水平交叉巷道间夹角合理化取值数值模拟

2021-06-21任建东李晓白王文

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年3期

任建东，李晓白，王文

(1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000；2.山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西长治 046000)

0 引言

随着地下深部矿产资源开采、地铁建设和城市地下空间的开发利用，交叉巷道工程项目在矿山、交通和城市地下空间等领域日益增多，交叉段巷道围岩失稳机理和控制技术也逐渐引起人们的重视。交叉段巷道与普通巷道相比，具有巷道顶板悬露面积大，且处于三角应力集中区域，围岩变形破碎、失稳加剧，支护体系强度和围岩强度降低等特点。交叉段巷道施工工序复杂，多次开挖，导致巷道围岩受重复开挖影响更易破碎变形，使交叉段巷道附近围岩变形控制成为工程技术人员面临的难题。曹日红等[1]通过建立不同交叉角度数值模型，引入压剪和拉伸破坏单元安全计算方法，分析巷道围岩变形规律，认为拐角岩柱安全度由外而内呈梯度变化，交叉角度过小不利于巷道稳定；燕晓东等[2]结合马家岩煤矿1号交叉巷道工程，模拟扰动影响下交叉段巷道围岩变形和破坏特征，对不同影响因素下交叉段巷道围岩稳定性进行研究，提出交叉段巷道围岩变形控制技术；张伟等[3]以阳煤五矿交叉段巷道为工程背景，利用ANSYS分析不同交叉角度巷道顶底板应力分布情况，研究认为，交叉点处锐角三角区域内围岩角度和钝角三角区域内围岩角度的比值是判定交叉段巷道围岩稳定性的重要因素；郭志飚等[4]以兴安矿交叉段巷道为背景，研究认为，高地应力、多巷道开挖互相扰动是巷道变形破坏的主要原因，提出锚网索+立体桁架耦合支护作为交叉段巷道围岩变形控制技术；刘京强等[5]以运输石门与调车巷道三岔口交叉段为背景，研究认为，三岔口交叉处锐角三角区域内围岩面积与钝角三角区域内围岩面积的比值是判定三岔口交叉处围岩顶板下沉量、底板底鼓量、应力集中程度、卸压区厚度的重要指标。

综合以上研究发现，目前研究主要集中在交叉段巷道围岩应力变形特征及主要影响因素方面，巷道交叉角度对围岩稳定性的影响并未进行深入研究[6-8]。鉴于此，本文以某煤矿221上工作面运输巷和联络巷交叉段为研究背景，运用FLAC3D模拟相同地质条件和不同交叉角度下巷道围岩顶底板的变形破坏特征、塑性区演化规律，探讨水平交叉巷道间夹角的合理取值，以期为水平交叉巷道设计、围岩支护优化提供参考。

1 工程背景

某煤矿221上综放工作面平均埋深近680 m，位于2-2上煤层中221上04胶带运输巷和221上08辅助运输巷之间的221上08联络巷，是采区通风、运输的主要巷道，顶板向上依次为砂质泥岩、中粒砂岩、粉砂岩，底板向下依次为砂质泥岩和细粒砂岩。巷道煤岩柱状图如图1所示。

图1 巷道煤岩柱状图

221上08联络巷断面形状为矩形，宽5.2 m×高4.9 m，支护方式为锚网喷支护；221上04胶带运输巷和221上08辅助运输巷断面也为矩形，宽5.2 m×高4.9 m，支护方式为锚网索联合支护。221上08联络巷和221上04胶带运输巷间平面夹角为39°(图2)，其中交叉段巷道受工程扰动、地质构造以及应力集中等影响，出现围岩碎胀突出、顶板下沉、底板凸起、两帮收敛等支护难题，严重影响矿井的运输和生产。因此，通过FLAC3D模拟该煤矿巷道相同地质条件、不同交叉角度下围岩变形和塑性区发育，探讨水平交叉巷道间夹角合理取值，以确保交叉段巷道围岩的安全稳定。

图2 水平交叉巷道平、剖面图

2 建立数值模型

以某煤矿221上综放工作面运输巷和联络巷为原型，建立数值模型，模型大小为长100.0 m×宽85.0 m×高33.1 m，在模型中部建有矩形交叉巷道。以工作面221上04胶带运输巷为原型，建立模型中的直巷道，巷道断面大小为宽5.2 m×高4.9 m，长100 m；以工作面221上08联络巷为原型，建立模型中的斜巷道，长48 m。

考虑到数值模拟研究内容，斜巷道以直巷道中心点为原点，沿逆时针依次旋转10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°，分别建立9个数值模型，以达到斜巷道和直巷道呈不同交叉角度的目的。以联络巷和运输巷水平夹角40°为例，建立的数值模型包含301 256个节点和308 912个实体单元，实体单元主要以六面体为主，存在少量的四面体，具体数值模型和交叉巷道示意图见图3。

图3 数值模型和交叉巷道示意图

交叉巷道埋深为680 m，因此，在模型顶部施加80 MPa压力以模拟垂直应力；模型边界条件设置为侧面水平位移约束和底面垂直位移约束；不考虑岩层中断层、褶曲构造应力作用以及重复开挖扰动等影响，开挖前模型处于原岩应力状态；计算收敛准则满足不平衡力比率达到1×10-5的求解要求[9-10]，煤岩体采用Mohr-Coulomb本构模型，具体岩层力学参数见表1。

表1 岩层力学参数

3 模拟结果分析

3.1 水平交叉段巷道顶底板变形特征

对不同交叉角度下的巷道进行开挖模拟，得到10°,20°,30°,40°,50°,60°,70°,80°,90°的巷道顶底板位移变化云图，使用Tecplot后期处理软件，分别做交叉段巷道顶底板的位移切片，对巷道围岩的变形量进行对比，具体如图4～5所示。

图4 不同交叉角度下巷道顶板垂直方向位移云图(单位：m)

由图4中巷道顶板的位移变化(下沉量)和下沉范围可知，顶板的下沉量随着巷道交叉角度的增大大致呈逐渐减小的趋势，其中交叉角在10°～40°时，顶板下沉量较大，20°时顶板下沉范围显著；在>40°～80°时，顶板下沉量和下沉范围逐渐减小，80°时下沉量达到最小值，在>80°～90°时，巷道顶板的下沉量和下沉范围并未发生显著变化。

分析巷道顶板的位移演化特征可知，巷道间交叉角度较小时，顶板悬露面积较大，交叉段巷道间煤柱成为应力集中区，将围岩的压力区与塑性区向上部转移，加剧了顶板的变形破碎，造成交叉段巷道间煤柱难以对顶板进行有效支撑，进而导致产生较高、较大范围的变形破碎区。随着交叉角度增大，巷道间煤柱不断加厚，承载能力逐渐增强，顶板的完整性和稳定性得到一定的保护[11-12]，从而降低了交叉段巷道顶板的下沉量和变形破碎区。

通过在直巷道底板中线位置作竖向位移切片，得到巷道底板垂直方向位移云图(图5)。底板底鼓量随着巷道间交叉角度增大大致呈逐渐减小的趋势，当交叉角度在10°～30°时，交叉段巷道底板破坏范围和程度随着角度增大而明显减小，其中10°时底板变形破坏范围和程度表现较为显著；在40°～80°时，底板破坏范围和程度随着角度增大而减小，其中80°时底板破坏范围和程度较小，在>80°～90°时，底板破坏范围和程度未发生显著变化。

图5 不同交叉角度下巷道底板垂直方向位移云图(单位：m)

由对比分析发现，无论巷道间交叉角度大小如何，巷道最大变形破坏区域都位于两条巷道交叉点处，且变形值均远大于巷道顶底板相对移近量的允许值[13-14]，其中巷道间夹角越小时，应力重新分布过程中越易在底板和煤柱内形成应力集中区，加剧交叉段巷道围岩的破碎程度和支护难度，影响采掘作业的正常进行。因此，为维护交叉段巷道围岩安全稳定，要加强对巷道交叉点处、附近区域顶底板和两帮的支护，特别是巷道间交叉角度较小时，需要加大支护力度和强度。

3.2 水平交叉段巷道塑性区分布演化特征

塑性区大小是判定巷道围岩安全稳定的重要影响因素，为了分析交叉段巷道塑性区分布演化特征，通过编写FLSH程序，提取巷道围岩的塑性区体积以及各种破坏类型，对其进行图形绘制和演化规律分析，具体如图6～7所示。

图6 不同交叉角度下巷道塑性区云图和塑性区体积变化曲线

由图6(a)可知，巷道交叉处顶部塑性区范围随着交叉角增大而减小，并在交叉角度40°时达到稳定。之后，随着交叉角继续增大,巷道顶部塑性区基本不再发生显著变化，说明巷道间夹角较小时，由于支承的煤柱受力面积小，弱化了水平应力对煤柱的剪切作用，主要承受以垂直应力为主的压应力[15-16]，加剧了顶板的破碎变形，导致巷道交叉处在竖直方向形成大面积下沉区。

由图6(b)可知，巷道间交叉角在10°～20°时，巷道围岩塑性区体积随着交叉角增大而增大；在>20°～70°时，巷道塑性区体积随着交叉角增大无显著变化；在>70°～80°时，巷道塑性区体积随着交叉角增大而逐渐减小；在>80°～90°时，巷道塑性区体积随着交叉角增大而增大，并在90°时达到最大值。通过分析图6中塑性区体积变化规律可以发现，巷道间交叉角在10°～80°时，两条巷道产生的塑性区体积大致相等，且体积相差不超过1%。

由图7可知，巷道围岩塑性区中已发生剪切破坏的体积随着巷道间交叉角增加而增大，并在90°时达到最大值；随着交叉角增大，正发生剪切破坏的体积在10°～30°时逐渐扩大，在>30°～60°时无显著变化，在>60°～80°时逐渐减小，在>80°～90°时逐渐增大；随着巷道间交叉角增大，已发生拉伸破坏的体积未发生显著变化；正发生拉伸破坏的体积由于比例很小，并未在柱状图中显示。由图6(b)塑性区体积变化曲线可知，已发生剪切破坏的体积在巷道间交叉角70°～90°时随着交叉角增加而增大，正发生剪切破坏的体积随交叉角增大先减小后增大，由此可以推断，巷道围岩塑性区体积在夹角70°～90°时产生波动主要受正发生剪切破坏的影响，使80°时巷道围岩塑性区体积明显变小。

图7 不同交叉角度下巷道塑性区破坏类型及比例分布

为了分析各种破坏类型所占塑性区体积比例，将巷道间交叉角在10°～90°时，同一破坏类型塑性区体积进行平均，得到破坏类型占比饼状图，如图7所示，其中已发生剪切破坏、正发生剪切破坏、已发生拉伸破坏、正发生拉伸破坏的体积分别占塑性区总体积的72.60%，20.70%，6.65%，0.05%；剪切破坏体积占塑性区总体积的93.30%，表明交叉段巷道围岩发生破坏的类型主要为剪切破坏。

3.3 巷道间交叉角对围岩地质环境的影响

巷道间交叉角的变化引起围岩的弱面结构和岩性改变，对交叉段巷道围岩的稳定性有着较大影响。随着巷道间交叉角减小，巷道交叉处顶板的悬露面积会逐渐增大，在巷道围岩应力重新分布过程中，围岩上方的岩层受拱形力效应而处于水平挤压状态，导致过多悬露的顶底板因悬空或支撑不足而处于拉应力状态，而在拉应力作用下的围岩断层、裂隙带空间会被逐渐扩大，当作用力超过围岩自身强度极限后，巷道围岩顶底板便会产生垮落、张裂、凸起等变形破坏，从而导致围岩顶底板产生变形，据此可以认为，随着交叉巷道顶底板悬露面积扩大，对应顶底板的变形量也会增加。

由交叉段巷道顶底板的位移演化规律可知，随着巷道间交叉角减小，顶底板的变形量逐渐增大。由上述分析可知，交叉段巷道顶底板变形量随着围岩悬露面积增大而增大，巷道间交叉角变化对巷道围岩地质环境的改变有着较大影响，实际上交叉段巷道围岩顶底板岩层受到构造应力、岩层非均质性、天然断裂构造以及损伤结构面等作用，产生的破坏变形规律远比上述分析复杂得多。

4 现场监测

4.1 现场监测方案

在某煤矿掘进221上综放工作面胶带运输巷和联络巷交叉段时，选取围岩条件较差、掘进断面面积大的交叉段巷道进行监测。根据交叉段巷道围岩支护方案，从巷道中心线交叉点开始，每隔18～20 m布置1个监测断面，断面编号依次为A1，A2，A3，并在交叉段巷道永久支护后，在监测断面处采用“十字布点法”布置表面位移监测点，对交叉段胶带运输巷顶板下沉量进行监测，巷道监测断面和监测点布置如图8所示。

根据图8中交叉段巷道断面位移监测方案的设计，每个监测断面布置4个监测点：顶板A点、底板B点、煤柱帮C点和回采帮D点；4个点位分别布置木桩，将带有线绳的钢钉钉在木桩中心以作为测点，并保证顶底板中线与两帮中线垂直；为防止底板测点被毁坏，将其布置在底板表面下方50 mm处；测点布设完成后做好标记，施工中注意保护，以确保监测数据的可靠性和准确性。

图8 巷道监测断面及监测点布置示意图

4.2 现场监测结果

结合某煤矿221上综放工作面交叉巷道施工进度和监测方案，随着交叉段巷道掘进，于2018年7月20日在胶带运输巷(直巷道)布设3个监测站，每隔3～4 d对测站布点进行顶板下沉量和底板底鼓量的观测和记录，7月20日至8月18日期间共监测记录7次数据，随后进行整理和分析。考虑到胶带运输巷与联络巷间夹角为39°，将模拟得到夹角40°时的交叉段巷道顶底板中线位移切片云图、变形曲线与监测时段内胶带运输巷顶底板累计位移变化曲线进行对比，得到顶底板位移变化曲线与中线位移切片云图，如图9所示。

图9 巷道顶底板位移变化曲线与中线位移切片云图

由图9(a)可知，巷道向前推进过程中，受交叉段围岩支承压力区和顶板卸压区互相叠加作用，应力叠加范围逐渐扩大，应力集中程度不断增高，与此同时，交叉段巷道间的煤柱也随之变厚，煤岩柱承载能力增强，煤柱的应力叠加范围及集中程度逐渐削弱，致使巷道自交叉中心推进过程中，顶板下沉量呈现先增大后减小的趋势，与模拟得到的顶板位移变化云图特征一致；交叉段巷道底板变形规律与顶板一致，不再赘述。为更加准确地反映交叉段巷道围岩在垂直方向上的位移变化特征，在巷道间夹角40°的数值模型中，沿巷道顶底板中线作Z向位移切片云图(图9(b))，巷道实测变形规律与交叉段巷道围岩顶底板位移云图、模拟曲线变化特征一致，较好地反映了交叉段巷道围岩变形的时空演化特征。数值模拟试验中交叉段巷道围岩表现出的位移变化特征与现场监测得到的位移演化特征相一致的情况，表明数值模拟试验采用的地质参数准确、研究方法合理、试验结果可靠，可以真实反映交叉段巷道围岩变形规律。

5 巷道间夹角大小选择探讨

根据现场监测和数值分析结果，可确定数值模拟的合理性和可靠性，但要将试验结果应用于现场，还需要根据工程实际作进一步讨论。

由数值分析可知，随着巷道间交叉角增大，巷道顶板下沉量和底板底鼓量在10°～90°时大致呈逐渐减小趋势；在80°和90°时，巷道顶板下沉量和底板底鼓量及变形范围相对较小；交叉段巷道围岩塑性区体积在交叉角10°和80°时较小，90°时最大。分析影响巷道支护效果的因素，可知围岩的变形量、变形范围以及塑性区体积越小，前期支护以及后期维护相对越容易[17-18]，支护效果也越好。但巷道间交叉角越小，两条平衡巷道间的联络巷掘进工程量越大，工程费用也会随之越高。因此，结合数值分析和工程实际，认为在该煤矿地质条件下水平交叉巷道间夹角为80°～90°时，围岩的变形量、塑性区体积以及实际工程量相对较小，是水平巷道间交叉角设计的合理选择值。