張寧　高明中　經(jīng)來旺

摘要：利用ABAQuS有限元軟件，對淮南某深部礦井1112工作面新掘進(jìn)的順槽煤巷造成原有高抽巷的掘巷擾動(dòng)影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析了深部礦井兩條巷道在不同間距下隨著新巷道的掘進(jìn)使原有巷道的應(yīng)力和變形的最大值增加并且所在位置發(fā)生改變，探討了新掘巷道對既有巷道穩(wěn)定性造成的影響；研究了深井相鄰巷道掘巷擾動(dòng)效應(yīng)對原有巷道應(yīng)力應(yīng)變的改變，結(jié)果表明：淺部巷道之間的合理間距在深部條件下不再適用，深部礦井鄰近巷道之間掘巷擾動(dòng)效果顯著，既有巷道需要在已有支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加新的支護(hù)措施以保證其正常使用。

關(guān)鍵詞：掘巷擾動(dòng)；深部礦井；鄰近巷道；巷道穩(wěn)定性

中圖分類號：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）04-0022-05隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗量逐年遞增，煤炭需求不斷增加，淺部煤炭資源逐漸減少，煤礦的開采深度也不斷增大，大部分礦山進(jìn)入深部資源開采階段。開采深度增加的同時(shí)，煤礦巷道圍巖地應(yīng)力水平也隨著升高，很多新的巖石壓力問題也逐漸顯現(xiàn)，掘巷擾動(dòng)問題就是其中之一。

掘巷擾動(dòng)是指在布置多條鄰近巷道的過程中，后掘進(jìn)的巷道對先掘進(jìn)巷道的擾動(dòng)問題。在淺部地下工程中已經(jīng)對巷道（硐室）的布置方式、開挖順序的不同對巷道（硐室）穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了一定的研究。到了深部情況下，由于巷道兩側(cè)應(yīng)力增高區(qū)范圍增大而導(dǎo)致相鄰巷道之間的應(yīng)力增高區(qū)出現(xiàn)相互疊加的現(xiàn)象，后掘進(jìn)巷道對先掘進(jìn)巷道的擾動(dòng)效果逐漸顯現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致整條先掘進(jìn)巷道的變形，巷道的圍巖應(yīng)力需經(jīng)多次、長時(shí)間分布才能趨于平衡，在應(yīng)力平衡過程中巷道表現(xiàn)出劇烈變形，特別是底臌和兩幫收斂加劇。已有的研究主要集中對鄰近巷道（硐室）支護(hù)策略進(jìn)行研究，而巷道間距的大小對穩(wěn)定性的影響研究較少。本文以淮南礦業(yè)集團(tuán)某深井正在掘進(jìn)施工的11-2煤層運(yùn)輸順槽巷道和既有頂板巖層運(yùn)輸順槽高抽巷道為研究對象，主要對兩條巷道在不同的間距下進(jìn)行穩(wěn)定性的數(shù)值分析。目前常采用數(shù)值模擬法對地下巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，本文采用SIMU-LIA公司開發(fā)的ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到深部礦井條件下不同間距的兩條巷道，新巷道掘巷擾動(dòng)對原有巷道穩(wěn)定性的影響。

1.計(jì)算模型及模擬方案

1.1工程現(xiàn)場情況

淮南礦業(yè)集團(tuán)某深部礦井-906m的1112工作面運(yùn)輸順槽頂板高抽巷已開挖多時(shí)，下方的1112工作面運(yùn)輸順槽煤巷開始施工，兩條巷道相鄰約45m左右，且具有相同的走向，見圖1，適合進(jìn)行深井掘巷擾動(dòng)影響的研究。

我國的煤礦相鄰巷道間相互距離設(shè)定一般按照文獻(xiàn)的規(guī)定進(jìn)行，巷道的合理間距D由巷道寬度、巷道埋深、圍巖強(qiáng)度、巖層傾角、巷道與巖層走向的夾角五個(gè)因素決定，并按（1）計(jì)算

在我國煤礦目前的開采深度下，巷道間的合理距離以20-40m為宜，上、下山巷道集中區(qū)的間距以15-30m為宜，圍巖較穩(wěn)定時(shí)取小值，不穩(wěn)定時(shí)取大值。也就是在大于等于合理距離的兩條巷道相互影響很小可以忽略，但在深部開采情況下鄰近巷道受到掘巷擾動(dòng)影響變大，上述的合理間距范圍已經(jīng)無法適用。本文所研究的兩條巷道間距已經(jīng)大于40m，但在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，在順槽煤巷開挖后原有高抽巷的變形加劇，因此以這兩條巷道為研究對象，模擬出該地質(zhì)條件下不同間距巷道的相互影響情況。

1.2模型建立與參數(shù)

根據(jù)該礦目前的建設(shè)現(xiàn)狀和工程地質(zhì)條件，對正在掘進(jìn)的順槽煤巷道對既有頂板巖層巷道高抽巷的穩(wěn)定性影響建立分析模型。該計(jì)算模型的巖層選取煤層、泥巖、粉砂巖和砂巖；煤層底板簡化成粉砂巖，頂板為泥巖、粉砂巖和砂巖。取室內(nèi)試驗(yàn)檢測到的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

式中：c為粘聚力；ω為內(nèi)摩擦角；σ。為剪切面上的法向應(yīng)力（以拉為正）；n為剪切面外法線方向。兩條模型巷道的間距從10-50m，每10m進(jìn)行一次模擬，將5種情況的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，觀察不同間距情況下掘巷擾動(dòng)作用對原有巷道的穩(wěn)定性影響狀況，模型建立如圖2所示。其中，模型建立方法參考文獻(xiàn)。2模擬結(jié)果分析

初始狀態(tài)的既有高抽巷的受力狀態(tài)與位移狀況如圖3所示，可以看出在-906m情況下，由于地應(yīng)力過高，即使進(jìn)行了初步支護(hù)，但是原有高抽巷所受壓力還是較大，圍巖的最大豎向應(yīng)力位置位于巷道幫底部，最大值接近43MPa，最大位移發(fā)生位置在巷道底板處，最大位移量為底臌量，達(dá)到25mm。

按照模擬方案，當(dāng)順槽煤巷與原有高抽巷的間距分別為10m，20m，30m，40m，50m時(shí)，原有高抽巷的應(yīng)力和位移云圖分別如圖4～圖5所示。

從圖4中可以看出，由于順槽煤巷位于高抽巷的右下方，所以在煤巷開挖后，高抽巷的應(yīng)力分布發(fā)生了一定偏移，最大應(yīng)力所處位置發(fā)生改變，特別是在間距較小時(shí)，這也導(dǎo)致了巷道最大位移發(fā)生位置的改變，頂板下沉成為巷道變形的最大問題。當(dāng)間距為10m時(shí)，由于距離很近，煤巷對高抽巷產(chǎn)生了卸壓作用，使得高抽巷的最大應(yīng)力小于煤巷未開挖時(shí)高抽巷的最大應(yīng)力，只有39MPa，但這并不影響其最大位移的增大，此時(shí)的巷道最大位移值變?yōu)?6.8mm。當(dāng)間距為20m之后，最大應(yīng)力和最大位移的變化情況開始有規(guī)律，隨著間距的增大，最大應(yīng)力和最大位移逐漸減少，最大應(yīng)力從間距20m時(shí)的51MPa變?yōu)殚g距50m時(shí)的44.8MPa，都大于原有狀態(tài)時(shí)的高抽巷所受最大應(yīng)力；最大位移從46.8mm變?yōu)?5.8mm時(shí)，仍舊大于原有巷道的最大位移。通過模擬可以看出，煤巷掘進(jìn)之后，高抽巷所受應(yīng)力位置發(fā)生了變化，發(fā)生最大位移的位置也產(chǎn)生變化。

從圖5可知，最大位移位置位于高抽巷的頂板位置。當(dāng)兩條巷道間距為50m時(shí)，既有高抽巷仍舊受掘巷擾動(dòng)的影響，雖然所受最大應(yīng)力和巷道最大位移的數(shù)值增加不大，但是最大位移所在的位置發(fā)生了明顯變化，原有的高抽巷的支護(hù)措施在煤巷掘進(jìn)后已經(jīng)不能適應(yīng)。實(shí)際工程中兩條巷道間距處于40m與50m之間，煤巷的開挖使得原有高抽巷的最大應(yīng)力和位移均發(fā)生了一定增加且改變了最大應(yīng)力和位移的位置，需要在原有支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加新的支護(hù)方進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，才能保證高抽巷的順利使用。

3.結(jié)論

1）深部礦井中，相鄰巷道的掘巷擾動(dòng)作用明顯，原有的巷道合理間距在深井下不再適用，需要調(diào)整既有巷道的支護(hù)措施，保證其在新掘巷道的擾動(dòng)作用下能夠順利的使用。

2）基于數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，由于新掘巷道的位置不同，會使得原有巷道的最大應(yīng)力和最大變形的數(shù)值增加，且出現(xiàn)的位置發(fā)生變化，當(dāng)兩條巷道間距達(dá)到50m時(shí)，掘巷擾動(dòng)影響開始減弱，最大變形量比原有狀態(tài)時(shí)的增加量已不明顯，但由于巷道最大位移所處位置的變化，依舊會導(dǎo)致巷道原有支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

3）數(shù)值模擬方法的可以有效的考慮復(fù)雜的地質(zhì)條件以及施工因素，得到的結(jié)果也比較接近于工程實(shí)際，利用好數(shù)值模擬結(jié)果，可以提前預(yù)知可能發(fā)生的巷道受力變形情況，從而進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)對策制訂，避免巷道的破壞和工程的延誤。