張 斌，蘇學貴,2，段振雄，常立宗，王福周

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原030024；2.中國礦業(yè)大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083)

巷道圍巖的穩(wěn)定性不僅與巷道所處的空間位置[1-3]、布置方式有關[4-7]，巷道的掘進擾動也會對其產(chǎn)生影響[8-11]。隨著煤炭資源的不斷開采，有限井田范圍內(nèi)布置著的巷道數(shù)量也在不斷增多，巷道間的掘進擾動逐漸成為制約礦井安全生產(chǎn)的重要影響因素。龍泉煤礦相鄰的2條大巷由于布置不合理,受相互擾動等因素影響巷道變形破壞嚴重，直接影響生產(chǎn)安全。

國內(nèi)外眾多學者針對掘進擾動展開了諸多研究，劉泉聲等通過礦壓觀測提出了深埋巷道即使間距大于5倍硐徑，仍然會受到擾動影響[12]；YAN Peng等通過數(shù)值模擬對比了應力的二次分布和爆破荷載對開挖擾動區(qū)的影響[13];MARTINO J B等對圍巖的波速變化進行了測定,將開挖擾動區(qū)劃分為內(nèi)部損傷區(qū)和外部損傷區(qū)[14]；周輝等對巷道開挖擾動區(qū)的演化特征進行了研究，指出開挖擾動區(qū)與擾動應力場的演化特征具有一定的相似性[15]；冷先倫等研究了掘進速率和開挖擾動的內(nèi)在關系，指出開挖擾動效應的降低可以通過加快掘進速率來實現(xiàn)[16]；張明等對超深井多煤層擾動下的巷道變形破壞機理進行了研究，指出巷道間的擾動過程與底板巷道的破壞區(qū)域存在著時空對應關系[17]；RUTQVIST J等對巷道開挖所引起的圍巖滲透系數(shù)的變化規(guī)律進行了研究，并將開挖擾動區(qū)劃分為損傷區(qū)、不飽和區(qū)、流體壓力降低區(qū)[18-19];宋朝陽等對巷道不同水平間距、垂距、掘進順序進行了研究，并在此基礎上提出了巷道掘進擾動影響因子[20]。但目前的研究多從巖體擾動損傷與破壞機理角度來揭示圍巖應力和變形的規(guī)律，而基于原位裂隙演化探測與穩(wěn)定性監(jiān)測分析的巷道間掘進擾動影響規(guī)律研究相對較少。

筆者以龍泉煤礦相鄰的膠帶大巷和回風大巷為研究對象，采用圍巖原位實測、數(shù)值模擬和工程監(jiān)測的方法，對膠帶大巷受掘進擾動的影響規(guī)律，以及巷道圍巖穩(wěn)定性控制展開研究。

1 工程特征分析

1.1 工程概況

龍泉煤礦回風大巷和膠帶大巷為相鄰平行的2條巷道，巷間距25 m，埋深為600 m，膠帶大巷沿4#煤層頂板掘進，巷道凈寬5.70 m、凈高3.75 m，原支護方案采用錨網(wǎng)索+噴射混凝土聯(lián)合支護，巷道頂部每排施工7根錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm，施加的預緊力為40 kN；錨索長度為7 m,第一排打3根錨索，第二排打2根錨索，依次循環(huán)，排距為1 000 mm，間距分別為2 200、2 300 mm，施加的預緊力均為100 kN。兩幫每排施工4根錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，錨固方式與頂板一致。巷道頂?shù)装鍘r層賦存情況及支護斷面如圖1所示。

圖1 巷道頂?shù)装鍘r層賦存情況及支護斷面圖

回風大巷凈寬5.3 m、凈高4.3 m，支護方式與膠帶大巷相似。2條大巷均采用綜掘機施工，膠帶大巷超前回風大巷150 m左右，2條大巷的相對位置關系如圖2所示。

圖2 巷道位置關系示意圖

1.2 破壞特征

由于受地質條件變化尤其是掘進擾動等因素的影響，膠帶大巷在掘進后產(chǎn)生了嚴重破壞，兩幫不對稱變形尤為明顯，其中靠近回風大巷的左幫變形劇烈(如圖3所示)，局部地區(qū)頂板下沉量較大，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)。

圖3 膠帶大巷左幫變形情況

1.3 圍巖物理力學特性

為了解龍泉煤礦巷道頂?shù)装宀煌瑤r層的物理力學性質，在距測站后方5 m處選取合適的位置打鉆取芯，之后將其密封并帶回實驗室對其物理力學參數(shù)進行測定。巷道圍巖物理力學參數(shù)測定結果如表1 所示。

表1 巷道圍巖物理力學參數(shù)

由表1可知，在巷道頂板7.7 m范圍內(nèi)的巖層包括4#煤的強度較同類巖層低許多，層間連接性較差且節(jié)理較為發(fā)育；泥巖之上則覆蓋一層厚度約10.4 m的砂質泥巖，該巖層強度較高,圍巖完整性較好；4#煤層之下為厚3.8 m的細粒砂巖。

2 巷道擾動影響規(guī)律研究

2.1 擾動規(guī)律數(shù)值分析

2.1.1 建立數(shù)值模型

巷道間距是影響掘進擾動的重要因素，基于表1數(shù)據(jù)構建FLAC3D數(shù)值模型。巷道間距分別取15、25、35、45 m,模擬范圍為50.0 m×56.0 m×37.4 m，模擬深度為600 m，側壓系數(shù)設為1.2。數(shù)值模擬中將膠帶大巷視為已施工完畢的巷道，回風大巷作為后掘巷道，以步距8 m向前掘進，將膠帶大巷y軸方向上32 m處的斷面作為測站，對不同巷道間距下膠帶大巷所受的擾動影響規(guī)律進行數(shù)值模擬。

2.1.2 數(shù)值模擬結果分析

膠帶大巷在原方案支護下左、右兩幫最大移近量,以及頂?shù)装遄畲笠平吭诓煌锏篱g距下的變化曲線如圖4所示。

圖4 膠帶大巷圍巖變形量隨巷道間距的變化曲線

由圖4可知，當巷道間距為45 m時，膠帶大巷左、右兩幫移近量分別為380、381 mm，頂?shù)装逡平繛?82 mm，左、右兩幫移近量相近，巷道圍巖穩(wěn)定；當間距為35 m時，左、右兩幫移近量及頂?shù)装逡平糠謩e比間距45 m時僅高出9.5%、1.8%、9.3%，巷道變形較??；當間距為25 m時，左、右兩幫移近量分別比間距45 m時高出52.4%、22.0%，其中左幫高出右?guī)?4.5%，巷道變形明顯加大；當間距為15 m時，右?guī)鸵平勘乳g距45 m時高出49.6%，巷道整體破壞嚴重。

不同巷道間距時膠帶大巷斷面積隨回風大巷掘進距離的變化曲線如圖5所示。

圖5 膠帶大巷斷面積隨回風大巷掘進距離的變化曲線

由圖5可知，當巷道間距為45 m時，膠帶大巷基本不受擾動影響；當間距為35 m時，受擾動影響較小；當間距分別為25、15 m時，回風大巷從16 m掘進至40 m的過程中膠帶大巷變形明顯，巷道斷面的收縮量分別達到了總收縮量的78.5%、66.4%。

隨著巷道間距的減小，掘進擾動影響不斷增強，膠帶大巷前后8 m范圍內(nèi)受擾動影響最為明顯,且左幫比右?guī)推茐膰乐亍?/p>

2.2 圍巖擾動原位實測分析

在工程實際中膠帶大巷和回風大巷2條巷道間距為25 m，為進一步研究回風大巷掘進對膠帶大巷的擾動影響，在膠帶大巷中選取合適的位置布置鉆孔，采用TYGD10巖層鉆孔探測儀及DM-4型多點位移計對圍巖松動變形進行探測分析，其中窺視深度為12.5 m，多點位移計測深為7.0 m。

當回風大巷掘進工作面距離窺視探測站前、后16 m處時分別對其進行了窺視，頂板圍巖前后2次窺視結果如圖6所示。

(a)第1次窺視 (b)第2次窺視

由圖6可知，第2次窺視時窺視孔1.2 m深處和2.6 m深處的孔壁與第1次窺視時相比較，破碎且裂隙明顯增多；3.3 m深處與第1次窺視時相比孔壁較為粗糙；6.7 m深處第1次窺視時孔壁比較光滑，第2次窺視時則出現(xiàn)了2條張開度較大的縱向裂隙；窺視孔7.2 m深處前后2次窺視結果相近，孔壁裂隙變化不明顯。

窺視結果顯示，回風大巷經(jīng)過后膠帶大巷圍巖裂隙進一步增加，表明受擾動影響明顯。

對膠帶大巷左幫的多點位移計讀數(shù)進行了為期30 d的監(jiān)測，左幫不同深度測點位移隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7 左幫不同深度測點位移隨時間的變化曲線

由圖7可知，回風大巷在第10天通過了測點，從第9天到第12天這段期間左幫1、2、4 m深度處的測點位移增長較快，移近量分別達到了總移近量的61.5%、58.6%、58.3%，其中1、2、4 m深度處的測點總移近量分別為39、29、10 mm；7 m深度處測點位移變化較小，穩(wěn)定后的移近量僅為2 mm。

通過上述窺視和監(jiān)測結果可以得出，膠帶大巷圍巖較淺部位受回風大巷掘進擾動的影響較為明顯，擾動影響顯著期為5 d，圍巖深度大于7 m時基本不受擾動影響。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性控制優(yōu)化研究

3.1 支護機理及優(yōu)化

依據(jù)數(shù)值分析和現(xiàn)場原位實測結果對原支護方案進行優(yōu)化。

1)原位探測表明，受擾動影響的頂板圍巖深度1.0～2.6 m區(qū)域破碎明顯，3.3～6.7 m區(qū)域孔壁較為粗糙且出現(xiàn)了多條裂隙，會導致錨桿(索)錨固基礎不牢，支護效果較差，由此可通過減小錨桿(索)間排距、提高預緊力，以及增加錨索長度來對破碎圍巖進行控制。

2)膠帶大巷左幫為煤柱，右?guī)蜑閷嶓w煤，煤柱對上覆巖層起著較強的支撐作用。同時左幫受擾動影響其受力情況相比于右?guī)透鼮閺碗s，進而導致左幫的破壞情況比右?guī)蛧乐亍榱艘种破瑤颓闆r的發(fā)生，更好地起到固幫控頂?shù)淖饔?，可通過減小幫部錨桿間排距，增打幫錨索的方式來實現(xiàn)。

3)巷道間距25 m時受擾動影響明顯,35 m時受擾動影響較小，因此在允許的情況下可適當調整巷道間距。

4)膠帶大巷底板出現(xiàn)了一定程度的底鼓，在后期采取挖底、路面硬化等措施對其進行治理。

巷道支護的優(yōu)化方案如下：

優(yōu)化方案1：鑒于現(xiàn)有2條大巷間距不宜再做調整，故在原支護方案基礎上將錨索改為“三三布置”，長度加長至8 m，間排距為2.2 m×1.0 m。由于兩幫變形總體偏大，故兩幫各增打1根8 m長的錨索，布置在2排錨桿之間，距頂板1.5 m，排距為1.0 m。

優(yōu)化方案2：在原支護方案的基礎上將錨索改為“四三布置”，長度加長至8 m，間距均為1.5 m，排距為0.85 m；頂板和幫部的錨桿間排距均調整為0.85 m×0.85 m；幫錨索在方案1的基礎上將排距縮減為0.85 m。在該支護方案中將錨桿預緊力增大至60 kN,錨索預緊力增大至160 kN。

優(yōu)化方案3：為了給新采區(qū)的巷道布置提供合理依據(jù)，將2條大巷的間距調整為35 m，膠帶大巷仍采用原支護方案。

3.2 優(yōu)化巷道穩(wěn)定性數(shù)值分析

對不同支護方案下的巷道圍巖穩(wěn)定性進行對比分析，膠帶大巷左、右兩幫最大移近量及頂?shù)装遄畲笠平吭诓煌桨赶碌淖兓€如圖8所示。

圖8 膠帶大巷不同優(yōu)化方案圍巖變形曲線

從圖8中可以看出，在優(yōu)化方案1的支護下，膠帶大巷左、右兩幫移近量分別為531、455 mm，頂?shù)装逡平繛?24 mm，與原方案支護下的移近量相比分別減小了8.3%、2.2%、6.9%，其中左幫移近量高出右?guī)?6.7%，左右兩幫仍存在不對稱變形的現(xiàn)象。

在優(yōu)化方案2的支護下，膠帶大巷左、右兩幫移近量及頂?shù)装逡平糠謩e比在原方案支護時的移近量減小了21.2%、6.0%、15.2%，其中左幫移近量僅高出右?guī)?.3%，兩幫不對稱變形大幅降低。

在優(yōu)化方案3的支護下，膠帶大巷左、右兩幫移近量及頂?shù)装逡平糠謩e比在原方案支護時的移近量減小了28.2%、16.6%、18.3%，巷道圍巖變形得到較好的控制。

膠帶大巷在4種支護方式下巷道圍巖變形量達到最大值時的塑性區(qū)分布如圖9所示。

(a)原方案支護下

由圖9可知，在原方案的支護下巷道頂板塑性區(qū)最深達到了4.23 m，左、右兩幫的塑性區(qū)最深分別達到了8、6 m，超出了錨桿(索)的錨固范圍，巷道圍巖穩(wěn)定性較差；在優(yōu)化方案1的支護下巷道圍巖塑性區(qū)與原方案支護時的相比減小了29.3%，塑性區(qū)分布范圍仍然較大；在優(yōu)化方案2和優(yōu)化方案3的支護下巷道圍巖塑性區(qū)與原方案支護時的相比分別減小了45.6%、53.1%，塑性區(qū)被有效控制在錨桿(索)的支護范圍內(nèi)。

優(yōu)化方案1對巷道圍巖穩(wěn)定性的控制效果不明顯，優(yōu)化方案2與優(yōu)化方案3能夠有效控制巷道圍巖變形。鑒于目前正在施工的2條巷道調整間距較為困難，因此采用優(yōu)化方案2作為最終的優(yōu)化方案。對于下一步巷道布置，優(yōu)化方案3具有一定的借鑒意義。

4 工程監(jiān)測

4.1 測站布置

采用優(yōu)化方案支護后在現(xiàn)場重新布置測站進行監(jiān)測，其中兩幫的測點布置相同。監(jiān)測儀器主要有MCJ-30型錨桿測力計、MCJ-40型錨索測力計及激光測距儀等。測站布置及現(xiàn)場監(jiān)測示意圖見圖10。

圖10 測站布置及現(xiàn)場監(jiān)測示意圖

4.2 監(jiān)測結果分析

測站監(jiān)測的圍巖變形量及錨桿(索)受力變化曲線如圖11～12所示。

圖11 圍巖變形量隨監(jiān)測時間的變化曲線

圖12 測力計讀數(shù)隨監(jiān)測時間的變化曲線

由圖11、圖12可知，回風大巷在第9天通過測站，通過測站期間巷道圍巖變形明顯增加，同時左、右兩幫錨桿測力計和頂板錨索測力計的工作載荷增長幅度較大，分別達到了總增長量的81.5%、82.8%、83.3%，之后錨桿(索)受力平穩(wěn)。幫部錨桿測力計和頂板錨索測力計的工作載荷峰值分別為91.49、199.45 kN，為屈服載荷的48.2%、39.9%，錨桿(索)受力合理。測站兩幫總移近量為53 mm，頂板總下沉量為28 mm，表明在優(yōu)化方案2加強支護下巷道圍巖較為穩(wěn)定。優(yōu)化支護后膠帶大巷斷面如圖13所示，滿足礦井安全生產(chǎn)要求。

圖13 優(yōu)化支護后膠帶大巷斷面圖

5 結論

1)巷道圍巖較淺部位受掘進擾動影響明顯，擾動影響下圍巖裂隙增加、位移量增大，當圍巖深度大于 7 m 時基本不受擾動影響，擾動影響顯著期為5 d。

2)巷道間距為45 m時基本不受擾動影響；間距為35 m時，受擾動影響的變形較??；間距為25 m時，左幫和右?guī)偷囊平勘乳g距45 m時高出52.4%、22.0%，其中左幫高出右?guī)?4.5%，兩幫不對稱變形明顯；間距為15 m時，巷道破壞嚴重。

3)調整巷道間距(由25 m增加到35 m)可明顯降低擾動影響，圍巖塑性區(qū)減小53.1%。但當巷道間距不宜變化時，通過優(yōu)化支護參數(shù)，圍巖塑性區(qū)亦可減小45.6%，優(yōu)化方案經(jīng)工程應用驗證具有合理性。