巷道群掘進順序對擾動效應影響模擬研究

王 濤

(山西西山煤電股份有限公司，山西 太原 030053)

長期以來，巷道間掘進擾動一直是煤礦開采中突出難題，隨著開采深度的增加，掘進擾動效應愈加強烈[1]. 在礦山建設中，不少硐室及巷道布置得較近，形成了較為密集的硐室群[2]. 深井巷道群掘進過程中，由于開挖順序的不同，每條巷道的開挖應力釋放都有變化，圍巖的應力狀態也會因此產生差異，巖體的破壞狀態也會不一樣[3].

本文以非對稱的“品”字形巷道群為研究對象，根據排列組合方法共設計了6種開挖方案進行對比計算，得出在既定的巷道空間相對位置條件下，不同的開挖順序對巷道群整體圍巖穩定性的擾動程度，以求得到最佳掘進順序。

1 模型的建立

本節數值分析以某礦-648 m 6煤底板專用回風巷、膠帶機上山、底板回風上山組成的巷道群為工程背景條件，巷道位置關系見圖1.模型尺寸為X100 m×Y10 m×Z60 m. 巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，巷道設計尺寸寬6 m×高5 m.數值分析模型圖見圖2.

圖1 巷道群平面圖

圖2 數值分析模型圖

模型采用摩爾-庫倫屈服準則，左右、前后及下邊界均設定為位移固定約束條件，上邊界為應力邊界，按上覆巖層厚度施加均布載荷。巖石相關力學參數參照表1選取。

2 模擬方案

結合所選巷道群相對位置分布非對稱的特點，根據排列組合共設計6種掘進方案，可分為3組：先中間后兩邊(方案1、2)，先兩邊后中間(方案3、4)，依次掘進(方案5、6)，掘進方案見表2.

表1 圍巖物理力學參數表

表2 3條巷道開挖順序表

3 模擬結果分析

1) 應力場分析。

a) 水平應力場。

巷道群掘進后，各種方案的水平應力等值線圖見圖3，圖4，圖5.

從圖3，4，5可以看出，總體分布特征無較大變化，整體形態基本相似。3條巷道在頂底板區域均形成了高值應力區，由于底板專用回風巷距離較遠，并未與另外兩條巷道應力集中區產生重疊，而膠帶機上山和回風上山由于距離較近，處于較高位置的膠帶機上山的底板應力集中區域與位于右側較低位置的回風上山頂板應力集中區發生重疊，各方案所形成的應力集中范圍、形狀、分布特征也基本相同。

圖3 第一組方案水平應力等值線圖

圖4 第二組方案水平應力等值線圖

圖5 第三組方案水平應力等值線圖

b) 垂直應力場

巷道群掘進后垂直應力等值線圖見圖6，圖7，圖8.

圖6 第一組方案垂直應力等值線圖

圖7 第二組方案垂直應力等值線圖

圖8 第三組方案垂直應力等值線圖

巷道群的開挖引起巷道兩幫產生垂直應力集中，近距離巷道群巖柱中應力集中區域的相互重疊，導致了相鄰巷道掘進相互擾動影響。對比圖6，7，8可知，各掘進方案下巷道群垂直應力分布規律整體較為相似，不同掘進順序下巷道兩幫應力集中峰值變化幅度不甚明顯。中間膠帶機上山兩幫垂直應力集中程度在第二組方案相比另外兩組略小，方案3、4中，膠帶機上山兩幫峰值應力為24.7 MPa，集中系數為1.41，而其他各方案中其值達到了25.1 MPa，應力集中系數達到了1.45左右。

2) 位移場分析。

巷道群掘進順序決定了各巷道遭受擾動的次數及擾動強度，不同的施工順序對巷道群的位移場有不同影響。各種方案的總位移等值線圖見圖9，10，11.

圖9 第一組方案總位移等值線圖

圖10 第二組方案總位移等值線圖

圖11 第三組方案總位移等值線圖

在不同掘進順序下，巷道群位移場總體特征大致相同。最大位移量出現在膠帶機上山(中間巷道)的拱頂及兩幫部位；兩側巷道變形特征相似，最大變形量均出現在巷道拱頂，右側巷道底鼓較左側巷道更為顯著。

根據模擬結果，分別從6種方案的監測結果中提取了巷道各工程部位位移量，見表3.

表3 不同掘進順序下巷道圍巖位移量表

分析表3數據可知：3條巷道中，就某條巷道而言，其變形量隨著掘進順序的提前，變形量呈增長趨勢。由表3可以看出，各方案都是對中間軌道巷的影響最大，對最后一條開挖的巷道影響最小。6種方案中，巷道群最大位移量主要表現在中間巷道，其中兩幫收斂及拱頂下沉最為嚴重，分別達到了310 mm、400 mm以上。底板專用回風巷各工程部位在不同掘進順序下變形量相差不大，差值均不超過15 mm，回風上山各工程部位在不同掘進順序下拱頂部位最大相差22.8 mm，左幫變形量最大相差24.7 mm，右幫及底板變形量差值均在20 mm左右。

圖12顯示了6種掘進順序下中間巷道膠帶機上山各工程部位變形量。綜合對比各組方案巷道位移量并結合圖12可以得出，先掘進兩側巷道后掘進中間巷道較其他順序更為合理，即方案3和方案4優于其他各方案。

為選出最佳掘進方案，將方案3及方案4單獨對比，進一步分析表3數據可知，3條巷道中，底板專用回風巷及膠帶機上山各部位位移量表現為方案4小于方案3，而回風上山各部位位移量表現為兩幫及底板方案4變形量要稍大于方案3，頂板位移量為方案4較小。綜合分析可知，方案4為最佳掘進順序。

圖12 6種方案下膠帶機上山巷道變形量對比圖

4 結 論

從巷道群掘進順序的角度出發，模擬分析了非對稱“品”字形巷道群在不同掘進順序下應力場及位移場的特點，模擬結果表明：不同的掘進順序雖然對最終位移場、應力場的形態分布影響較小，但各巷道受力特征及位移變化仍有規律,中間巷道受掘進擾動最為明顯。最優順序為首先掘進兩側巷道，后掘進中間巷道。中間巷道掘進順序的滯后有助于巷道群整體圍巖穩定性，此時中間巷道兩幫應力集中程度及圍巖位移量均小于其他掘進方案。