深井邻近巷道掘巷扰动影响下的稳定性分析

张　宁，高明中，经来旺

(1. 安徽理工大学能源与安全学院，安徽　淮南　232001；2. 安徽理工大学理学院， 安徽　淮南　232001)



深井邻近巷道掘巷扰动影响下的稳定性分析

张宁1,2，高明中1，经来旺2

(1. 安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001；2. 安徽理工大学理学院， 安徽淮南232001)

利用ABAQUS有限元软件，对淮南某深部矿井1112工作面新掘进的顺槽煤巷造成原有高抽巷的掘巷扰动影响进行数值模拟分析，分析了深部矿井两条巷道在不同间距下随着新巷道的掘进使原有巷道的应力和变形的最大值增加并且所在位置发生改变，探讨了新掘巷道对既有巷道稳定性造成的影响；研究了深井相邻巷道掘巷扰动效应对原有巷道应力应变的改变，结果表明：浅部巷道之间的合理间距在深部条件下不再适用，深部矿井邻近巷道之间掘巷扰动效果显著，既有巷道需要在已有支护结构的基础上增加新的支护措施以保证其正常使用。

掘巷扰动；深部矿井；邻近巷道;巷道稳定性

随着我国经济快速发展，能源消耗量逐年递增，煤炭需求不断增加，浅部煤炭资源逐渐减少，煤矿的开采深度也不断增大，大部分矿山进入深部资源开采阶段[1-3]。开采深度增加的同时，煤矿巷道围岩地应力水平也随着升高，很多新的岩石压力问题也逐渐显现，掘巷扰动问题就是其中之一。

掘巷扰动是指在布置多条邻近巷道的过程中，后掘进的巷道对先掘进巷道的扰动问题。在浅部地下工程中已经对巷道(硐室)的布置方式、开挖顺序的不同对巷道(硐室)稳定性的影响进行了一定的研究[4-7]。到了深部情况下，由于巷道两侧应力增高区范围增大而导致相邻巷道之间的应力增高区出现相互叠加的现象，后掘进巷道对先掘进巷道的扰动效果逐渐显现，严重时可以导致整条先掘进巷道的变形，巷道的围岩应力需经多次、长时间分布才能趋于平衡，在应力平衡过程中巷道表现出剧烈变形，特别是底臌和两帮收敛加剧[8-11]。已有的研究主要集中对邻近巷道(硐室)支护策略进行研究，而巷道间距的大小对稳定性的影响研究较少。本文以淮南矿业集团某深井正在掘进施工的11-2煤层运输顺槽巷道和既有顶板岩层运输顺槽高抽巷道为研究对象，主要对两条巷道在不同的间距下进行稳定性的数值分析。目前常采用数值模拟法对地下巷道结构进行分析，本文采用SIMULIA公司开发的ABAQUS有限元软件进行数值模拟，得到深部矿井条件下不同间距的两条巷道，新巷道掘巷扰动对原有巷道稳定性的影响。

1　计算模型及模拟方案

1.1 工程现场情况

淮南矿业集团某深部矿井-906 m的1112工作面运输顺槽顶板高抽巷已开挖多时，下方的1112工作面运输顺槽煤巷开始施工，两条巷道相邻约45 m左右，且具有相同的走向，见图1，适合进行深井掘巷扰动影响的研究。

图1　两条巷道的相对位置(单位：m)

我国的煤矿相邻巷道间相互距离设定一般按照文献[12]的规定进行，巷道的合理间距D由巷道宽度、巷道埋深、围岩强度、岩层倾角、巷道与岩层走向的夹角五个因素决定，并按(1)计算

D=(a1+a2)K1

(1)

式中:a1+a2为相互影响的巷道总宽度，m，K1为巷道相互影响系数。

在我国煤矿目前的开采深度下，巷道间的合理距离以20～40 m为宜，上、下山巷道集中区的间距以15～30 m为宜，围岩较稳定时取小值，不稳定时取大值。也就是在大于等于合理距离的两条巷道相互影响很小可以忽略，但在深部开采情况下邻近巷道受到掘巷扰动影响变大，上述的合理间距范围已经无法适用。本文所研究的两条巷道间距已经大于40 m，但在实际施工中发现，在顺槽煤巷开挖后原有高抽巷的变形加剧，因此以这两条巷道为研究对象，模拟出该地质条件下不同间距巷道的相互影响情况。

1.2模型建立与参数

根据该矿目前的建设现状和工程地质条件，对正在掘进的顺槽煤巷道对既有顶板岩层巷道高抽巷的稳定性影响建立分析模型。该计算模型的岩层选取煤层、泥岩、粉砂岩和砂岩；煤层底板简化成粉砂岩，顶板为泥岩、粉砂岩和砂岩。取室内试验检测到的力学性能参数如表1所示。

表1　岩体力学参数

模拟采用Mohr-Coulomb模型，M-C准则的形式为

τ=c+σntg φ

(2)

或推广到一般的情况，也可以写成

(3)

式中：c为粘聚力；φ为内摩擦角；σn为剪切面上的法向应力(以拉为正)；n为剪切面外法线方向。两条模型巷道的间距从10～50 m，每10 m进行一次模拟，将5种情况的模拟结果进行对比，观察不同间距情况下掘巷扰动作用对原有巷道的稳定性影响状况，模型建立如图2所示。其中，模型建立方法参考文献[13-14]。

图2　数值模型

2　模拟结果分析

初始状态的既有高抽巷的受力状态与位移状况如图3所示，可以看出在-906 m情况下,由于地应力过高，即使进行了初步支护，但是原有高抽巷所受压力还是较大，围岩的最大竖向应力位置位于巷道帮底部，最大值接近43 MPa，最大位移发生位置在巷道底板处，最大位移量为底臌量,达到25 mm。

a.应力云图

b.位移云图图3　初始状态下高抽巷的应力和位移云图

按照模拟方案，当顺槽煤巷与原有高抽巷的间距分别为10 m，20 m，30 m，40 m，50 m时，原有高抽巷的应力和位移云图分别如图4～图5所示。

b.间距20m

c.间距30m

d.间距40m

e.间距50m图4 　煤巷开挖后高抽巷的应力云图

从图4中可以看出，由于顺槽煤巷位于高抽巷的右下方，所以在煤巷开挖后，高抽巷的应力分布发生了一定偏移，最大应力所处位置发生改变，特别是在间距较小时，这也导致了巷道最大位移发生位置的改变，顶板下沉成为巷道变形的最大问题。当间距为10 m时，由于距离很近，煤巷对高抽巷产生了卸压作用，使得高抽巷的最大应力小于煤巷未开挖时高抽巷的最大应力，只有39 MPa，但这并不影响其最大位移的增大，此时的巷道最大位移值变为46.8 mm。当间距为20 m之后，最大应力和最大位移的变化情况开始有规律，随着间距的增大，最大应力和最大位移逐渐减少，最大应力从间距20 m时的51 MPa变为间距50 m时的44.8 MPa，都大于原有状态时的高抽巷所受最大应力；最大位移从46.8 mm变为25.8 mm时，仍旧大于原有巷道的最大位移。通过模拟可以看出，煤巷掘进之后，高抽巷所受应力位置发生了变化，发生最大位移的位置也产生变化。

a.间距10m

b.间距20m

c.间距30m

d.间距40m

e.间距50m图5　煤巷开挖后高抽巷的位移云图

从图5可知，最大位移位置位于高抽巷的顶板位置。当两条巷道间距为50 m时，既有高抽巷仍旧受掘巷扰动的影响，虽然所受最大应力和巷道最大位移的数值增加不大，但是最大位移所在的位置发生了明显变化，原有的高抽巷的支护措施在煤巷掘进后已经不能适应。实际工程中两条巷道间距处于40 m与50 m之间，煤巷的开挖使得原有高抽巷的最大应力和位移均发生了一定增加且改变了最大应力和位移的位置，需要在原有支护结构的基础上增加新的支护方进行补强，才能保证高抽巷的顺利使用。

3　结论

1)深部矿井中，相邻巷道的掘巷扰动作用明显，原有的巷道合理间距在深井下不再适用，需要调整既有巷道的支护措施，保证其在新掘巷道的扰动作用下能够顺利的使用。

2)基于数值模拟结果可以看出，由于新掘巷道的位置不同，会使得原有巷道的最大应力和最大变形的数值增加，且出现的位置发生变化，当两条巷道间距达到50 m时，掘巷扰动影响开始减弱，最大变形量比原有状态时的增加量已不明显，但由于巷道最大位移所处位置的变化，依旧会导致巷道原有支护结构的失稳。

3)数值模拟方法的可以有效的考虑复杂的地质条件以及施工因素，得到的结果也比较接近于工程实际，利用好数值模拟结果，可以提前预知可能发生的巷道受力变形情况，从而进行相应的支护对策制订，避免巷道的破坏和工程的延误。

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(责任编辑：李丽)

Stability Analysis of Roadway at Great Depth under the Influence of Adjacent Roadway Excavation

ZHANG Ning1,2, GAO Ming-zhong1, JING Lai-wang2

(1. School of Mining and Safety Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China; 2. School of Sciences, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

By using the finite element software ABAQUS, the numerical simulation was conducted to analyze the influence of roadway excavation in 1112 longwall on existing roadway above the longwall for gas drainage in a deep mine of Huainan Mining Area. The maximum stress increase and displacement of the existing roadway above the longwall in the process of the adjacent roadway excavation were analyzed. The influence of roadway excavation on stability of the existing roadway was discussed. The influence of the adjacent roadway excavation on strain of the existing roadway was studied. The results showed that the reasonable distance between roadways at shallow depth is not applicable to roadways at great depth. The roadway excavation disturbance effect on the adjacent roadway is significant at great depth. Some additional supporting measures are needed to ensure normal function of the existing roadway.

roadway excavation disturbance; deep mine; adjacent roadway；roadway stability

2015-05-16

国家自然科学基金青年科学基金资助项目 (51404011) ; 安徽省自然科学基金资助项目(1308085mg107)

张宁 (1983-)，男，安徽舒城人，讲师，在读博士，研究方向：矿山压力与支护。

TD353

A

1672-1098(2016)04-0022-05