深井軟巖巷道多重擾動影響下合理布置位置和支護方案優化

吳陶立，苗生棟，姚直書，劉小虎，李擋

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.淮南礦業集團 丁集煤礦，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著淺部煤炭資源的漸趨枯竭，礦井開采水平越來越深，工程地質條件也變得復雜，開采速度的提升使得巷道掘進工作量也隨之增加。部分巷道掘進位于煤層開采后造成的應力集中區，且巷道圍巖為軟弱巖層，圍巖變形量大，巷道極易失穩[1-2]。淮南丁集煤礦計劃掘進西三采區集中軌道大巷、集中皮帶機大巷和集中回風大巷，該巷道所處原生巖體受到上覆1272(3)工作面和下伏1412(1)工作面的多次采動影響，圍巖完整性差、圍巖應力多次擾動。此外三條巷道掘進時相互擾動效應，使得巷道掘進施工巷道圍巖破碎，巷道支護困難[3]。為經濟合理地支護此類軟巖巷道，應開展相應的技術研究，保證礦井的正常生產運輸，降低安全生產隱患。

關于軟巖巷道的施工擾動效應分析和支護技術研究方面，國內外已進行過相關的研究工作。陸士良等研究了上部煤層采動對不同垂直距離的下部巷道擾動效應[4-5]，給出了上部煤層采動對下部不同垂直距離巷道的影響關系和控制方法；文獻[6]采用正交試驗方法，研究了動態擾動下巷道圍巖穩定性；冀貞文等[7]通過對新汶礦區深井巷道礦壓監測研究，提出了該礦區巷道圍巖控制優化方案。日本的Yamaguch等研究發現[8]，當巷道之間布置距離較近時，后掘巷道會引起先掘巷道圍巖應力重新分布，易導致先掘巷道圍巖失穩。闞甲廣等[9]運用數值模擬方法，研究了埋深較大巷道之間的影響，發現巷道之間水平距離與垂直距離相比，水平距離對巷道圍巖的擾動效應更加顯著。余偉健等研究了高地應力條件下巷道掘進的擾動影響[10]，并根據擾動效應把影響區域分為破壞區、較大區和較小區。程志超[11]通過對顧北煤礦深井巷道群之間的擾動效應進行研究，指出當巷道群之間間距越大，其擾動效應越小。Bai M[12]等國外學者通過對上覆巖層受下部煤層采動影響研究，提出將上覆巖層分為三個采動影響帶。朱威[13]通過相似模型試驗研究采空區頂板垂直應力和位移發現，距離采空區越近的巖層破壞越嚴重、位移量也越大，離頂板越遠變形量越小。朱術云[14]等通過實測分析發現，底板受采動效應影響垂直應力的傳遞比水平應力更快。

本文以淮南丁集煤礦西三采區巷道為研究背景，首先測試該采區地層巖性和地應力，然后采用Flac3D數值模擬軟件建立模型，研究合理巷道掘進層位和巷道間距，并對巷道進行支護優化設計，通過現場實測反饋巷道支護效果。以期為類似巷道施工提供參考。

1 工程地質條件

1.1 工程概況

丁集煤礦西三采區構造復雜，上覆新生界松散層厚度為516～544.65 m，開采煤層13-1和11-2煤，屬于二疊系上統上石盒子組，其中13-1煤為穩定煤層，平均厚度為4.0 m；11-2煤為較穩定煤層，平均厚度為3.2 m，上距13-1煤層平均厚度為78.0 m。

1.2 地層巖性

西三采區集中軌道大巷位于垂深835.8～849.1 m，施工長度2999 m，穿過巖層主要為泥巖、砂質泥巖、砂泥巖互層和中細砂巖。為了給理論分析和數值計算提供基本參數，進行了巖石的物理力學性能試驗。通過井下鉆取芯樣，在實驗室內進行試件加工制作，然后進行分組試驗，巖石試樣單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗如圖1、圖2所示，試驗結果如表1所示。

圖1 單軸壓縮試驗

圖2 巴西劈裂試驗

表1 巖石物理力學參數

由表1可見，西三采區巖石抗壓強度分別為33.26 MPa、42.35 MPa、36.20 MPa 和 52.25 MPa，強度整體較低，說明西三采區三條大巷位于深部軟巖地層，巷道支護技術成為一大難題。

1.3 地應力測試

為了給采區巷道布置和支護參數設計提供依據，又進行了西三采區集中大巷地應力實測工作。本次測量采用KX-81型空心包體法，如圖3、圖4所示。

圖3 地應力測試系統組件圖

圖4 KX‐81空心包體應力計

根據井下現場實際情況，相距停采線300 m以外，相距30 m布置了2個測站，測試結果如表2所示。

由表2可見，兩測點最大主應力分別為27.2和28.7 MPa，屬高應力水平，最大水平主應力方位角分別為177.54°和210.64°，側壓系數分別為1.10和1.21，應力場以水平應力為主，表明構造應力是影響西三采區地應力場及巷道圍巖穩定性的主要因素。

表2 實測地應力大小及方向

2 深埋巷道多重擾動效應數值模擬分析

2.1 計算模型

以丁集煤礦西三采區為工程背景，采用FLAC3D軟件對巷道的合理空間位置、巷道之間合理間距和支護方案進行模擬分析。模型尺寸取為180 m×240 m×400 m，巷道斷面為直墻半圓拱形，巷道寬度和高度分別為5.6 m×4.4 m，采用Mohr-Coulomb模型作為圍巖本構關系。

三維模型邊界條件設置為：側面四周采用約束水平位移邊界，底部采用固定約束位移邊界，頂部為自由邊界，施加豎向地應力。模型中13-1煤上部巖層厚為度80.2 m，其與11-2煤層相距78 m，11-2煤下部巖層厚度為14.6 m。13-1煤和11-2煤層厚度分別為4.0 m和3.2 m，工作面回采寬度為120 m，計算模型如圖5所示。根據表1的巖石力學測試結果給模型中各巖層附值，并依據地應力測試結果對模型施加應力邊界條件。

根據工程實際情況，為減小上、下采空區及巷道間掘進對圍巖穩定性影響，首先模擬研究巷道穿上、下采空區的合理層位，其次在合理層位中研究巷道間合理間距，最后通過模擬優化支護方案，選取合理支護參數。

圖5 數值計算模型

2.2 巷道合理位置數值模擬

2.2.1 上下采空區之間不同空間位置模擬

依據西三采區工程地質條件，掘進巷道穿過兩層煤及其采空區之間，模擬計算分別取巷道位于13-1煤下9 m、15 m、25 m和35 m層位中。

上下層煤采空區間布置巷道，主要受上覆煤層底板應力分布及下伏煤層采空區上三帶發育影響。當巷道空間位置離上部煤層較近時，上覆采空區底板應力集中對巷道穩定影響較大；此外，從巷道支護的角度看，若距上覆采空區較近，破碎的采空區底板不利于錨桿(索)的有效支護。當巷道空間位置離下部煤層較近時，下伏采空區的上三帶發育，冒落帶和裂隙帶不易布置巷道，巷道最好布置在彎曲下沉帶。所以，由圖6中(a)～(d)模擬距上覆采空區9～35 m的巷道垂直應力云圖可以看出，當位于9 m和15 m層位時，巷道受下伏采空區影響較小，但在9 m處受上覆采空區底板應力集中影響較大。當位于25和35 m層位時，巷道受下伏采空區影響較大，巷道頂底板應力集中明顯。通過對比分析可知，當巷道距離上部13-1煤層15m時，圍巖在采空區外及采空區內所受到的垂直應力均較小，頂、底板圍巖變形量小，巷道圍巖穩定性好。

圖6 上下采空區之間不同空間位置的巷道垂直應力云圖

2.2.2 巷道之間水平位置對擾動效應的影響

當巷道合理層位確定后，通過研究巷道合理間距來確定巷道水平布置位置。現取模擬巷道水平距離分別為 20 m、25 m、30 m、35 m、40 m，通過對不同水平距離巷道圍巖變形量和應力分布情況進行對比、分析，以確定合理間距。模擬計算時，先進行13-1及11-2煤開采，達到相對穩定后，再對相鄰巷道進行掘進，巷道間應力場和位移場的分布特征如圖7、圖8所示。

圖7 巷道間不同水平間距垂直應力云圖

由圖7中(a)～(d)可以看出，巷道在上下采空區及巷道掘進施工擾動下巷道之間區域應力疊加，隨著兩條巷道間距逐漸增大，疊加效應逐漸減小。當兩條巷道間相距20 m和25 m時，應力疊加效應明顯，而相距30 m以后，應力疊加效應明顯減小。其中，A、B二條巷道不同布置間距幫部位移計算結果如圖8所示。

圖8 不同布置間距的巷道兩幫位移量

由圖8可見，隨著二條巷道間距增大，兩幫變形量逐漸減小。當二巷相距20～30 m時，幫部位移量逐漸減小，而相距30 m之后，變形量逐漸趨于穩定。由此可見，對于丁集煤礦西三采區，二條巷道間距應大于30 m。所以，考慮到西三采區巷道間的相互影響及空間布置的實際情況，設計西三采區軌道、回風、皮帶機大巷間距為40 m。

2.3 支護方案優化

通過以上計算分析表明，在設計西三采區大巷布置時，巷道層位應選取在13-1煤底板下15 m，兩巷道間距為40 m，以減小煤層開采后應力重分布及巷道之間產生的擾動影響。由于西三采區巷道處于深部高應力軟弱巖層中，地質條件復雜，巷道服務年限長，巷道變形量要求嚴格控制。因此，在支護方案設計時，選用全長錨固支護技術，并配合索、網支護，以增加錨固支護效果，提高圍巖自承載能力。為優選支護方案，采用數值模擬對三種支護方案進行計算分析，具體參數如表3所示，并在距離13-1煤及11-2煤采空區外50 m區域設置巷道幫部位移監測點。計算結果如圖9－圖11和表4所示。

表3 支護方案設計

表4 巷道變形量模擬結果

圖9 原支護方案應力和位移云圖

圖10 優化方案一應力和位移云圖

圖11 優化方案二應力和位移云圖

由圖9-圖11和表4可見，在三個支護方案中，隨著錨桿間排距減小，巷道圍巖應力和變形都降低。如方案二的錨桿間排距為700 mm×700 mm，錨索間排距為1.0 m×1.4 m時，計算的頂底板位移量為191 mm，二幫收斂量為172 mm，較其他方案位移量小，支護效果更好，說明優化方案二有利于巷道的長期穩定和安全使用。

3 工程應用情況

根據以上研究結果，西三采區大巷設計時，布置層位取在13-1煤底板下15 m，巷道間距設計為40 m，并采用優化方案二的支護參數，為檢驗優化方案和應用效果，在巷道試驗段設置了兩個測站，對巷道圍巖變形進行了現場實測，觀測結果如圖12所示。

由圖12可見，巷道掘進后，其變形過程可分為三個階段，在巷道施工后20天內，頂底板和幫部呈快速變形，最大變形速率為5.5 mm/d；隨后，巷道變形變緩，最大變形速率為1.5 mm/d；最后，頂底板和幫部變形達到穩定，變形很少增加，巷道處于穩定狀態。如測站一所示，巷道斷面的頂底板移近量為195 mm，兩幫收縮量為176 mm，巷道變形穩定，從而說明根據前面研究結果布置巷道位置和采用的優化支護方案可以維護巷道穩定，滿足安全生產需要。需要說明的是測站二在50 d時變形量出現陡變，這是由于巷道復噴造成測量基點出現微小變化而引起的測量誤差，但并不影響圍巖變形規律。

圖12 巷道圍巖變形現場實測曲線

4 結論

本文以丁集煤礦西三采區大巷受采空區應力重分布及巷道間掘進擾動影響實際工程為背景，采用數值模擬和現場監測相結合的方法進行研究分析，得到以下主要結論：

(1)西三采區巖性以泥巖、砂質泥巖、中細砂巖、砂質泥巖互層為主，抗壓強度分別為33.26 MPa、42.35 MPa、36.2 MPa、52.249 MPa，巖石強度整體較低，為深部軟巖地層。地應力測量表明，該采區內最大水平主應力為28.7 MPa，以構造應力為主。

(2)通過數值模擬分析，得到巷道合理布置層位為距離上部13-1煤層15 m、距離下部11-2煤層63 m。此時，上下煤層的采空區及應力集中區對巷道產生的影響為最小。研究表明，西三采區巷道之間合理布置間距應大于30 m。

(3)根據研究結果，將大巷布置在距離上部13-1煤層15 m層位、巷道間距為40 m，通過數值模擬分析，得到巷道支護優化參數為：錨桿間排距為700 mm×700 mm、錨索間排距為1.0 m×1.4 m。

(4)將研究結果應用于西三采區大巷布置設計，通過現場實測表明，巷道頂底板移近量為195 mm，兩幫收縮量為176 mm，巷道變形穩定，說明本文研究結果可滿足安全生產需要。