如圖1所示。模擬開挖采用的是一次性開挖，對既有巷道和臨近巷道依次開挖后圍巖自穩(wěn)狀態(tài)下既有巷道頂板沉降變形規(guī)律展開研究。具體模擬步驟如下。

（1）初始地應力平衡。采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，對模型賦予相應的巖石力學參數(shù)，四周邊界施加水平約束，模型底部施加垂直約束，由于覆巖層多為大理巖和閃長巖，因此在上部邊界施加相當于覆巖自重載荷11.34 MPa。經(jīng)數(shù)值模擬計算達到未開挖前的初始地應力平衡狀態(tài)。

（2）既有巷道開挖，圍巖應力重新分布，監(jiān)測既有巷道在圍巖自穩(wěn)過程中的頂板沉降變形。為便于顯現(xiàn)巷道變形規(guī)律，在既有巷道拱頂處以接觸帶為中心等距設(shè)置5個監(jiān)測點，用于顯現(xiàn)既有巷道開挖后沿巷道走向方向的頂板沉降變化規(guī)律，如圖2所示。

（3）鄰近巷道開挖，既有巷道圍巖應力重新分布，監(jiān)測既有巷道頂板2次沉降變形。臨近巷道開挖打破了既有巷道圍巖應力平衡狀態(tài)，既有巷道再次進入了變形階段。監(jiān)測既有巷道在圍巖應力重新分布過程中的頂板2次沉降變形規(guī)律，分析臨近巷道的開挖對既有巷道頂板沉降的影響。

1.2 結(jié)果分析

（1）根據(jù)對5個監(jiān)測點（1#～5#）沉降量隨模擬時間的分析，既有巷道開挖5個監(jiān)測點變形速率和變形位移均有差異，呈現(xiàn)從鐵礦一側(cè)到大理巖一側(cè)頂板沉降量逐級遞增的趨勢。在監(jiān)測點的變形達到穩(wěn)定后，臨近巷道的開挖使已經(jīng)穩(wěn)定的監(jiān)測點再次產(chǎn)生變形，并且變形的規(guī)律與初次變形基本一致，服從從鐵礦一側(cè)到大理巖一側(cè)頂板沉降量逐級遞增的不協(xié)調(diào)變形規(guī)律。說明在臨近巷道開挖后既有巷道會再次進入自穩(wěn)變形狀態(tài)，它的變形規(guī)律服從非協(xié)調(diào)變形，如圖3所示。

（2）將鄰近巷道開挖前后既有巷道頂板拱頂處沉降數(shù)據(jù)導入到excel中進行分析，如圖4所示。圖4證明臨近巷道開挖對既有巷道的頂板最終沉降量有影響。既有巷道自身開挖初期，頂板產(chǎn)生不協(xié)調(diào)沉降。以接觸帶為中心，圍巖為大理巖的巷道頂板沉降位移整體大于圍巖為鐵礦的巷道頂板沉降位移。既有巷道頂板在遠離接觸帶處的大理巖側(cè)達到最大沉降位移2.53 cm，在鐵礦側(cè)達到最小沉降位移0.87 cm。鄰近巷道開挖后既有巷道從平衡狀態(tài)再次進入不協(xié)調(diào)變形狀態(tài)，變形規(guī)律與第一次變形基本一致，在遠離接觸帶處的大理巖側(cè)達到最大沉降位移為3.23 cm，鐵礦側(cè)達到最小沉降位移為0.96 cm，產(chǎn)生的變形量為第一次變形量的10%～28%。

（3）由兩側(cè)不同巖體巷道垂直應力分布可以看出，鄰近巷道開挖前既有巷道在接觸帶兩邊的鐵礦側(cè)和大理巖側(cè)豎直方向最大壓應力分別為19.87 MPa和19.84 MPa，最大拉應力為1.22 MPa，拉應力集中在既有巷道的頂板位置。鄰近巷道開挖后，既有巷道在鐵礦側(cè)和大理巖側(cè)的垂直方向最大壓應力變?yōu)?1.25 MPa和23.75 MPa，頂板的最大拉應力變?yōu)?.88 MPa。表明臨近巷道的開挖造成既有巷道圍巖應力的重分布，主要表現(xiàn)是最大壓應力和頂板最大拉應力升高，可能會造成頂板的冒落和局部破壞。同時，既有巷道走向上巖體應力變化程度存在差異，證明鄰近巷道開挖對既有巷道接觸帶兩側(cè)造成的擾動程度不同，可能導致既有巷道不協(xié)調(diào)變形程度的增加，支護難度加大，如圖5所示。

（4）將既有巷道2次開挖的頂板沉降變形量相減，得到既有巷道頂板2次沉降差的曲線，如圖6所示。由圖6可知，頂板沉降差在巷道走向上呈現(xiàn)從大理巖一側(cè)到鐵礦一側(cè)逐級遞減的趨勢，在遠離接觸帶處的大理巖一側(cè)盡頭達到2次沉降的最大沉降差值為0.70 cm，在鐵礦一側(cè)盡頭達到最小沉降差值為0.09 cm。

定義頂板沉降位移差曲線最大斜率為頂板沉降差增量梯度G，用以表征既有巷道在受到臨近巷道開挖前后頂板沉降的突變增加程度。G小于0，則既有巷道頂板沉降差變化趨勢和一次沉降變化趨勢一致，說明二次沉降不協(xié)調(diào)變形程度增加；G大于0，則既有巷道頂板沉降差變化趨勢和頂板一次沉降變化趨勢相反，說明二次沉降不協(xié)調(diào)變形程度減少；G等于0，則說明頂板二次沉降不協(xié)調(diào)變形程度和一次沉降不協(xié)調(diào)變形程度一致。計算結(jié)果為G=-4.0×10-4，表明鄰近巷道開挖后既有巷道變形的突變程度增大。

2 既有巷道頂板沉降控制

2.1 頂板沉降控制方法

巷道一般要經(jīng)歷開挖前穩(wěn)定、開挖擾動、支護穩(wěn)定或再破壞的演化過程，巷道頂板沉降水平受原巖應力場—開挖擾動應力場—支護應力場相互作用的影響［15］，因此頂板控制最有效的手段就是巷道支護。有研究［16-17］表明在錨桿自身完整的情況下，調(diào)整錨桿支護間排距和預應力對于頂板沉降控制效果顯著，因此在不同間排距和錨桿預應力下開展既有巷道在臨近巷道開挖擾動下的頂板控制能力的研究。通過研究臨近巷道開挖情況下錨桿支護的頂板控制能力，對錨桿的參數(shù)進行調(diào)整，避免鄰近巷道開挖造成的頂板沉降量過大、巖體破壞等［18］。為定量化頂板控制能力水平，根據(jù)臨近巷道開挖前后既有巷道頂板最大沉降量2.53 cm和3.23 cm，通過支護參數(shù)調(diào)整將其控制在頂板沉降最大限值（根據(jù)文獻【1】的研究，設(shè)為2.5 cm）內(nèi)的合格率。

2.2 錨桿支護間排距

2.2.1 最優(yōu)間排距

在支護參數(shù)中錨桿間排距的選取對頂板的穩(wěn)定性有非常重要的影響，過大的錨桿間排距達不到預期的支護效果，間排距過密會造成支護成本的增加和資源的浪費，并影響支護的進度［19］。為找到適應于尖林山采區(qū)既有巷道的最優(yōu)錨桿間排距，采用數(shù)值模擬的方法對多組間排距同時進行試驗，選取頂板沉降量最小，頂板穩(wěn)定性最好的間排距參數(shù)。

為確定最優(yōu)錨桿間排距，以工程上常用的等間排距布置原則布置600 mm×600 mm、700 mm×700 mm、800 mm×800 mm、900 mm×900 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 100 mm×1 100 mm、1 200 mm×1 200 mm共7組不同間排距下的錨桿支護。其它參數(shù)如表2所示。

由于巷道沿走向方向頂板沉降規(guī)律大致相同，因此記錄既有巷道頂板最大沉降量隨錨桿間排距的變化，如圖7所示。圖7表明間排距在900～1 200 mm時，隨著間排距的減小，既有巷道頂板沉降量逐漸減小，說明頂板沉降控制能力逐步提高。當間排距小于900 mm時，頂板沉降量減少速率放緩，證明在間排距小于900 mm后，頂板控制能力對錨桿間排距的敏感程度降低，進一步縮小間排距對減少頂板沉降量的意義減少，反而增加支護成本，因此選擇最優(yōu)間排距為900 mm×900 mm。

2.2.2 臨近巷道開挖對間排距的影響

在臨近巷道開挖對既有巷道造成擾動的情況下，為探究未考慮臨近開挖巷道因素影響確定的最優(yōu)間排距是否依然保持最優(yōu)，頂板控制能力是否依然可以滿足要求，在錨桿間排距為900 mm×900 mm時開挖臨近巷道并監(jiān)測既有巷道頂板最大沉降量，發(fā)現(xiàn)頂板最大沉降量為2.7 cm，大于設(shè)定的2.5 cm的頂板沉降限值。因此對錨桿間排距參數(shù)進行調(diào)整，取錨桿間排距為600 mm×600 mm、700 mm×700 mm、800 mm×800 mm、900 mm×900 mm，繪制頂板最大沉降量隨錨桿間排距的變化曲線，如圖8所示。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著錨桿間排距的減少，頂板最大沉降量隨之減少，但是頂板沉降量減小速率緩慢，當錨桿間排距等于600 mm×600 mm時，頂板最大沉降量為2.66 cm，依然大于限值，進一步縮小間排距在支護成本上損失較大，支護效率也大大降低。因此考慮對錨桿施加預應力來提升頂板控制能力。

另一方面，當錨桿間排距為900 mm×900 mm時，頂板沉降差增量梯度為G=-3.3×10-4，說明在鄰近巷道開挖擾動條件下，加密錨桿間排距不僅有利于控制頂板沉降量，還可以減少既有巷道沿走向方向的不協(xié)調(diào)變形程度。隨著錨桿間排距加密，頂板沉降差增量梯度逐漸減小，既有巷道的二次沉降不協(xié)調(diào)變形突變程度降低，如圖9所示。

2.3 施加預應力

為使頂板沉降控制在限值以內(nèi)，對既有巷道錨桿施加預應力。預應力設(shè)置為30、40、50、60 MPa，間排距選擇2.2.2節(jié)得到的最優(yōu)間排距900 mm×900 mm，其他參數(shù)不變，記錄既有巷道頂板最大沉降量的變化曲線。

為便于分析，以頂板沉降量合乎限值的點數(shù)（n）占巷道總測點（N）的比例作為巷道頂板沉降控制合格率（ρ）。即

臨近巷道開挖擾動造成的頂板二次沉降，無預應力頂板沉降控制合格率為78%，預應力為30、40、50 MPa頂板沉降控制合格率分別為89%、95%和100%，說明預應力對于提高頂板沉降控制能力和減少臨近巷道開挖擾動的影響最有重要意義。頂板控制合格率為95%時符合《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086—2015）規(guī)定，因此錨桿支護預應力最優(yōu)值為40 MPa。

在預應力錨桿支護條件下，作出不同錨桿預應力條件下既有巷道頂板沉降差增量梯度的曲線，如圖10所示，錨桿預應力在30、40、50、60、70、80 MPa頂板沉降差增量梯度持平，G值基本不變，證明在均布預應力條件下既有巷道頂板二次沉降不協(xié)調(diào)突變程度未得到減緩，如圖11所示。

3 結(jié)論

（1）大冶鐵礦尖林山采區(qū)-90 m的2#水平進路既有巷道，臨近巷道開挖對既有巷道頂板沉降存在較大影響。既有巷道在開挖達到自穩(wěn)平衡后會因為臨近巷道開挖的影響再次進入非協(xié)調(diào)變形狀態(tài)，頂板二次沉降量占一次沉降位移的10%～28%。另一方面，臨近巷道開挖會加大既有巷道非協(xié)調(diào)變形的程度，造成支護難度的增加。

（2）在臨近巷道開挖擾動的情況下，單純依靠加密錨桿間排距提升頂板控制效果的能力有限，需要對錨桿施加預應力。模擬結(jié)果表明：間排距900 mm×900 mm，預應力為40 MPa時為大冶鐵礦尖林山采區(qū)-90 m的2#水平進路既有巷道最優(yōu)錨桿支護參數(shù)。

（3）錨桿支護的間排距和預應力對既有巷道在臨近巷道開挖情況下，頂板沉降變形的控制具有不同的效果。當錨桿間排距在一定范圍內(nèi)時，加密間排距可以減少既有巷道頂板沉降變形位移，同時可以減緩既有巷道不協(xié)調(diào)變形程度的增加。同時，增加錨桿預應力，可以有效地減少既有巷道在臨近巷道開挖情況下頂板沉降變形，但是對既有巷道不協(xié)調(diào)變形程度的改善較小。因此，在調(diào)整既有巷道錨桿支護參數(shù)的情況下，應當優(yōu)先調(diào)整錨桿間排距，保證錨桿間排距最優(yōu)的情況下，增加錨桿預應力可以最大程度地控制既有巷道頂板沉降變形。