掘进时高应力近距离巷道工程稳定性研究

王旭平

(西山煤电集团公司 镇城底矿，山西 古交 030200)



掘进时高应力近距离巷道工程稳定性研究

王旭平

(西山煤电集团公司 镇城底矿，山西 古交 030200)

采用现场监测、理论分析及数值模拟等方法，对高应力近距离巷道在开挖过程中产生的扰动及稳定性进行了分析研究。对开挖工序和一次爆破掘进长度等掘进方案的数值进行模拟，研究结果表明：应力释放区域会在动载荷的作用下扩大，是由于巷道围岩及邻近硐室受到巷道开挖所产生的变形扰动所致；在一次爆破掘进长度较短时，整段巷道的变形会因为扰动次数的增加而增大，反之亦然。

高应力；近距离巷道；机械掘进；爆破掘进；扰动；稳定性

在矿山设计中，巷道及硐室往往分布比较集中。在进行巷道开挖作业时，应遵循平行作业，那么，在爆破作业时，附近巷道及硐室必然会受到震动扰动的影响，同时应力的叠加也会影响到其稳定性。

目前，国内外针对爆破动力扰动开展了一系列研究，且取得了不错的效果。其中吴刚就一种基于扰动状态概念的本构模拟方法对损伤模型体系进行了具体研究；刘泉声基于监测结果发现扰动具有时空效应；何满潮指出巷道扰动是浅部工程围岩所属的非线性力学系统。这些研究结果均从岩体开挖的扰动损伤和破坏机理入手来揭示围岩变形受力规律，然而对于不同掘进方式和工况条件下的扰动影响研究却较少。因此，本文从不同施工工序和工况条件下对高应力近距离巷道工程在掘进和使用过程中的稳定性进行分析研究，为巷道支护提供理论依据。

1 工程概况

某矿-750 m水平的主井井底车场，主要硐室包括：主水泵房，中央变电所，运输大巷及绕道大巷。本文主要针对主要巷道和硐室的扰动及稳定性进行分析，其平面布置图见图1.

图1 主要硐室及巷道平面示意图

2 开挖爆破过程中扰动应力传播

运用爆破方法掘进巷道过程中，开挖段巷道围岩会受到爆炸产生的扰动而发生损伤破坏，会对巷道围岩及邻近硐室造成一定影响。扰动应力波在岩石中传播时不断被吸收消化。因此，巷道的开挖过程对扰动应力波的传播起到衰减作用。通过实验可以发现，衰减系数与岩石坚硬程度有关，通常在软岩中的衰减较快。

复杂条件下的矿山围岩及硐室在近距离开挖时，所形成的扰动应力往往较为复杂，并且会有应力集中现象。扰动应力波会在围岩内部形成动应力，加上静应力的共同作用，会降低围岩稳定性。

3 扰动下巷道围岩变形特征数值模拟

本文针对运输大巷及绕道大巷的开挖对主水泵房和中央变电所的扰动进行数值模拟分析，模拟时采用机械掘进和爆破掘进，开挖工序为：单独和同时开挖运输大巷和绕道大巷，分别研究其对各硐室的影响。

采用FLAC 3D建立数值模拟模型。模型长、宽、高分别为180 m、100 m、50 m，见图2.

图2 三维数值模型图

实测表明，采用多排孔爆破会引起爆破震动的叠加，为了避免这一问题，计算中取载荷波形为谐波的一段。根据实际情况，取扰动应力峰值为20 MPa，持续时间为5 ms，应力波时程曲线图见图3.

图3 爆破扰动应力波时程图

利用FLAC软件可以模拟边界或内部节点受到动载荷时的受力情况，通过控制程序，允许动载荷输入进而模拟应力时程图。巷道开挖后，在巷道壁面输入两帮、顶板、底板和撑子面等参数。

4 开挖扰动巷道围岩变形特征数值计算结果分析

分别对机械掘进和爆破掘进进行模拟，最终得到位移与应力计算结果见图4，图5. 对比图4 和图5可以发现：机械掘进时，运输大巷和绕道大巷对中央变电所和主水泵房硐室的扰动较小，硐室巷道两边开挖时周边岩体变形也较小。而在爆破掘进时，相比机械掘进，运输大巷和绕道大巷对中央变电所和主水泵房的扰动较大，同样硐室巷道两边开挖时周边岩体变形也较大。同时还能够看出，在较大范围内3个开挖工程的应力释放已经相通，应力集中现象较为明显，说明3个巷道工程在围岩较大变形情况下形成了一个较大的应力释放区。

一次爆破不同掘进长度的硐室围岩变形和扰动计算过程曲线图见图6. 由图6可以看出，一次爆破掘进长度越短，扰动开挖次数越多，导致围岩变形越大，反之同理。一次爆破掘进长度越长，围岩开挖初期引起的变形速度就较大，之后随爆破次数的增加，围岩变形开始逐渐增加，说明爆破次数的增加会加速围岩产生变形。

5 扰动结果分析

根据实测结果可知：对于相邻巷道或硐室的相互开挖扰动影响表现为，两条相距20 m的巷道或硐室位移形变在以掘进工作面为中心的10～20 m较大；而爆破掘进对掘进巷道围岩扰动影响较大一般是发生在25 m左右，距离再增加时，扰动影响逐渐减弱，见图7.

图4 两种工况围岩变形分布规律图

图5 两种工况围岩应力分布规律图

图6 不同掘进长度下开挖扰动引起的围岩变形特征曲线图

图7 收敛变形曲线图

当开挖距离一定时，两条巷道相距越近扰动影响越明显，相距较远时，扰动不明显。根据现场监测和数值计算所得的不同间距开挖时所引起的围岩变形增长曲线图见图8. 由图8曲线分析可得，当巷道间距在30 m以内时，相互开挖扰动十分明显，这是由于在开挖过程中爆破掘进产生的动载荷作用加剧，相互扰动造成应力区贯通，此时应力释放区扩大，产生明显的应力集中现象，从而导致开挖扰动十分明显；当间距在30 m以外时，无法形成应力贯通区域，动载荷作用不明显，因而相比30 m以内扰动现象不明显，并且随间距增加围岩变形逐渐减小。因此，根据巷道围岩变形规律可将开挖巷道分为破坏区、影响较大区、影响较小区和无影响区，破坏区和影响区位于掘进面30 m以内。

6 结 论

1) 爆破掘进所产生的扰动应力会对开挖巷道围岩造成损伤破坏，此时的巷道围岩受到静应力和动应力的共同作用，使得巷道和硐室的失稳性增加。

2) 静荷载与动荷载的作用效果不同。静荷载时，巷道开挖对邻近硐室和巷道的扰动影响较小，松动圈无法形成贯通区域，而动荷载作用时，巷道开挖时的扰动影响较大，松动圈形成贯通区域。巷道间距越小，爆破扰动影响越大，巷道稳定性越差。

图8 不同巷道间距下围岩变形关系曲线图

3) 当单独开挖运输大巷采用爆破掘进方式时，变电所和水泵房硐室的变形和应力释放区都会偏向运输大巷；当同时开挖运输大巷和绕道大巷采用爆破掘进方式时，变电所和水泵房硐室的变形和应力释放区域分布就会比较均匀，此时应力释放区与运输大巷和绕道大巷相贯通。

4) 根据巷道围岩变形规律可将开挖巷道分为破坏区、影响较大区、影响较小区和无影响区。破坏区和影响区位于掘进面30 m以内。

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Study on Stability of High Stress Short Distance Roadway
Engineering during Advancing

WANG Xuping

The perturbation and stability of high-stress short-distance roadway during excavation are analyzed by field monitoring, theoretical analysis and numerical simulation. The results show that the stress release area will expand under the action of dynamic load, which is induced by the roadway excavation conducted to surrounding rock and the adjacent chamber. In a blasting tunneling with short length, the whole section of the roadway deformation will increase, and vice versa.

High stress; Close distance roadway; Mechanical advancing; Blasting advancing; Disturbance; Stability

2017-02-09

王旭平(1986—)，男，江苏镇江人，2010年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事煤矿掘进安全技术管理工作

(E-mail)361609132@qq.com

TD326

B

1672-0652(2017)03-0012-04