大跨度巷道不同開挖順序的數(shù)值模擬研究

曹 磊，呂洪旭，劉長武

（1.四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610044）

1 引言

在礦業(yè)工程中，隨著回采工作面設(shè)備的大型化以及開采強(qiáng)度和產(chǎn)量的大幅度提高，為保證礦井通風(fēng)、運(yùn)輸及大型設(shè)備的安裝等要求，巷道的跨度越來越大［1］，大跨度巷道的開挖與支護(hù)問題便成為現(xiàn)實(shí)要解決的問題。對(duì)大跨度巷道開挖與支護(hù)的研究表明，巷道開挖后由于垂直應(yīng)力的作用，導(dǎo)致兩幫應(yīng)力集中，水平應(yīng)力重分布后成為頂板巖層的荷載［2-3］。矩形巷道由于巷道開挖后應(yīng)力轉(zhuǎn)移和破壞導(dǎo)致頂板產(chǎn)生卸壓區(qū)，故大跨度巷道的開挖采用一次全斷面施工時(shí)，可能導(dǎo)致頂板巖層大面積跨落，同時(shí)巷道兩幫及肩角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象［4-5］也會(huì)給支護(hù)帶來困難。因此，本文針對(duì)大跨度巷道不同開挖順序的情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以探求大跨度巷道合理的施工方法，為支護(hù)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本文以冀中能源集團(tuán)葛泉礦東井11912工作面為背景，采用以有限差分法為基礎(chǔ)的FLCD3D軟件模擬11912工作面切眼開挖的過程，以期對(duì)類似大跨度巷道的施工及支護(hù)提供理論依據(jù)。

2 模型概況與相關(guān)參數(shù)取值

理論分析與實(shí)踐證明，巷道的開挖僅對(duì)巷道周邊一定的范圍有明顯影響，當(dāng)模型邊界到巷道周邊的距離為巷道尺寸的3～5倍時(shí)［6］，由計(jì)算區(qū)域的大小而引起的計(jì)算誤差便可以控制在工程允許的范圍之內(nèi)。因此，根據(jù)葛泉礦11912工作面實(shí)際地質(zhì)情況，切眼模擬埋深190m，采用摩爾-庫倫模型，模擬范圍定為長×寬×高=60m×10m×27m。整個(gè)模型共生成42000個(gè)網(wǎng)格區(qū)域和47916個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型頂部為自由邊界，上部巖層平均容重取2.4t/m3，荷載大小由上覆巖層的重量確定。左右邊界施加固定水平位移的約束，巷道底部施加固定垂直位移的約束。力學(xué)模型如圖1所示，物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)特征

巷道跨度6.3m，計(jì)算模型共取2個(gè)，一是首次開挖斷面2.3m，后擴(kuò)挖斷面4.0m；二是首次開挖斷面4.0m，后擴(kuò)挖斷面2.3m。

圖1 數(shù)值分析力學(xué)模型

3 數(shù)值模擬研究結(jié)果與分析

3.1 不同開挖順序時(shí)的圍巖破壞規(guī)律

圖2、圖3、圖4、圖5分別為不同開挖順序下的巷道圍巖塑性區(qū)分布圖。

圖2 先開挖2.3m塑性區(qū)分布圖

圖3 先開挖4.0m塑性區(qū)分布圖

圖4 擴(kuò)幫4.0m后塑性區(qū)分布圖

圖5 擴(kuò)幫2.3m后塑性區(qū)分布圖

圖2和圖3比較可見，第一次開挖大斷面比第一次開挖小斷面時(shí)的塑性區(qū)范圍要大，這是正常的，符合巷道跨度的理論分析，即巷道跨度越大，圍巖破壞區(qū)越大［7］。當(dāng)?shù)诙伍_挖完成后，兩種開挖方法塑性區(qū)范圍差別不大，兩種開挖順序巷道直接頂均發(fā)生了破壞，破壞類型表現(xiàn)為剪切破壞和拉伸破壞，先開挖大斷面比先開挖小斷面時(shí)頂板破壞范圍較大，兩種開挖方法擴(kuò)幫部分頂板、幫部、底板破壞范圍均比先開挖部分要大，兩幫煤體破壞均為剪切破壞，塑性區(qū)范圍相差不大。先開挖大斷面時(shí)巷道底板塑性破壞區(qū)范圍略大于先開挖小斷面時(shí)塑性區(qū)破壞范圍，巷道直接頂均表現(xiàn)為拉破壞和剪破壞，直接頂以下主要表現(xiàn)為剪破壞。由圖4和圖5可以看出，上述兩種開挖方式，巷道兩肩角部位均出現(xiàn)較大范圍的圍巖破壞區(qū)，因此巷道肩角部位應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)。

3.2 不同開挖順序時(shí)的位移分布規(guī)律

圖6、圖7、圖8、圖9為不同開挖順序時(shí)的位移分布云圖。

圖6和圖7可以看出，先開挖小斷面時(shí)左右兩幫最大6水平位移大致相同，均在20～25.0mm之間，先開挖大斷面時(shí)，巷道左幫水平位移略大于巷道右?guī)停聪乳_挖部分巷道左幫最大位移量（24.5mm）大于后開挖部分巷道右?guī)妥畲笪灰屏浚?3.1mm）。先開挖小斷面時(shí)最大水平位移發(fā)生在巷道右?guī)停乳_挖大斷面時(shí)最大水平位移發(fā)生在巷道左幫。由圖8和圖9可以看出，兩種開挖方法垂直位移主要發(fā)生在頂板，表現(xiàn)為頂板下沉。第一種開挖順序頂板最大下沉位移量（35.0～39.2mm）小于第二種開挖順序時(shí)的頂板最大下沉位移量（40.0～40.1mm），但相差不大。

圖6 先開挖小斷面時(shí)水平位移云圖

圖7 先開挖大斷面時(shí)水平位移云圖

圖8 先開挖小斷面時(shí)垂直位移云圖

圖9 先開挖大斷面時(shí)垂直位移云圖

圖10為兩種開挖順序頂板中部下沉位移分布，由圖可見，先開挖小斷面時(shí)巷道頂部表面位移量比先開挖大斷面時(shí)小約7.0%（約3.0mm），向頂板深部發(fā)展兩種開挖方法引起的位移量逐漸趨于一致，由此可知，兩種開挖方法引起的位移差別主要集中在巷道頂部附近。在頂板深部4m處煤與上部巖層交界面，兩種開挖順序引起的頂板位移量曲線斜率均發(fā)生明顯變化，位移增加率開始變小，表明煤與直接頂在此處發(fā)生離層，因此頂板支護(hù)應(yīng)該以頂部煤層為重點(diǎn)。

圖10 頂板跨中不同深度位移量對(duì)比圖

圖11 巷道左幫不同深處位移量對(duì)比圖

圖11為兩種開挖順序巷道左幫（先開挖的永久幫）的位移分布，由圖中可看出先開挖大斷面比先開挖小斷面時(shí)位移小5%左右（約1.5mm），曲線在2.0m處位移接近于0mm，因此兩種開挖順序巷幫圍巖內(nèi)部位移主要集中在2m范圍內(nèi)。

3.3 不同開挖順序時(shí)的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

圖12、圖13、圖14、圖15為不同開挖順序時(shí)的應(yīng)力分布云圖。從中可以看出，兩種開挖方法最大應(yīng)力值基本相同，巷道頂板和底板均出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，巷道兩幫均出現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)。無論是水平應(yīng)力還是垂直應(yīng)力，在巷道頂板和底板區(qū)域均表現(xiàn)出應(yīng)力降低區(qū)。先開挖大斷面時(shí)最大壓應(yīng)力區(qū)域比先開挖小斷面時(shí)大，先開挖大斷面時(shí)壓應(yīng)力區(qū)主要在底板左側(cè)部分，而先開挖小斷面時(shí)壓應(yīng)力區(qū)主要在底板中部，說明兩種開挖順序的第二步開挖對(duì)底板壓應(yīng)力的分布有影響。

圖12 先開挖小斷面時(shí)水平應(yīng)力云圖

圖13 先開挖大斷面時(shí)水平應(yīng)力云圖

圖14 先開挖小斷面時(shí)垂直應(yīng)力云圖

圖15 先開挖大斷面時(shí)垂直應(yīng)力云圖

4 葛泉礦11912工作面大跨度切眼施工

4.1 支護(hù)參數(shù)

葛泉礦東井11912工作面切眼埋深190m，巷道跨度大、煤層強(qiáng)度低、圍巖破碎、裂隙發(fā)育，根據(jù)葛泉礦實(shí)際條件，采用鉆爆法施工。依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)論，結(jié)合11912工作面地質(zhì)情況，選擇先開挖大斷面后開挖小斷面的施工方法，即先掘進(jìn)跨度3.8m的巷道，然后再擴(kuò)幫2.5m至設(shè)計(jì)斷面?？紤]到開切眼的實(shí)際地質(zhì)情況，以考慮多種影響因素的極限平衡區(qū)深入巖體深度作為大跨度破碎圍巖巷道圍巖分類指標(biāo)［8］，初始支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)頂板采用“錨帶網(wǎng)，錨索聯(lián)合支護(hù)”方式，巷道兩幫采用“錨網(wǎng)支護(hù)”方式。擴(kuò)切眼前，距切眼中心線1.25m處，垂直補(bǔ)打一排單體配鉸接頂梁，擴(kuò)切眼后，垂直補(bǔ)打一排單體配 型鋼，隨擴(kuò)隨打。

圖16 開切眼初始支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4.2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

為反饋支護(hù)效果，對(duì)巷道周邊位移進(jìn)行觀測(cè)并加以探討，巷道表面變形觀測(cè)采用十字布置法。通過對(duì)切眼的頂板、底板和兩幫的表面位移量進(jìn)行觀測(cè)，可以較準(zhǔn)確地掌握11912綜放工作面巷道的支護(hù)形式對(duì)圍巖變形的控制效果，以判斷開挖順序及支護(hù)參數(shù)的合理性。工作面切眼巷道表面位移監(jiān)測(cè)歷時(shí)20天。

圖17 開切眼位移量曲線圖

最終監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖17所示。可以看出，切眼左幫總位移約62mm，位移速率隨著切眼擴(kuò)幫的進(jìn)行逐漸減?。磺醒塾?guī)驮跀U(kuò)幫前位移量為零，隨著擴(kuò)幫的進(jìn)行，位移量逐漸增大，總位移量約54mm，低于左幫位移量；切眼頂板總位移量約14mm，總位移量較小；切眼底板最終底鼓量約14mm。由以上數(shù)據(jù)可以看出，切眼左幫、右?guī)?、頂板、底板變形量均較小，在允許的范圍之內(nèi)，且在整個(gè)工作面推進(jìn)期間，均沒有發(fā)生明顯的破壞，支護(hù)效果良好。

5 結(jié)論

（1）大跨度巷道不同的開挖順序?qū)ο锏绹鷰r破壞區(qū)域、應(yīng)力分布和位移量均有明顯的影響，先開挖小斷面有利于巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定，而先開挖大斷面有利于巷道兩幫的穩(wěn)定。

（2）兩種開挖順序均導(dǎo)致巷道上部兩肩角處出現(xiàn)較大范圍的破壞區(qū)，因此在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

（3）兩種開挖順序均導(dǎo)致巷道頂板和兩幫出現(xiàn)較大位移，因此，巷道頂板和兩幫中部是巷道維護(hù)的重點(diǎn)。

（4）對(duì)于大跨度巷道開挖順序的選擇要根據(jù)實(shí)際情況而定，當(dāng)埋深較淺且圍巖性質(zhì)較好時(shí)應(yīng)采用先開挖小斷面后開挖大斷面的施工順序，以利于頂板穩(wěn)定，而對(duì)于埋深較大且圍巖性質(zhì)較差的情況應(yīng)選擇先開挖大斷面后開挖小斷面的施工順序，以利于兩幫穩(wěn)定。