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(yè)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(zhì)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(qū)，且巷道圍巖為軟弱巖層，圍巖變形量大，巷道極易失穩(wěn)[1-2]。淮南丁集煤礦計劃掘進西三采區(qū)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(jīng)濟合理地支護此類軟巖巷道，應開展相應的技術(shù)研究，保證礦井的正常生產(chǎn)運輸，降低安全生產(chǎn)隱患。

關(guān)于軟巖巷道的施工擾動效應分析和支護技術(shù)研究方面，國內(nèi)外已進行過相關(guān)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(guān)系和控制方法；文獻[6]采用正交試驗方法，研究了動態(tài)擾動下巷道圍巖穩(wěn)定性；冀貞文等[7]通過對新汶礦區(qū)深井巷道礦壓監(jiān)測研究，提出了該礦區(qū)巷道圍巖控制優(yōu)化方案。日本的Yamaguch等研究發(fā)現(xiàn)[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(wěn)。闞甲廣等[9]運用數(shù)值模擬方法，研究了埋深較大巷道之間的影響，發(fā)現(xiàn)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(jù)擾動效應把影響區(qū)域分為破壞區(qū)、較大區(qū)和較小區(qū)。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(qū)頂板垂直應力和位移發(fā)現(xiàn)，距離采空區(qū)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(shù)云[14]等通過實測分析發(fā)現(xiàn)，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(qū)巷道為研究背景，首先測試該采區(qū)地層巖性和地應力，然后采用Flac3D數(shù)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(yōu)化設(shè)計，通過現(xiàn)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(zhì)條件

1.1 工程概況

丁集煤礦西三采區(qū)構(gòu)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(tǒng)上石盒子組，其中13-1煤為穩(wěn)定煤層，平均厚度為4.0 m；11-2煤為較穩(wěn)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(qū)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(zhì)泥巖、砂泥巖互層和中細砂巖。為了給理論分析和數(shù)值計算提供基本參數(shù)，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(nèi)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(jié)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(shù)

由表1可見，西三采區(qū)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(qū)三條大巷位于深部軟巖地層，巷道支護技術(shù)成為一大難題。

1.3 地應力測試

為了給采區(qū)巷道布置和支護參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)，又進行了西三采區(qū)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(tǒng)組件圖

圖4 KX‐81空心包體應力計

根據(jù)井下現(xiàn)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(jié)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(cè)壓系數(shù)分別為1.10和1.21，應力場以水平應力為主，表明構(gòu)造應力是影響西三采區(qū)地應力場及巷道圍巖穩(wěn)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(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

以丁集煤礦西三采區(qū)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(gòu)關(guān)系。

三維模型邊界條件設(shè)置為：側(cè)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(jù)表1的巖石力學測試結(jié)果給模型中各巖層附值，并依據(jù)地應力測試結(jié)果對模型施加應力邊界條件。

根據(jù)工程實際情況，為減小上、下采空區(qū)及巷道間掘進對圍巖穩(wěn)定性影響，首先模擬研究巷道穿上、下采空區(qū)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(yōu)化支護方案，選取合理支護參數(shù)。

圖5 數(shù)值計算模型

2.2 巷道合理位置數(shù)值模擬

2.2.1 上下采空區(qū)之間不同空間位置模擬

依據(jù)西三采區(qū)工程地質(zhì)條件，掘進巷道穿過兩層煤及其采空區(qū)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(qū)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(qū)上三帶發(fā)育影響。當巷道空間位置離上部煤層較近時，上覆采空區(qū)底板應力集中對巷道穩(wěn)定影響較大；此外，從巷道支護的角度看，若距上覆采空區(qū)較近，破碎的采空區(qū)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(qū)的上三帶發(fā)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(qū)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(qū)影響較小，但在9 m處受上覆采空區(qū)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(qū)影響較大，巷道頂?shù)装鍛忻黠@。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(qū)外及采空區(qū)內(nèi)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(wěn)定性好。

圖6 上下采空區(qū)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?，F(xiàn)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(wěn)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(qū)及巷道掘進施工擾動下巷道之間區(qū)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(jié)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(wěn)定。由此可見，對于丁集煤礦西三采區(qū)，二條巷道間距應大于30 m。所以，考慮到西三采區(qū)巷道間的相互影響及空間布置的實際情況，設(shè)計西三采區(qū)軌道、回風、皮帶機大巷間距為40 m。

2.3 支護方案優(yōu)化

通過以上計算分析表明，在設(shè)計西三采區(qū)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(chǎn)生的擾動影響。由于西三采區(qū)巷道處于深部高應力軟弱巖層中，地質(zhì)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(shè)計時，選用全長錨固支護技術(shù)，并配合索、網(wǎng)支護，以增加錨固支護效果，提高圍巖自承載能力。為優(yōu)選支護方案，采用數(shù)值模擬對三種支護方案進行計算分析，具體參數(shù)如表3所示，并在距離13-1煤及11-2煤采空區(qū)外50 m區(qū)域設(shè)置巷道幫部位移監(jiān)測點。計算結(jié)果如圖9－圖11和表4所示。

表3 支護方案設(shè)計

表4 巷道變形量模擬結(jié)果

圖9 原支護方案應力和位移云圖

圖10 優(yōu)化方案一應力和位移云圖

圖11 優(yōu)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?shù)装逦灰屏繛?91 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(yōu)化方案二有利于巷道的長期穩(wěn)定和安全使用。

3 工程應用情況

根據(jù)以上研究結(jié)果，西三采區(qū)大巷設(shè)計時，布置層位取在13-1煤底板下15 m，巷道間距設(shè)計為40 m，并采用優(yōu)化方案二的支護參數(shù)，為檢驗優(yōu)化方案和應用效果，在巷道試驗段設(shè)置了兩個測站，對巷道圍巖變形進行了現(xiàn)場實測，觀測結(jié)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(nèi)，頂?shù)装搴蛶筒砍士焖僮冃?，最大變形速率?.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?shù)装搴蛶筒孔冃芜_到穩(wěn)定，變形很少增加，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。如測站一所示，巷道斷面的頂?shù)装逡平繛?95 mm，兩幫收縮量為176 mm，巷道變形穩(wěn)定，從而說明根據(jù)前面研究結(jié)果布置巷道位置和采用的優(yōu)化支護方案可以維護巷道穩(wěn)定，滿足安全生產(chǎn)需要。需要說明的是測站二在50 d時變形量出現(xiàn)陡變，這是由于巷道復噴造成測量基點出現(xiàn)微小變化而引起的測量誤差，但并不影響圍巖變形規(guī)律。

圖12 巷道圍巖變形現(xiàn)場實測曲線

4 結(jié)論

本文以丁集煤礦西三采區(qū)大巷受采空區(qū)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(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法進行研究分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)西三采區(qū)巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、中細砂巖、砂質(zhì)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(qū)內(nèi)最大水平主應力為28.7 MPa，以構(gòu)造應力為主。

(2)通過數(shù)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(qū)及應力集中區(qū)對巷道產(chǎn)生的影響為最小。研究表明，西三采區(qū)巷道之間合理布置間距應大于30 m。

(3)根據(jù)研究結(jié)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(shù)值模擬分析，得到巷道支護優(yōu)化參數(shù)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(jié)果應用于西三采區(qū)大巷布置設(shè)計，通過現(xiàn)場實測表明，巷道頂?shù)装逡平繛?95 mm，兩幫收縮量為176 mm，巷道變形穩(wěn)定，說明本文研究結(jié)果可滿足安全生產(chǎn)需要。