煤矿节理地层TBM 掘进巷道围岩损伤规律分析

2021-03-04王雪松汪振华

煤矿安全 2021年2期

代迈，唐彬，，3，王永，王雪松，汪振华

（1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001；2.煤炭开采国家工程技术研究院，安徽淮南232001；3.淮南矿业集团博士后科研工作站，安徽淮南232001）

TBM（Tunnel Boring Machine），即全断面掘进机。其掘进、排矸、支护同步作业，具有安全性好、掘进效率高等优点[1]。近年来，TBM 已逐渐被用于煤矿岩石巷道掘进施工中。以德国Minister Stein 和Franz Haniel，澳大利亚West Cliff，美国Westmoreland，加拿大Donkin-Morien 等为代表的煤矿采用TBM 掘进斜井或平硐，取得了较为理想的效果[2]。我国煤矿全断面掘进工程应用始于2003 年塔山煤矿主平硐。2015 年，张集煤矿使用敞开式TBM 掘进瓦斯抽采巷道，神东补连塔煤矿使用双护盾TBM 施工主斜井[3]。TBM 掘进巷道断面及掘进扰动特性均与传统的钻爆法和综掘法有较大区别。针对煤矿巷道TBM 围岩稳定性分析的问题，唐彬、程桦[4]等依据围岩力学试验结果，建立了煤矿硬岩TBM 掘进条件下非线性强度准则，分析了煤矿硬岩地层TBM 掘进后围岩力学响应规律。黄兴、刘泉声[5-8]等推导了软岩TBM 开挖卸荷挤压大变形本构模型，揭示了TBM掘进隧（巷）道软弱围岩的流变力学特性。蒋明镜、王华宁等[9-10]提出了考虑衬砌结构的圆形巷道围岩力学响应的黏弹性解析解。单仁亮、何川等[11-12]基于数值模拟，研究了TBM 掘进煤矿巷道围岩与衬砌相互作用机理。上述学者多基于连续介质力学理论对巷道围岩稳定性开展分析研究。然而煤系地层节理较为发育，连续介质力学在分析节理、裂隙分布及扩展形态对巷道围岩稳定性的影响、研究巷道围岩损伤、破坏发育扩展规律和巷道冒顶、片帮范围的分布特性等方面具有较大的局限性。为此，基于离散单元法理论，建立考虑节理影响的TBM 掘进煤矿巷道数值模型，开展数值计算，分析节理地层TBM 掘进巷道围岩损伤变形特性，并与现场监测数据对比，为TBM 掘进巷道围岩稳定性分析和支护设计提供理论参考和设计依据。

1 工程概况

1）工程背景。施工巷道为张集煤矿1413A 综采工作面瓦斯抽采巷道，巷道长度1 594 m，巷道断面为圆形，直径4.53 m，埋深-495 m[13-14]。其作用为抽采1413A 综采工作面回采时析出的瓦斯，防止采煤工作面瓦斯超限，确保回采工作的安全。根据现场工程地质条件，综合考虑掘进工作的安全性和TBM设备特点，拟采用锚杆作为巷道支护的主要手段。

2）地质条件。巷道所在地质层位为二叠纪山西组石英砂岩层，砂岩平均层厚27 m，围岩单轴抗压强度80～100 MPa 以上，最高134 MPa。巷道围岩较为完整，地质构造较少，在局部区域存在节理、断层，其中距巷道拨门处150～ 200 m 的一段区域，节理、断层较为发育，极大地限制了TBM 安全、快速掘进。

2 TBM 掘进巷道围岩损伤特性分析

在开展巷道支护设计、确定支护参数前，首先对TBM 掘进巷道围岩损伤特性和破坏型式开展数值分析。随后参考数值计算结果，初步制定巷道支护方案，对易破坏的围岩区域进行重点支护，并在确保支护安全性和巷道稳定性的前提下，减少非必需的支护工作量，以使支护施工速度与TBM 较高的掘进速度相匹配。TBM 掘进巷道局部地层节理构造较多，常用的FLAC、ANSYS 等连续介质力学软件难以模拟节理、断层及围岩的损伤破坏扩展发育过程，因此采用UDEC 离散单元法软件开展数值分析。

2.1 离散单元法数值分析原理

UDEC（Universal Distinct Element Code），即通用离散单元法程序。UDEC 中的基本单元块体各自独立，并通过接触与其他块体相互作用。其通过定义块体及接触的细观力学参数模拟不同材料的力学特性。三角形块体的变形特性由剪切模量G 和体积模量K 表征。而接触的法向刚度kn和切向刚度ks决定着块体接触的变形特征，接触的摩擦角φj、黏聚力cj及抗拉强度则决定块体接触的强度特性。当块体间接触力未超过接触强度时，模型由块体的变形模量和接触刚度产生变形；当接触法向应力超过其抗拉强度时，接触产生拉伸破坏；当接触切向应力超过其抗剪强度时，接触产生拉伸破坏，在模型中表现为相邻块体滑移或脱落[15]。选择Mohr-Coulomb 弹塑性强度准则实现块体的拉伸和剪切破坏。

2.2 石细观参数标定

与其他基于连续介质力学的数值模拟软件不同，UDEC 采用细观参数定义材料的物理力学性能，如式（1）和式（2）[15]：

式中：G 为剪切模量；K 为体积模量；E 为弹性模量；μ 为泊松比。

接触的法向刚度kn和切向刚度ks可由式（3）和式（4）计算得出：

式中：△Zmin为节理两侧块体单元的最小宽度。

对于接触的摩擦角φj、黏聚力cj及抗拉强度，则需开展岩石数值试验进行标定。巷道围岩以粉质石英砂岩为主，通过对现场取芯制取岩石试件，试件直径50 mm，高100 mm，用于岩石单轴压缩试验。随后在UDEC 软件中开展岩石试件，通过试错法，调整岩石细观力学参数，直至岩石宏观物理力学性能与实验室试验结果基本吻合，便可确定数值计算中所需的岩石细观力学参数，岩石细观参数标定如图1。

图1 岩石细观参数标定Fig.1 Calibration of rock micro-parameters

石英砂岩参数如下：

1）宏观参数。①抗压强度σc：105.7 MPa；②抗拉强度σt：5.56 MPa；③体积模量K：23.89 GPa；④剪切模量G：16.54 GPa。

2）细观参数。①法向刚度Ks：362.35 GPa/m；②切向刚度Kn：144.94 GPa/m；③内摩擦角φj：39.0°；④黏聚力Cj：57.76 MPa；⑤抗拉强度σtj：9.63 MPa。

2.3 数值模型

考虑到开挖巷道对周围围岩的影响，参考之前已有的计算经验，确定模型尺寸为30 m×30 m。巷道直径4.5 m，采用三角形块体和Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型进行计算。模型底部施加x、y 轴方向的约束，两侧仅约束x 方向位移，顶部施加荷载，以模拟巷道围岩所受的地应力，巷道几何模型如图2。

图2 巷道几何模型Fig.2 Geometry of numerical roadway model

巷道围岩所在地层有1 组层状节理，在巷道掘进始发点150 m 处，有1 个倾斜的断层。在数值模型中采用crack 命令模拟巷道围岩地质构造。将层状节理简化为1 组倾角为60°，间距为1 m 的crack接触，将断层简化为1 个倾角为320°的crack 接触。

2.4 围岩损伤特征

在数值模拟中，巷道围岩变形量和应力集中程度均较小，但在计算运行后期，顶板围岩在节理处出现断裂，造成倒“V”型顶板垮落，这与掘进施工现场遇到的情况基本吻合，表明数值模拟结果可以真实反映TBM 掘进节理地层巷道围岩的损伤变形特性。巷道围岩损伤特性如图3。

图3 巷道围岩损伤特性图Fig.3 Failure characters of surrounding rocks

3 支护方案优化设计

根据数值模拟结果和巷道施工现场试挖情况可得，巷道围岩以粉质砂岩为主，强度较高，开挖后变形量小。但受层状节理和断层的影响，在局部地层出现顶板垮落情况，而巷道两帮收敛和底鼓情况并不明显。在确保巷道掘进安全施工的前提下，综合考虑支护施工效率和材料消耗量，初步选取对TBM 掘进巷道顶板进行支护的方案。在巷道顶板施工6 根φ20 mm×2 000 mm 高强螺纹钢树脂锚杆，钢筋标号Q345，锚杆力学参数见表1，TBM 掘进巷道支护方案示意图如图4[16-18]。

对照组:应用生物敷料进行创面修复,敷料包含微量元素、类黏蛋白、胶原纤维等,首先对创面进行清理和止血,顺延创面边缘将无生物活性或是焦痂的坏死组织进行清除,经电凝进行止血,应用经稀释后的碘伏进行清洗,用无菌纱布包扎,每隔2天更换一次纱布。

表1 锚杆力学参数Table 1 Rockbolt mechanical parameters

图4 TBM 掘进巷道支护方案示意图Fig.4 Layout of TBM-excavated roadway

4 数值计算结果

使用UDEC 软件，对初步选取的顶板支护方案进行数值模拟，分析支护后巷道围岩位移场、应力场分布演化规律，验证拟采用的支护方案的安全性和可行性。

1）巷道围岩位移分布。巷道围岩位移数值模拟结果如图5，掘进后，巷道底板底鼓量为2.3 mm，巷道帮部围岩水平变形为7.2 mm，巷道顶板围岩下沉量最大值仅为4 mm，巷道围岩位移量较小。

图5 巷道围岩位移数值模拟结果Fig.5 Simulation results of roadway displacement

2）应力场分布。巷道围岩应力数值模拟结果如图6，在开挖掘进后，巷道顶底板出现水平挤压应力集中，顶板水平应力为41.33 MPa，底板水平应力为41.67 MPa。巷道两帮出现了竖向挤压应力集中，巷道帮部围岩最大竖向应力20.9 MPa。应力集中程度不明显。相比其他形状，圆形巷道能够更好地减少应力集中。

图6 巷道围岩应力数值模拟结果Fig.6 Simulation results of roadway stress

3）巷道围岩损伤特性。巷道围岩损伤数值模拟结果如图7。由图7 可以看出，在节理地层TBM 掘进巷道顶板安装锚杆后，顶板围岩垮落的问题已被有效遏制。巷道左侧底角节理交汇处围岩出现围岩损伤，但未出现巷道围岩断裂、剥离。即使有少量围岩剥离，碎岩将沿巷道表面滑落至巷道底板处，而掘进机后配套拖车车轮布置在巷道左下和右下角，因此，巷道侧帮、底板处围岩损伤不会影响正常的掘进工作。现场施工中，可在全断面掘进机掘进的同时清理碎岩，或根据现场条件和需求，对帮部和底板围岩进行加固。避免了围岩断裂、垮落或剥离造成掘进机停机，影响掘进效率的问题。

图7 巷道围岩损伤数值模拟结果Fig.7 Simulation results of roadway failure

5 现场监测

5.1 测站布置

在巷道掘进后，为开展节理地层TBM 掘进巷道围岩稳定性分析，在巷道内布设监测测站。安装收敛计和锚杆测力计，对巷道掘进后收敛变形和锚杆轴力进行监测[19-21]。由于巷道底部需安装排矸带式输送机，因此仅在巷道上半部分安装收敛计测点。每个测站中，在巷道围岩表面安装5 个收敛测点，使用激光测距仪监测测点间的距离变化值。同时采用锚杆测力计对锚杆进行轴力监测，为了不影响风筒和电缆的安装和正常工作，仅在中间4 根锚杆上安装锚杆测力计，监测锚杆轴力变化。每个测站包括5 个收敛位移测点和4 个锚杆测力计，测站布置示意图如图8，图中1～5 为收敛计，用于监测围岩变形，①～④为锚杆测力计，用于监测锚杆轴力。