1、1邻近巷道群开挖顺序优化数值模拟研究摘要：本文以三河尖矿轨道大巷、运输大巷、回风大巷组成的巷道群为条件，进行了三条大巷不同开挖顺序时巷道垂直应力、围岩位移、围岩塑性区的模拟对比分析，得出了最佳的开挖顺序为胶带机大巷回风大巷轨道大巷，并进一步优化了围岩稳定的控制方案。 关键词：邻近巷道群 开挖顺序 数值模拟 围岩稳定 1 模型建立 本次模型以三河尖煤矿东一-1000m 水平 11-2 南盘区轨道大巷、胶带机大巷和回风大巷组成的巷道群为模拟条件，巷道位置关系如图 1 所示。模型尺寸为长宽高=160m50m120m，共 267280 个单元。巷道断面形状为直墙半圆拱形，巷道设计尺寸：宽 5400mm
2、，拱高 2900 mm，边墙高 2600mm。 模型上边界按上覆岩层厚度施加均布载荷，下边界垂直位移固定，左右两侧水平位移固定。模型采用的围岩本构关系为摩尔-库仑模型。计算模型如图 2 所示，岩石相关力学参数参照表 1。模型上部边界至地表范围内围岩以均布载荷的形式加在上部边界，载荷大小为 P=25MPa。 2 开挖顺序对比分析 2.1 模拟方案 结合现场实际情况和矿区岩石力学参数，具体的开挖方案见表 2。 2.2 结果对比分析 22.2.1 垂直应力。针对六种开挖方案，对其进行数值计算，达到平衡后所得到的垂直应力云图，其工程部位的垂直应力见表 3。可以看出：方案二、四、五、六中轨道大巷和胶带机
3、大巷的集中应力区相互连接，而回风大巷开挖后产生的集中应力不受轨道大巷和胶带机大巷开挖的影响。巷道开挖后，垂直应力向两帮转移，导致帮部应力的集中，造成两帮破坏。六种开挖方案中三条巷道的帮部均有应力集中现象。虽然方案一、三的轨道大巷和胶带机大巷的应力集中并未连在一起，但轨道大巷的应力集中程度却是最高的，其最高集中应力的范围在 3940Mpa，不利于轨道大巷围岩的稳定。方案一和方案三产生了较大的垂直拉应力区，表明在开挖过程中巷道受到较大的影响。尤其是胶带机大巷，受回风大巷开挖时的应力扰动影响，巷道围岩产生的拉应力区最大，不利于胶带机大巷的维护。 2.2.2 围岩位移。方案一、三中胶带机大巷受轨道大巷
4、开挖的影响，底臌量和拱顶下沉量最大，范围在 565.18mm-749.44mm，但回风大巷和轨道大巷的底板和顶拱的位移量值相对较小。方案二、四、六中巷道的位移量都在 300mm-500mm 范围内，仅有个别超出此范围；方案五中三条巷道的位移量都在 200mm 左右，对比其他几种方案其位移量是最小的。围岩位移总体较大，以底臌最为显著，在底板中心处位移变形量最大，主要是由垂直巷道轴向的位移组成；其次是拱顶中心下沉的位移，主要是垂直方向的位移构成；再次是边墙，上边墙到下边墙逐渐减少，底角处位移值最小。 2.2.3 围岩塑性区分析。巷道群开挖完毕后，由于二次应力场的3差异，各部位的围岩稳定状态也有所不
5、同，整个破损区的破坏范围、大小、分布特征也不同。方案一、三的胶带机大巷围岩塑性区分布很大，六种开挖方案中轨道大巷塑性区分布最小，由于高地应力以及二次应力场的扰动，巷道群底板破坏最为严重。巷道群主要以剪切破坏为主，破坏形状大致相似，两帮的塑性区破坏规律是从上到下依次增大再减小，在两帮中心处破坏范围最大，两帮与底板交界处破坏范围最小。 3 围岩稳定控制模拟分析 3.1 模拟方案 结合现场实际情况和支护参数选取要求，计算分析巷道开挖后在锚杆索支护和架棚支护状态下围岩移近量、塑性区分布、围岩应力分布特征。 3.2 结果对比分析 应力场分布。从两种方案状态下水平应力分布来看，锚杆索共同作用下顶板 6.0
6、m 范围内基本维持在 30MPa 左右，其最高应力值达到了 34.5MPa，略高于无支护状态。架棚作用下与锚杆索作用相似，其最高应力值达到 33.6Mpa，而无支护状态下顶板水平应力基本在30-33MPa 之间。分析认为在无支护条件下，顶板没有得到强有力的支撑，没有形成整体结构，导致围岩应力释放，释放的同时产生位移。支护构件轴力分布。通过对方案一和方案二的轴力进行分析可知，锚杆索支护和架棚支护都发挥了很好的作用，锚杆在围岩起到了拉伸的作用，U 型钢在控制围岩过程中左肩角和右帮受到拉力作用，而右肩角和左帮受到压力作用。塑性区分布。对于塑性区分布，采用不同支护方案以后，首先是拉伸应力区域的消除。锚
7、杆索支护中依然以剪切破坏为主，但在底板中心处有了较大的拉伸破坏，说明锚杆索有效控制了顶板的作用，4使其应力较少的传递到底板，很好的保持了围岩的整体结构。架棚支护中顶板及两帮的塑性区范围明显减少，但左帮大于右帮的塑性区范围，而底板及底角处的塑性区与锚杆支护相似，分析得知偏载的出现是由于高地应力在深部矿井巷道开挖中二次应力扰动所导致，所以在实际巷道支护过程中，应该注意左帮的加强支护及控底技术的应用。 4 结论 深部高应力作用下，巷道应力集中系数高、总体位移量大、塑性区分布规律明显：三条大巷最大水平应力达 35.865MPa、最大垂直应力接近 40MPa；两帮位移量最大达 780mm，顶底板移近量最
8、大达 1380mm；巷道以剪切破坏为主，两帮塑性区破坏从上到下依次增大再减小，两帮中心处破坏范围最大，两帮与底板交界处破坏范围最小。在高地应力和多次应力场的扰动作用下，轨道大巷开挖对回风大巷和胶带机大巷围岩稳定影响很小，且胶带机大巷在回风大巷应力扰动影响下巷道围岩产生的拉应力区最大，由此决定最终的开挖顺序为胶带机大巷回风大巷轨道大巷。两种支护方案模拟分析结果表明，锚杆索联合支护和架棚支护均可有效加强围岩的强度和稳定性，但架棚支护进一步缩小了顶板及两帮的塑性区分布范围，因此，在遇到断层破碎区域采用架棚支护，控制效果更佳。 参考文献： 1王光灿.浅谈隧道监控测量J.中小企业管理与科技（上旬刊） ，2010（01）. 2张春宇，张铁柱.绥芬河市新华街隧道围岩稳定分析J.价值工5程，2012（05）. 3赵震英，叶勇，肖明.大型洞群开挖围岩稳定研究J.人民珠江，1996（02）. 作者简介：褚夫贺，山东微山县人，采矿助理工程师，2008 年 9 月工作于徐州矿务集团三河尖煤矿，现任掘进二区副区长兼技术主管。
