TBM掘进煤矿深井巷道支护方案优化实践

摘要：针对煤矿深井巷道TBM掘进施工中围岩支护方案少有规范可供参考，支护施工需同时兼顾支护强度和支护施工速度等问题，根据煤矿深部地层岩层物理力学性质和地应力场参数等工程地质条件，开展TBM掘进巷道数值模拟，获得不同支护方案下围岩应力场、位移场演化规律，优选合理支护方案，并在TBM掘进煤矿深井巷道工程实践中应用。工程现场监测数据表明，巷道开挖后第70d，顶板下沉量和两帮收敛量停止增加，锚杆轴力停止增长，所采用的支护方案满足巷道围岩稳定性控制的需要。

关键词：煤矿岩巷数值模拟支护方案现场监测

中图分类号：TD35

OptimizationPracticeofDeepMineRoadwaySupportSchemeinTBMMining

ZHANGFenglin1TANGBin1*SHENRenwei2LIHongliang2ZHANGPengtao2CHENGJinyi2LIUZhenyu1HOUJunling3

1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，Huainan，AnhuiProvince，232001China;2.HuainanMiningIndustry（Group）Co.，Ltd.，Huainan，AnhuiProvince，232001China;3.SchoolofVanadiumandTitanium，PanzhihuaUniversity，Panzhihua，SichuanProvince，617000China

Abstract：AstherearefewspecificationsforthesurroundingrocksupportschemeintheTBMexcavationconstructionofdeepmineroadwayforreference，thesupportconstructionneedstotakeintoaccountbothsupportstrengthandsupportconstructionspeed，etc.Accordingtoengineeringgeologicalconditionssuchasphysicalandmechanicalpropertiesofrockstrataandgeologicalstressfieldparametersindeepcoalmine，numericalsimulationofTBMexcavationroadwayiscarriedoutinthisarticle，toobtaintheevolutionlawsofthesurroundingrockstressfieldanddisplacementfieldunderdifferentsupportschemes，andareasonablesupportschemeisselectedandappliedindeepmineroadwayengineeringpracticeofTBMmining.On-sitemonitoringdatashowthatonthe70thdayaftertunnelexcavation，theroofsubsidenceandconvergenceofthetwosidesstopincreasing，andtheaxialforceoftheanchorrodstopsincreasing.Thesupportschemeadoptedmeetstheneedsofthestabilitycontrolofthesurroundingrockoftheroadway.

KeyWords：Coalmine;Rockroadway;Numericalsimulation;Supportscheme;Fieldmonitoring

深部煤矿巷道建设过程中普遍存在高地应力，高地应力易导致深部巷道围岩发生大变形、强度失稳等现象[1]。为防止深部煤矿巷道围岩因大变形而发生破坏，需采用满足控制巷道围岩稳定性要求的支护方案。

锚杆锚索支护是一种快速、经济的支护工艺，常被采用在巷道围岩支护的施工中。针对锚杆、锚索支护条件下巷道围岩稳定性的研究，众多学者通过数值模拟和现场实测等研究方法研究锚杆、锚索支护条件下的巷道围岩应力场、位移场的演化规律。例如：刘海雁等人[2]采用正交数值模拟方法，提出多指标的巷道锚杆支护正交设计矩阵分析方法；赵呈星等人[3]提出一种“混凝土喷射+注浆锚杆/锚索+普通锚杆/锚索”联合支护方案，并采用FLAC3D进行数值模拟验证该支护方案的合理性和可靠性；唐彬等人[4-6]采用UDEC离散元模拟软件模拟了巷道无支护与两种有支护情况下的开挖扰动行为，同时提出了以锚网支护为主的TBM掘进巷道支护形式与设计方法。

本文以淮南矿区某矿井瓦斯综合治理巷为工程背景，采用FLAC3D软件对3种不同支护方案的巷道围岩进行数值模拟，研究不同支护方案下巷道围岩的强度和稳定性，确定最优支护方案。

1工程概况

某矿井瓦斯综合治理巷设计标高为-877.6至-739.8m，设计工程量为3102.4m。巷道巷底距11-3煤、11-2煤顶板法距分别为22.4～55.4m、27～60m，巷顶距12煤、13-1煤底板法距为3.9～37.5m、11.9～45.4m。巷道整体地层较平缓，倾角∠2～12°、平均5°，11-2煤厚0.4～3.4m，平均2.8m，13-1煤厚1.8～4.1m，平均2.8m。根据周边巷道实际揭露资料、勘探钻孔及地质前探孔资料分析，施工中预计揭露岩性为砂质泥岩、花斑泥岩、粉砂岩、砂岩、泥岩等。

2数值模拟分析

2.1模型建立

采用FLAC3D建立三维巷道模型。考虑到巷道开挖仅对距中心点３～５倍巷道最大半径范围内围岩有影响，因此几何模型尺寸取开挖半径的5倍以上[7]。模型尺寸为40m×48m×40m，巷道开挖方向为正Y方向，开挖直径为4.5m。围岩采用实体单元zone单元建立，锚杆、锚索采用锚结构单元cable单元建立[8]。模型的单元数为99840，节点数为101969。围岩的结构模型采用弹塑性本构模型，破坏准则为摩尔-库伦强度准则[9]。

2.2参数选取

2.2.1围岩物理力学参数

巷道围岩主要为砂岩。对现场围岩进行取样、制样，进行室内试验测得其各项物理力学参数。具体力学参数如表1所示。

2.2.2锚杆和锚索物理力学参数

锚杆采用MSGLW-400型高强锚杆，直径为22mm，长为2500mm；锚索采用SKP22-1/1860/6300mm型矿用锚索，直径为22mm，长为6300mm。锚杆、锚索物理力学参数如表2所示。

2.3边界条件及初始应力场平衡

模型底面采用限制Z方向位移的位移边界条件， X边界面、Y边界面及顶面采用应力边界条件，应力边界条件由巷道所处地层的地应力场确定。

根据地应力场，并将最大、最小主应力分解到X、Y方向，最终确定在X边界面上施加的应力边界条件大小为23.9MPa，在Y边界面上施加的应力边界条件大小为12.7MPa，在顶面上施加的初始地应力为14.3MPa。

2.4数值模拟方案

根据TBM掘进巷道支护施工经验和某矿井瓦斯综合治理巷道的工程地质条件，初步拟定3种备选支护方案，具体如表3所示。

2.5数值模拟结果分析

2.5.1应力分析

3种支护方案下的水平方向及竖直方向的应力云图如图2、图3所示。3种支护方案均产生了应力集中现象，且均表现为水平应力集中在巷道的顶板和底板，竖直应力集中在巷道的两帮。其中，方案一最大水平应力约为39.5MPa，最小水平应力约为2.5MPa，最大竖直应力约为32.2MPa，最小竖直应力约为2.7MPa；方案二相比于方案一，减少了锚索数量，其最大水平应力约为50.8MPa，最小水平应力约为3MPa，最大竖直应力约为43.3MPa，最小竖直应力约为3.3MPa；方案三相比于方案二提高了锚杆预紧力，其最大水平应力约为43.2MPa，最小水平应力约为2.6MPa，最大竖直应力约为35.9MPa，最小竖直应力约为3MPa。

2.5.2位移分析

3种支护方案下巷道的水平方向及竖直方向的围岩变形云图如图4、图5所示。3种支护方案下的巷道围岩水平方向变形主要发生在巷道的两帮，竖直方向位移主要发生在巷道的顶板、底板处，同应力云图应力最大值位置保持一致。其中，方案一巷道两帮的收敛量为44.8mm，顶板下沉量约为18.1mm，底板变形为13.6mm；方案二巷道两帮的收敛量为59.8mm，顶板下沉量为26.3mm，底板变形为19.8mm；方案三巷道两帮的收敛量为50.6mm，顶板下沉量约为21.3mm，底板变形为16mm。

2.5.3塑性区分析

3种支护方案的塑性区分布如图6所示。3种支护方案的塑性区均产生在巷道周围，其中，方案一塑性区面积最小，且均为巷道围岩剪切破坏形成的塑性区；支护方案二塑性区面积更大，且同时存在围岩剪切破坏和拉伸破坏形成的塑性区；支护方案三塑性区面积介于方案一、二之间，且只存在围岩剪切破坏形成的塑性区。

综上所述，支护方案一的支护效果最为显著，其围岩的应力集中程度最小，巷道断面变形量最小且塑性区面积最小。由此可见，增加锚索和提高锚杆预紧力均可有效控制围岩变形和塑性区扩展发育。但现场施工中，提高锚杆预紧力需相应增大锚杆螺母扭矩，施工中常出现减摩垫片提前损坏而无法继续增加螺母扭矩和锚杆预紧力的情况，现场操作难度较大。相比之下，方案一增加2根锚索，施工难度更低，施工过程中返工极少，且支护效果略优于方案三。因此选择支护方案一作为工程现场的支护方案。

3TBM掘进煤矿深井巷道支护工程实践

3.1巷道监测方案

现场监测内容包括锚杆轴力监测和巷道围岩变形监测，锚杆轴力采用振弦式锚杆测力计进行测量，巷道围岩变形采用激光测距仪进行测量。测点布置方面，每个监测断面布置4个锚杆轴力监测点和两个分别用于测量巷道断面顶板下沉量和两帮收敛量监测点，具体测点布置见图7所示。

3.2监测结果

3.2.1巷道围岩变形

巷道围岩变形监测结果如图8所示。在巷道开挖后的30d内，巷道围岩变形速度较快，巷道开挖后20d左右变形速度开始逐渐变慢，巷道开挖后第70d，顶板下沉量和两帮收敛量停止增加。巷道顶板下沉量约为52mm，两帮收敛量约为84mm。巷道断面收敛监测结果表明支护方案一的支护方案可以满足围岩变形控制的要求。

3.2.2锚杆轴力

锚杆轴力监测结果如图9所示。4个测点锚杆轴力变化趋势与巷道围岩变形趋势基本保持一致。在巷道开挖70d后，锚杆轴力停止增长，1～4号监测点的锚杆轴力分别为：123.72kN、67.8kN、157.79kN、116.04kN。巷道锚杆轴力监测结果表明巷道围岩应力已基本稳定且没有发生强度破坏，支护方案一的支护方案可以满足围岩稳定性控制的要求。

4结论

本文使用FLAC3D有限差分法数值模拟软件，建立煤矿深部地层TBM掘进巷道数值模型。根据以往施工经验，初步选定三种支护方案，开展数值模拟。获得不同支护条件下巷道围岩位移场、应力场和塑性区分布规律。根据数值模拟结果，优选支护方案，并在TBM掘进巷道开展现场监测，获得了TBM掘进巷道围岩变形和锚杆轴力演化规律。得出结论如下。

（1）TBM掘进巷道中，增加锚索和提高锚杆预紧力均可有效控制围岩变形和塑性区扩展发育。但现场施工中，提高锚杆预紧力需相应增大锚杆螺母扭矩，现场操作难度大，返工率较多。而增加2根锚索施工难度较低，且支护效果略优于提高锚杆预紧力。因此优选增加2根锚索的支护方案。

（2）巷道开挖后，巷道表面围岩卸荷，应力集中区域向围岩深部转移。3种支护方案中，增加锚索可有效扩大在围岩深部的锚固范围，应力集中范围较小，对围岩变形控制效果最好。

（3）现场监测结果与数值模拟结果基本一致，验证了数值模拟的准确性。监测结果表明：巷道开挖初期，围岩变形、锚杆轴力增长较快。30d后增幅减慢。70d后，巷道围岩变形与锚杆轴力基本趋于稳定。表明所采用的支护方案满足实际工程控制围岩稳定性的要求。

参考文献

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