深部巷道循环进尺模拟优化研究

孙飞跃， 张伟峰， 赵大震， 李栓杰

(1.河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454003； 2.驻马店市公路工程开发有限公司， 河南 驻马店 463000)

随着我国对浅部煤炭资源开采数量的持续增加，煤炭已进入了深部开采阶段[1]。对煤炭进行深部开采时，施工方案对控制深部巷道围岩变形尤为重要，对保证巷道施工的安全顺利进行具有重要意义。

近年来学者们不断地对深部巷道施工方案进行探讨，并取得了长足的进步。董春亮等以弹性卸荷为基本理论，通过探究巷道开挖的半径和卸荷的时间等因素对深部圆形巷道开挖中围岩的破坏机理进行分析，得到了适合该巷道施工的开挖方案[2]。袁璞等采用相似物理模型实验对深部巷道钻爆法施工进行探究，发现采取合理的锚固支护形式可以有效地控制围岩应力的分布[3]。李扬帆等从数值模拟、实验和理论研究以及现场监测等方面对开挖地下洞室的扰动区进行探究，为地下洞室施工提供了参考[4]。杨荣宽等以具体工程案例为背景，采用现场监测和数值分析相结合的方法对深部煤巷近距离开采进行了分析，通过分析围岩应力和位移的变化优化巷道的开采布局[5]。

本文采用FLAC3D有限差分软件建立巷道计算模型，采用3种不同的施工方案进行模拟施工。通过对比分析，优选出合适的施工方案。

1 工程概况

某矿区位于丘陵和平原的过渡地带，东西走向长4 500 m，南北倾斜宽3 700～4 700 m，工作面埋深-863 m。其断面形状为马蹄形，断面的净宽为5 400 mm，墙高为1 600 mm，净断面积为24.33 m2。开挖过程中采用逐步开挖逐步支护的方法，当最后一步开挖完成后，拆除临时隔壁支护，并衬砌封闭成环。利用围岩与支护结构形成一个完整的支护体系，使围岩压力在可控制的情况下得以释放，减少衬砌施工所承受的荷载，有效地控制围岩的过度松弛，确保工程质量，减少衬砌开裂[6]。具体围岩和支护结构的物理力学参数参考文献[7-10]和该工程具体的围岩等级进行综合确定，取值详见表1。

2 数值模拟

2.1 建立模型

根据圣维南原理以及巷道开挖的影响范围建立的计算模型，横向40 m，竖向30 m，纵向分别为32 m、36 m和40 m，即左右边界为左右巷道总跨度的3.5倍，上下边界为左右巷道总高度的3倍[11]。在数值计算中，围岩和加固圈采用Mohr-Coulomb模型，支护和衬砌采用弹性模型，开挖模拟采用空模型。围岩和加固圈采用实体单元模拟，支护采用cable单元和Shell单元共同模拟。该计算模型的上边界为应力约束边界条件，施加24.93 MPa的垂直载荷，其余边界均为位移约束边界条件。巷道模型、模型尺寸及边界条件如图1所示。

表1 围岩和支护结构物理力学参数

(a) 巷道模型

注：尺寸单位为cm。(b) 模型尺寸及边界条件图1 计算模型图

2.2 开挖方案模拟

施工方法采用全断面法，为了研究巷道局部让压段所需的最佳长度对巷道周围岩体的影响，采用3种不同的施工方案(A方案、B方案、C方案)进行数值模拟。通过分析计算结果，选出较为合理的施工方案。

3种开挖方案都先以1.2 m为一个大循环的掘进长度进行开挖，随后分别以0.4 m、0.6 m和0.8 m(局部让压段)为一个小循环的掘进长度进行开挖，即A方案、B方案和C方案均先开挖1.2 m，采用C25喷射混凝土加锚杆和锚索进行共同支护，而后相应开挖0.4 m(A方案)、0.6 m(B方案)和0.8 m(C方案)，采用C25混凝土模筑衬砌，均为20个循环，开挖长度共计为32 m(A方案)、36 m(B方案)和40 m(C方案)。

3 计算结果分析

3.1 围岩变形

围岩变形是评价围岩稳定性的重要依据[12]。如果围岩的变形过大，会直接影响巷道的正常使用。只有对围岩变形特性有了充分的了解，才能有效地控制岩体在外部荷载作用下所产生的变形，从而降低对人力、物力和财力的浪费。

3种不同开挖方案下，巷道的竖向位移和水平位移的等值线云图分别见图2、图3。通过分析图2可知： 3种不同的开挖方案中，巷道顶部和底部产生的竖向变形最大，所以在施工时应特别注意顶部和底部的围岩变形；C方案对围岩顶部位移变形所产生的影响范围最广(图中等值线为5的区域)，B方案次之，A方案最少；C方案在巷道顶部所产生的最大竖向位移变化量最大，B方案次之，A方案最小。在巷道底部中心处，C方案和B方案所引起的底鼓现象最为严重，A方案较轻，这主要是因为C方案和B方案在施工时围岩局部让压的距离较A方案长，从而导致围岩底部的变形过大。采取A方案开挖时，局部让压变形的长度较适中，从而提高了围岩抵抗变形的承载能力，阻止了围岩产生过大的变形，增强了支护结构所发挥的作用，使围岩的变形有所降低[13]。通过分析图3可知，巷道两侧径向变形是由内向外移动的，且变形大致呈对称分布。巷道拱顶部位受力形成压力拱，使其受到的压力转化为水平推力，导致围岩向外侧偏离。最终，巷道拱顶承受主动土压力，而岩体因侧墙向外移动挤压而承受被动土压力。

(a) A方案 (b) B方案 (c) C方案图2 3种开挖方案下巷道竖向位移等值线云图

(a) A方案 (b) B方案 (c) C方案图3 3种开挖方案下巷道水平位移等值线云图

为了探究巷道开挖完成后围岩的变形特征，在巷道顶板、底板和帮部的垂直方向均设置了3条监测线，在巷道顶板和底板监测线上以2 m为间隔均匀布置了14个监测点，在巷道两帮监测线上以2 m为间隔均匀布置了18个监测点[14]。不同开挖方案下的巷道顶板、底板和两帮的位移变化曲线分别如图4、图5所示。通过分析图4可知，3种开挖方案下巷道围岩顶板、底板位移变化规律大致相同，采用A方案、B方案和C方案开挖时，巷道顶板最大沉降量分别为243.7 mm、249.4 mm和263.7 mm。另外，A方案引起的底板沉降比B方案小13.8 mm、比C方案小22.5 mm。通过分析图5可知，3种开挖方案下巷道围岩两帮位移基本呈对称分布，其中采用A方案施工对巷道两侧横向变形影响较小，相比其他两种方案略有优势。此外，随距巷道中心距离的增加，围岩两帮的位移变化逐渐减小，并趋近于零。总体来说，与其他两种方案相比，A方案更具有控制围岩变形的优势。

图4 巷道顶板、底板位移变化曲线图

图5 巷道两帮位移变化曲线图

图6 位移监测点位置图

图7 拱肩竖向位移曲线图

图8 拱肩水平位移曲线图

图9 边墙竖向位移曲线图

图10 边墙水平位移曲线图

在数值模拟计算中，对巷道拱肩和边墙的坚向、水平位移进行监测，并沿着巷道掘进方向每隔2个循环进行一次监测，监测点如图6所示。拱肩竖向和水平位移曲线分别如图7、图8所示。边墙竖向和水平位移曲线分别如图9、图10所示。通过分析图7和图9可知，C方案在巷道拱肩和边墙位置所产生的竖向位移变化量最大，最大处分别为261.8 mm和8.25 mm；A方案在巷道拱肩和边墙位置所产生的坚向位移变化量最小，最大竖向位移变化量分别为242.2 mm和7.56 mm。通过分析图8和图10可知，C方案在巷道拱肩和边墙位置所产生的水平位移变化量最大，最大处分别为290.8 mm和37.82 mm；A方案在巷道拱肩和边墙位置所产生的水平位移变化量最小，最大处分别为270.5 mm和34.81 mm。因此，从水平位移和竖向位移变化量来看，A方案优于其他两种方案。

在数值计算过程中，对巷道拱顶和拱底的位移进行实时监测。施工过程中拱顶和拱底最大沉降曲线分别如图11和图12所示。由图11可知，巷道的竖向变形主要是压缩变形。方案C在拱顶产生的沉降量最大，方案A产生的沉降量最小。在整个巷道断面开挖完成后，方案C的拱顶沉降量为491.8 mm；方案A的拱顶沉降量为412.7 mm。由图12可知，方案A在各阶段产生的沉降量都是比较小的，在巷道完全开挖后，方案A、方案B和方案C造成的拱底最大沉降量分别为411.7 mm、456.6 mm及498.4 mm，所以在巷道完全开挖后，方案A所造成的拱底总沉降量也是最小的。从模拟开挖过程中拱顶和拱底的沉降曲线来看，在前十几步施工过程中，3种施工方案对拱顶和拱底的沉降影响较小，而在最后一步开挖过程中，3种开挖方案都对拱顶和拱底沉降造成了很大影响，沉降曲线突然变陡，主要原因是在全部开挖后巷道内的岩体对洞室的支撑作用减小，从而使拱顶和拱底沉降突然变大[15]。在实际开挖巷道内部区域的岩体时，一定要加强拱顶和拱底支护，尽量采取“快挖快支护”的方式减少围岩的沉降[16]。总的来看，3种方案最终造成的沉降量有一定差别，其中方案A具有沉降量更小优势。

图11 施工过程中拱顶最大沉降曲线图

图12 施工过程中拱底最大沉降曲线图

为了优选一个更加适合该巷道的施工方案，控制地表沉降，不影响地面建筑物、邻近建筑物和道路的正常使用，在巷道开挖时务必严格控制地表沉降。所以，在距巷道中心轴线左右各20 m的地表每隔5 m设置监测点，绘出地表不同位置的沉降曲线，见图13。由图13可以看出，3种施工方案在巷道中心轴线左右两侧15 m范围内造成的地表沉降量比较大，在巷道中心轴线位置处地表沉降量最大。巷道中心轴线左右两侧15 m之外的地表沉降量距中心轴线距离越远变化越不明显，巷道开挖对地表沉降影响的区域大致为巷道跨度的2.8倍。其中A方案在地表不同位置产生的沉降量是最小的，C方案是最大的，与A方案相比，C方案产生的沉降量降低了9.74%。这也说明，该巷道采用A方案不仅可以控制围岩的位移变化，还可以缩短开挖时间，提高工作效率。

图13 地表不同位置沉降曲线图

3.2 围岩应力

围岩应力的变化是围岩产生变形和失稳的根本原因[17]。洞室开挖后，围岩应力重新分布，破坏了原有的平衡状态，使围岩局部应力增加[18]。因此，围岩应力的变化是施工中要重点考虑的内容。

为了分析巷道开挖后围岩应力的变化特征，在巷道顶板、底板和帮部的垂直方向均设置了3条监测线，在顶板和底板监测线上以2 m为间隔均匀布置了14个监测点，在帮部监测线上以2 m为间隔均匀布置了18个监测点。巷道顶板、底板和两帮应力变化曲线分别如图14、图15所示。通过分析图14可知，巷道顶板、底板的应力随距巷道中线距离的增加而逐渐减小，顶板的竖向应力作用范围略大于底板。此外，A、B、C 3种方案在巷道开挖完成后产生的围岩顶部和底部最大压应力分别为25.21 MPa、25.26 MPa和25.27 MPa和25.29 MPa、25.32 MPa和25.33 MPa。虽然在3种施工方案下在顶板和底板产生的最大压应力差别不太明显，但是相比之下，A方案比C方案所产生的围岩顶部和底部最大压应力分别降低了0.23%和0.16%。由图15可知，巷道围岩左右两帮的应力大致呈对称分布，对巷道影响较大的两帮水平应力范围大致在距巷道中线左右两侧12 m处，离巷道中线越远影响越小。从巷道围岩应力曲线来看，A方案比其他两种方案略有优势。

图14 巷道顶底板应力变化曲线图

3种施工方案的水平应力和竖向应力等值线云图分别如图16和图17所示。由应力等值线云图可知，最大压应力发生在巷道的最底部，巷道的顶部出现了拉应力。在巷道两帮与地面的交接处出现了应力集中现象，应特别注意对应力集中部位岩体的加固，防止岩体局部破坏。此外，巷道拱顶处的受力状态明显好于巷道拱底处。由图16可知，在巷道顶板、底板处，A方案产生的应力影响范围最小，C方案最大(见图中等值线为8的区域)。此外，A方案造成的应力集中现象较轻，C方案较重(见图中等值线为1和8的区域)。由于巷道两帮水平应力的影响区域比顶板和底板多，所以巷道两帮水平应力整体呈椭圆状分布。由图17可知，在巷道的拱顶、拱底和两帮处都有应力集中现象。相比之下，A方案应力集中现象较轻，C方案较为严重。在开挖巷道时，拱顶竖向应力对巷道的影响范围比拱底广。此外，随着巷道局部让压段长度的增加，围岩竖向应力等值线云图作用范围增大，说明C方案对洞室开挖的影响范围比A方案大。总之，在施工过程中应特别注意对应力集中部位和巷道关键位置的围岩进行加固，防止围岩破坏。

图15 巷道两帮应力变化曲线

(a)方案A (b) 方案B (c) 方案C 图16 3种开挖方案下巷道水平应力等值线云图

(a)方案A (b) 方案B (c) 方案C 图17 3种开挖方案下巷道竖向应力等值线云图

3.3 围岩塑性区的分布

围岩塑性区的分布范围是分析围岩稳定性的重要依据和巷道支护设计的基本依据[19]。巷道开挖后，岩体的应力发生变化，从而破坏了围岩的自身平衡，出现了洞周部分围岩应力超出岩体屈服强度的现象，使得岩体进入了塑性状态[20]。不同开挖方案下围岩塑性区分布如图18所示。

由图18可知，在高地应力作用下开挖洞室，岩体的破坏从洞室的帮角和底角等关键部位开始，先在巷道的顶部和底部以及帮部产生局部剪切破坏带，然后这些剪切破坏带开始扩展、相互连接和贯通，从而产生大范围的剪切破坏区，所以岩体的破坏形式以剪切破坏为主[21]，围岩的拉伸屈服区域随着巷道的开挖逐渐减小，直到消失。通过FLAC3D内嵌的FISH语言对3种方案的塑性区体积进行统计可知，A方案、B方案和C方案的塑性区体积分别为448.28 m3、555.30 m3和671.06 m3。

图18 3种开挖方案下巷道围岩塑性区分布图

表2所示为不同施工方案下巷道围岩塑性区的最大深度。由表2可知，围岩两帮的塑性破坏区范围比顶部和底部大，C方案的塑性区范围略大于A方案。此外，A方案引起的顶板塑性区最大深度比B方案小0.11 m、比C方案小0.17 m。A方案引起的底板塑性区最大深度比B方案小0.10 m、比C方案小0.25 m。A方案引起的帮部塑性区最大深度比B方案小0.06 m、比C方案小0.59 m。从不同施工方案下巷道围岩塑性区的最大深度来看，采取A方案具有一定的优势。

表2 不同施工方案下巷道围岩塑性区最大深度 m

4 结 论

采用FLAC3D有限差分软件对3种施工方案进行了数值模拟，并根据巷道开挖过程中围岩位移变化、围岩应力变化、围岩塑性区分布、围岩支护作用、拱顶位移和地表沉降变化六方面进行综合考虑，得到如下主要结论：

(1) 根据围岩位移变化可知，A方案竖向和水平位移变化量比其他两种施工方案小；从拱肩和边墙位移监测情况来看，C方案产生的位移变化量最大，A方案最小；从拱底沉降分析来看，A方案具有沉降量小的优势，地表最大沉降量为411.7 mm，B方案和C方案产生的最大沉降量分别为456.6 mm、498.4 mm。相比之下，A方案比B方案沉降量减小9.8%，比C方案沉降量减小17.4%。因此，从围岩位移变化来看，A方案优于其他两种方案。

(2) 根据围岩应力变化可知，在巷道两帮与巷道地面的交接处和开挖拱顶、拱底部位易产生应力集中现象，这与大量工程实际也是相吻合的。因此，应对应力集中部位进行重点支护，以免造成围岩和支护结构的局部破坏。相比之下，A方案所产生的应力集中现象较轻，造成的围岩顶部和底部最大压应力最小，应力值分别为25.21 MPa和25.29 MPa；C方案造成的围岩顶部和底部最大压应力最大，分别为25.27 MPa和25.33 MPa。A方案所产生的围岩顶部和底部最大压应力较C方案分别减小了0.23%和0.16%。因此，从围岩应力变化来看，A方案优于其他两种方案。采用A方案不仅可以减少对巷道围岩的扰动，还可以缩短开挖时间，提高工作效率。

(3) 由围岩塑性区分布可知，在开挖巷道时，岩体的破坏从洞室的帮角和底角等关键部位开始，先在巷道的顶部和底部以及帮部产生局部剪切破坏带，然后这些剪切破坏带开始扩展、相互连接和贯通，从而产生大范围的剪切破坏区，所以岩体的破坏形式以剪切破坏为主，围岩的拉伸屈服区域随着巷道的开挖逐渐减小，直到消失。

(4) 从地表不同位置的沉降曲线来看，A方案在地表的每一个位置产生的沉降量都较其他两种方案小。在距巷道中线约15 m的范围内，地表产生的沉降量较大，巷道开挖对地表沉降影响的区域大致为巷道中线两侧的2.8倍跨度。