劉學(xué)生，王 新，譚云亮，PUREV Lkhamsuren，宋世琳

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 山東省礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；3.蒙古科技大學(xué) 地質(zhì)與采礦學(xué)院，蒙古國 烏蘭巴托 120646)

0 引 言

近年我國礦井開采深度不斷增大，開采、運(yùn)輸、排水和供電等設(shè)備越來越大型化、集中化、智能化，組裝和安置這些設(shè)備通常需要在大型硐室群中進(jìn)行[1]，相比于淺部較小斷面硐室群，深部超大斷面硐室群的開挖與維護(hù)變得更加困難，硐室群的布置方式對(duì)其圍巖穩(wěn)定有著重要的影響。相鄰硐室引起的應(yīng)力集中相互疊加，往往是造成圍巖破壞失穩(wěn)的主要因素。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞硐室群穩(wěn)定性及合理硐室群布置方式，已開展了較多相關(guān)研究工作。關(guān)于硐室群穩(wěn)定性，楊仁樹等[2]研究了復(fù)雜巖層巷道交叉點(diǎn)區(qū)域圍巖的變形破裂規(guī)律，認(rèn)為該類硐室支護(hù)重點(diǎn)是硐室之間煤柱和底板；林惠立等[3]認(rèn)為硐室群破壞原因主要是高地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、膨脹型黏土礦物和應(yīng)力集中；楊計(jì)先[4]提出漳村煤礦井底巷道硐室變形破壞的機(jī)理是由于密集開挖引起的應(yīng)力集中和頻繁擾動(dòng)，相鄰硐室之間相互影響，加劇了硐室群的破壞；劉學(xué)生等[5]采用相似材料實(shí)驗(yàn)方法，獲得了深部超大斷面“品”字形硐室群圍巖變形及破裂演化規(guī)律；信長瑜[6]探討了采深、斷層構(gòu)造、泵房硐室群特殊布置結(jié)構(gòu)對(duì)硐室群圍巖穩(wěn)定性的影響；朱成等[7]探討了圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力峰值區(qū)的時(shí)空演化規(guī)律，提出塑性區(qū)發(fā)育范圍判定與圍巖穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)的方法。在硐室群布置方式方面，何滿潮等[8]提出了深部軟巖泵房硐室群集約化設(shè)計(jì)技術(shù)；路增祥[9]以塑性區(qū)擴(kuò)展貫通、關(guān)鍵點(diǎn)位移和應(yīng)力曲線斜率突變?yōu)榕袚?jù)，確定了硐室群階梯布置安全間距；閆長斌[10]將硐室群布置方式歸結(jié)為豎向排列、水平排列、斜向排列和混合排列4種類型。

然而，現(xiàn)有研究主要集中在硐室群支護(hù)方面，關(guān)于深部高應(yīng)力條件硐室群布置方式還不完善，硐室群設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在硐室間距的確定，間距太小則會(huì)受相鄰硐室開挖的影響過大，應(yīng)力分布較復(fù)雜，往往會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響圍巖穩(wěn)定，太大則會(huì)增大工程量，使工程成本增加。筆者以新巨龍煤礦-800 m水平煤矸分離硐室群為背景，研究同層位和錯(cuò)層位布置時(shí)不同間距硐室群圍巖應(yīng)力、變形及塑性區(qū)演化規(guī)律，確定硐室群最優(yōu)布置方式及間距，并進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，現(xiàn)場實(shí)踐獲得了滿意效果。

1 硐室群穩(wěn)定性影響因素

根據(jù)硐室群所處地質(zhì)環(huán)境及圍巖自身特征等綜合分析，獲得影響硐室群穩(wěn)定的因素主要有以下幾個(gè)方面：

1)應(yīng)力環(huán)境。深部高地應(yīng)力是影響硐室群穩(wěn)定的主要因素。硐室開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力環(huán)境由單一變得復(fù)雜，切向應(yīng)力在頂?shù)捉浅霈F(xiàn)局部集中現(xiàn)象，深部硐室受高地應(yīng)力特別是水平應(yīng)力的影響[11-13]，還存在較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力、膨脹應(yīng)力和工程偏應(yīng)力[14]。同時(shí)相鄰硐室的開挖使硐室處于動(dòng)靜載荷疊加的應(yīng)力環(huán)境中。

2)硐室群布置方式。硐室群布置方式的研究十分重要，相鄰硐室之間最小安全間距影響著整個(gè)硐室群的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[15]。錯(cuò)層位布置時(shí)，水平間距比垂直間距對(duì)圍巖影響更大，應(yīng)適當(dāng)增加水平間距，以提高圍巖穩(wěn)定性。交叉硐室頂?shù)装遄冃瘟侩S著角度的增大而減小，兩幫變形量隨著交叉角度的增大而增大，因此確定交叉硐室合理角度對(duì)圍巖變形量有著重要影響[16]。

3)開挖順序及采動(dòng)。在對(duì)硐室群巷道施工時(shí)，若先施工大跨度巷道，在高應(yīng)力下巷道容易失穩(wěn)，若先施工小跨度巷道，由于卸載作用，當(dāng)施工大跨度巷道時(shí)就會(huì)比較穩(wěn)定。受工程采動(dòng)的影響，硐室容易在邊墻和頂?shù)捉翘幃a(chǎn)生應(yīng)力集中，并且應(yīng)力集中程度隨著硐室高度增加而增加[17]。

4)圍巖性質(zhì)及裂隙發(fā)育。硐室群穩(wěn)定性受圍巖性質(zhì)影響較大，圍巖強(qiáng)度較低的硐室承載能力較低，在硐室周邊復(fù)雜應(yīng)力作用下，圍巖變形破壞、完整性進(jìn)一步降低，圍巖發(fā)生較大變形。當(dāng)硐室圍巖中存在著大量的宏觀裂隙和圍觀裂隙，在采動(dòng)影響下，裂隙進(jìn)一步發(fā)育，甚至彼此貫通，使圍巖發(fā)生不同程度的破壞，影響硐室群整體穩(wěn)定性[18]。

5)水和溫度。圍巖吸水膨脹不均勻，在內(nèi)部產(chǎn)生了不均勻的應(yīng)力，使內(nèi)部產(chǎn)生大量的孔隙，破壞了初始的致密結(jié)構(gòu)，膨脹性軟巖吸水后破壞更為劇烈。同時(shí)，溫度對(duì)巖石性質(zhì)也會(huì)有較大影響，實(shí)測表明：巖層越往深部溫度越高，大約每下降100 m，溫度上升6 ℃，隨著溫度的升高，硐室圍巖的彈性模量、變形模量和強(qiáng)度均有所下降。

2 工程概況

新巨龍煤礦一采南翼煤矸分離系統(tǒng)硐室群，由篩分破碎硐室、煤泥水澄清硐室、篩分產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)硐室和重介淺槽排矸硐室4條主要硐室組成，用以煤矸分離、轉(zhuǎn)運(yùn)、煤泥水澄清和排運(yùn)矸石。硐室平均埋深748.1 m，東為北區(qū)回風(fēng)大巷，西為1301N改造巷，南為一采區(qū)保護(hù)煤柱，北為一采回風(fēng)上山。硐室斷面尺寸大，斷面面積為58～110 m2，圍巖以細(xì)砂巖、中砂巖和粉砂巖為主，垂直裂隙比較發(fā)育，巖層柱狀如圖1所示。

圖1 巖層柱狀Fig.1 Columnar diagram of rock formations

布置4條主要硐室時(shí)，首先要保證硐室群的長久穩(wěn)定，躲避區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，其次要考慮各硐室的功能配合：原煤從篩分破碎硐室，經(jīng)過篩分轉(zhuǎn)運(yùn)巷道，進(jìn)入淺槽排矸硐室，精煤、矸石分別從相應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)巷道運(yùn)出，另外還要解決補(bǔ)介運(yùn)輸巷道平交穿過篩分破碎硐室的問題。此外，要盡可能減小硐室群工程量，減少工程成本。因此，篩分破碎硐室與淺槽排矸硐室平行布置，中間與篩分轉(zhuǎn)運(yùn)硐室垂直連接，煤泥水加介硐室要與淺槽排矸硐室連接。為降低工程量，應(yīng)研究硐室之間合理間距，在保證硐室群穩(wěn)定的基礎(chǔ)上縮小硐室間距。

3 硐室群層位及間距確定

3.1 模型建立

根據(jù)前述地質(zhì)條件介紹，建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為100 m×100 m×100 m(長×寬×高)，采用四面體網(wǎng)格劃分，共劃分100萬個(gè)單元和101.7萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)模型中巖體符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，詳細(xì)物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型四周施加水平位移約束，底部施加垂直邊界固定，頂部為應(yīng)力約束。根據(jù)硐室埋深估算，模型頂部未模擬的上覆巖層，通過施加20 MPa均布載荷來近似模擬。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，側(cè)壓系數(shù)取1.2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

3.2 模擬方案

為了研究硐室群布置方式對(duì)其圍巖穩(wěn)定性影響，制定了2個(gè)數(shù)值模擬方案。

方案1：同層位布置，設(shè)置2條硐室，布置在同一層位，硐室間距分別設(shè)置10、12、15、18 m，研究相鄰硐室的最優(yōu)間距。

方案2：錯(cuò)層位布置，同樣設(shè)置2條硐室，布置在不同層位，硐室垂直間距為20 m，水平間距分別設(shè)置為0、6、12、18 m，研究不同層位時(shí)硐室的最優(yōu)錯(cuò)距。

3.3 結(jié)果及分析

3.3.1 方案1結(jié)果分析

同一層位不同間距布置時(shí)，硐室圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化如圖2—圖4所示。

圖2 同層位不同間距圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.2 Vertical stress distribution of surrounding rock with different spacings in same layer

圖3 同層位不同間距圍巖位移Fig.3 Displacement cloud map of surrounding rock at different intervals in same layer

圖4 同層位不同間距圍巖塑性區(qū)分布Fig.4 Distribution of plastic zones in surrounding rocks with different spacings in same layer

由圖2可知，硐室開挖后，在硐室兩側(cè)均出現(xiàn)了一定范圍的應(yīng)力集中區(qū)域。硐室間距為10 m時(shí)，在硐室中間巖柱的中心，由于兩硐室應(yīng)力區(qū)疊加，最大垂直應(yīng)力值達(dá)到了28 MPa，比另一側(cè)高約26%。硐室間距增大為12 m時(shí)，最大垂直應(yīng)力仍在巖柱中心位置，但最大垂直應(yīng)力降到了27 MPa。硐室間距增大到15 m時(shí)，兩硐室間巖柱出現(xiàn)了2個(gè)應(yīng)力峰值區(qū)，說明巖柱中間出現(xiàn)了一定范圍的彈性核區(qū)，最大垂直應(yīng)力降到了25 MPa，比間距12 m時(shí)降低了8%。硐室間距增大到18 m時(shí)，巖柱處仍為兩個(gè)應(yīng)力峰值區(qū)，且峰值距離比間距15 m時(shí)更大，說明彈性核區(qū)范圍增大，但最大垂直應(yīng)力仍為25 MPa。

由圖3可知，硐室變形以兩幫變形為主，非巖柱側(cè)幫比巖柱側(cè)幫變形量更大。間距10 m時(shí)，兩硐室的位移場在中間巖柱有一部分疊加，巖柱變形為50 mm，硐室非巖柱側(cè)幫位移為45 mm。間距增大到12 m時(shí)，位移場在中間巖柱疊加范圍縮小，巖柱變形減小到43 mm，比間距10 m時(shí)減小了16%，此時(shí)非巖柱側(cè)幫位移減小到了24 mm。硐室間距增大為15 m時(shí)，位移場在中間巖柱僅有少部分疊加，巖柱變形量減小到了22 mm，頂?shù)装逦灰茷?2 mm。當(dāng)間距增大到18 m時(shí)，兩硐室位移場不再疊加，巖柱中心不變形，圍巖變形量略微小于間距15 m時(shí)變形量。

由圖4可知，圍巖塑性區(qū)主要在硐室兩幫及頂?shù)捉翘幇l(fā)育，呈橢圓形。硐室間距10 m時(shí)，兩硐室塑性區(qū)在中間巖柱完全貫通，在另一側(cè)深度為5 m，頂?shù)装逅苄詤^(qū)深度為6 m。間距增大到12 m時(shí)，圍巖塑性區(qū)主要發(fā)育位置沒有變化，硐室中間巖柱塑性區(qū)部分貫通。間距增加到15 m時(shí)，塑性區(qū)范圍減小，兩硐室在中間巖柱塑性區(qū)不貫通，深度減小為4 m。間距增加到18 m時(shí)，塑性區(qū)沒有貫通趨勢，硐室兩側(cè)塑性區(qū)范圍相同，深度均為4 m，頂?shù)装逅苄詤^(qū)深度與間距15 m一致。

綜上可知，此條件下兩硐室最優(yōu)間距可取為15 m，繼續(xù)增大間距對(duì)硐室圍巖應(yīng)力、變形及塑性區(qū)發(fā)育影響較小。

3.3.2 方案2結(jié)果分析

錯(cuò)層位布置時(shí)，不同間距硐室圍巖應(yīng)力、變形及破壞情況如圖5—圖7所示。

圖5 錯(cuò)層位不同水平間距圍巖垂直應(yīng)力Fig.5 Vertical stresses of surrounding rocks at different horizontal intervals in dislocation

圖6 錯(cuò)層位不同水平間距圍巖位移Fig.6 Displacement cloud map of surrounding rock at different horizontal intervals in dislocation

圖7 錯(cuò)層位不同水平間距圍巖塑性區(qū)分布Fig.7 Distribution of plastic zone of surrounding rock with different horizontal spacing in dislocation

由圖5可知，硐室開挖后，在硐室兩幫均出現(xiàn)了一定范圍的應(yīng)力集中區(qū)，而兩硐室間隔巖層中應(yīng)力出現(xiàn)明顯降低。

水平間距為0時(shí)，最大垂直應(yīng)力達(dá)到了25 MPa，位于上部硐室兩幫巖層；間隔巖層中應(yīng)力最大僅為15 MPa左右。間距增大到6 m時(shí)，上下硐室兩幫仍然是應(yīng)力集中區(qū)，但出現(xiàn)了不對(duì)稱分布的現(xiàn)象，上部硐室左幫和下部硐室右?guī)蛻?yīng)力集中最大，約為22.5 MPa，兩相鄰幫約為20 MPa。間距增大為12 m時(shí)，應(yīng)力集中情況與間距6 m時(shí)基本一致，間隔巖層中應(yīng)力降低程度減小，最大應(yīng)力約為15 MPa。間距增大到18 m時(shí)，上下硐室兩幫應(yīng)力集中區(qū)趨于對(duì)稱分布，間隔巖層中應(yīng)力降低程度進(jìn)一步減小，最大應(yīng)力仍為15 MPa。

由圖6可知，兩硐室開挖后頂?shù)装搴蛢蓭途a(chǎn)生一定的變形，且兩幫變形影響范圍比頂?shù)装宕?，變形量?6～50 mm。水平間距0～6 m時(shí)，兩硐室的位移場在硐室中間有一部分重合，呈“8”字形，間隔巖層變形較嚴(yán)重，隨著水平間距的增大，變形范圍和變形量均逐漸減小。間距大于12 m時(shí)，硐室圍巖位移場不再重合，相鄰對(duì)角處巖層幾乎不變形，硐室圍巖變形量基本不發(fā)生改變。

由圖7可知，硐室圍巖塑性區(qū)主要在兩幫和頂?shù)捉翘幇l(fā)育，整體呈現(xiàn)橢圓形。硐室水平間距0時(shí)，塑性區(qū)在硐室之間深度較大，為6 m，兩幫深度為4 m。

間距增大到6 m時(shí)，塑性區(qū)在兩硐室相對(duì)的頂?shù)捉翘庉^深，圍巖破壞程度比較大，說明錯(cuò)層位硐室群相鄰對(duì)角處更容易發(fā)生破壞。間距增大到12 m時(shí)，頂?shù)装逄幩苄詤^(qū)深度減小至5 m，破壞速度變慢，兩幫塑性區(qū)深度變化不大，為4 m。硐室間距增大到18 m時(shí)，硐室相對(duì)頂?shù)捉翘幩苄詤^(qū)減小，圍巖破壞區(qū)基本穩(wěn)定。

綜上可知，此條件下錯(cuò)層位布置時(shí)，硐室最優(yōu)間距為18 m，繼續(xù)增大間距對(duì)硐室圍巖應(yīng)力、變形及塑性區(qū)發(fā)育影響較小。

4 硐室群實(shí)施方案及工程驗(yàn)證

4.1 現(xiàn)場實(shí)施方案

煤矸分離系統(tǒng)功能是分離煤與矸石并澄清煤泥水，需要4條相互連接的硐室，因此硐室群設(shè)計(jì)為井字型布置方式。

同層位布置方式優(yōu)點(diǎn)是施工簡單、工程成本低，行人運(yùn)輸方便，缺點(diǎn)是相鄰巷道影響大，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，圍巖變形大。錯(cuò)層位布置方式優(yōu)點(diǎn)是降低了相鄰巷道的影響，減小了應(yīng)力集中程度，缺點(diǎn)是施工較困難、工程成本高，行人、運(yùn)輸不方便。通過方案1和方案2可知，與同層位布置相比，錯(cuò)層位布置圍巖應(yīng)力、位移和塑性區(qū)相差不大，且布置連接硐室時(shí)，傾角達(dá)48°，施工較困難、工程成本高，行人、運(yùn)輸不方便，因此硐室群應(yīng)采取同層位布置，且為保證硐室群整體穩(wěn)定，相鄰硐室間距至少應(yīng)為15 m。

為此建立4條硐室井字型布置的數(shù)值計(jì)算模型，間距取15 m，支護(hù)采取錨桿索協(xié)同支護(hù)[8]，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 井字型布置模擬結(jié)果Fig.8 Layout analysis diagram of well-shaped

由圖8可知，采取井字型布置時(shí)，相鄰硐室?guī)r柱及交叉區(qū)域處產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，且呈對(duì)稱分布，最大垂直應(yīng)力達(dá)33 MPa；平行硐室之間出現(xiàn)了2個(gè)應(yīng)力峰值，說明具有一定范圍的彈性核區(qū)。硐室圍巖變形整體不大，以兩幫為主，靠近中心巖柱一側(cè)圍巖變形量比另一側(cè)大，約為37 mm，硐室交叉處圍巖位移量為24 mm。圍巖塑性區(qū)發(fā)育比較均勻，兩幫塑性區(qū)深度為5 m，比頂?shù)装逅苄詤^(qū)深20%，但在中間巖柱處不貫通，具有一定范圍的彈性核區(qū)，圍巖能夠保持穩(wěn)定。

4.2 現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證

以數(shù)值模擬結(jié)果為參考，考慮圍巖應(yīng)力演化規(guī)律、位移場分布特征和塑性區(qū)分布特征，結(jié)合地質(zhì)條件、硐室功能要求和成本等因素綜合考慮，得出新巨龍煤礦一采南翼煤矸分離系統(tǒng)硐室群布置方式為：篩分破碎硐室和重介淺槽排矸硐室平行布置，間距為89 m，煤泥水澄清硐室與篩分產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)硐室呈74°角度交叉平行，間距為15～40 m。

為掌握分離硐室群圍巖變形情況，硐室永久支護(hù)完成后就進(jìn)行硐室兩幫和頂?shù)装逦灰屏繙y量、松動(dòng)圈范圍測試和錨索應(yīng)計(jì)測試，部分監(jiān)測結(jié)果如圖9—圖11所示。

圖9 圍巖變形監(jiān)測結(jié)果Fig.9 Monitoring results of surrounding rock deformation

圖10 松動(dòng)圈測試范圍結(jié)果Fig.10 Test range result of loose ring

圖11 錨索測力結(jié)果Fig.11 Force measurement result of anchor cable

由圖9可知，硐室群圍巖變形呈現(xiàn)出先增大后保持不變的規(guī)律。永久支護(hù)完成后約20 d內(nèi)，硐室變形量梯度比較大，超過20 d，圍巖變形量達(dá)到最大，其中頂?shù)装逡平考s為18 mm，兩幫移近量約為26 mm。由圖10可知，圍巖波速隨著深入圍巖距離增大，呈現(xiàn)先增大后保持基本不變的規(guī)律，表明圍巖松動(dòng)圈范圍約為3 m。由圖11可知，永久支護(hù)完成后20 d內(nèi)，錨索錨固力呈增大趨勢，約增大5 kN，超過20 d后，錨索錨固力基本保持穩(wěn)定，約為86 kN，說明硐室圍巖逐漸趨于穩(wěn)定。綜合以上測試結(jié)果，該布置方案下硐室群圍巖穩(wěn)定性良好。

截止目前，硐室群已服務(wù)6 a，圍巖變形量基本保持不變，整體穩(wěn)定性好，表面無明顯的裂隙裂紋等產(chǎn)生，現(xiàn)場照片如圖12所示。

圖12 硐室現(xiàn)場觀察情況Fig.12 On-site observation of the chamber

5 結(jié) 論

1)探討了深部超大斷面硐室群圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素及響應(yīng)規(guī)律，從地質(zhì)條件、功能需求、圍巖穩(wěn)定性和成本等方面，給出了新巨龍煤礦一采南翼煤矸分離系統(tǒng)4條超大斷面硐室群的布置設(shè)計(jì)要求。

2)獲得了同層位和錯(cuò)層位布置時(shí)不同間距下硐室圍巖變形破壞規(guī)律，隨著間距增大，相鄰硐室?guī)r柱從貫通破壞發(fā)展為存在一定范圍彈性核區(qū)，穩(wěn)定性顯著提高，相鄰硐室圍巖相互影響逐漸減小，同層位布置時(shí)最優(yōu)間距約為15 m，錯(cuò)層位布置時(shí)約為18 m。

3)與同層位布置相比，錯(cuò)層位布置具有傾斜聯(lián)絡(luò)巷施工成本高、運(yùn)輸行人不方便等缺點(diǎn)，確定新巨龍煤礦一采區(qū)煤矸分離系統(tǒng)硐室群采用同層位井字型布置方式，相鄰硐室間距為15～89 m。目前硐室群已建成服務(wù)6 a左右，圍巖變形量約為26 mm，硐室群整體穩(wěn)定性良好，可為類似硐室群布置方式選擇提供參考。