张明泉 吴吉南 田 多

(1.中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036006;2.华北科技学院安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

煤矿主运大巷道的布置，往往是由煤层的赋存状态所决定的，随着煤矿的兼并与重组的推进，区域内布置间距较小的巷道群的概率大大增加。对于巷道群而言，在围岩状况、断面形状和尺寸、施工方法、爆破震动等因素的制约下，新巷道的掘进往往会改变邻近巷道的受力状态。鉴于问题的复杂性，很难采用理论分析的方法对施工扰动效应下的巷道群力学行为进行分析，因此，本文结合潘家窑矿煤道群的现场实际，采用FLAC3D数值模拟软件建立一系列分析模型，对邻近巷道开挖影响下围岩稳定性进行了数值计算与分析研究，相关结论可为类似条件下的巷道群围岩变形控制提供理论参考和技术借鉴［1，2］。

1 工程概况

为了响应山西省煤矿企业兼并重组的号召，潘家窑矿参照有关规定，对本矿开拓系统进行重新设计，最新设计为:刷大原有小断面巷道包括4#煤回风大巷和4#煤辅运大巷(两大巷的净间距约30 m)，并在两大巷之间开掘新的主运大巷。主运大巷开掘之后，3条大巷之间的净间距(保护煤柱宽度)仅有15 m左右，见图1。在这样的小煤柱条件下进行刷扩、新掘巷道，在国内还未见报道［3～5］。显然，对巷道的施工和支护设计都是个挑战性的课题。

潘家窑4#煤层，赋存结构简单，一般含有夹矸2～4层，井田南部分叉为4－1、4－2煤层，局部或全层风氧化，全井田分布为稳定可采煤层。煤厚3.76～15.20m，平均为8.76m。巷道顶板岩层为:上部为中细砂岩与深灰色砂质泥岩、粉砂岩互层，中夹蓝灰色泥岩及耐火粘土矿层，底部为灰白色中粗砂岩，粒度向下变粗，有时含砾为K3标志层，有时含有1～3层不稳定薄煤层。直接顶中粗砂岩的单轴抗压强度取为35 MPa，直接底为泥岩的单轴抗压强度为20 MPa，4#煤层抗压强度按照矿区相关报告取为5.8 MPa。巷道断面形状设计为矩形，巷道围岩力学参数详见表1。

图1 刷扩、新掘巷道示意图

表1 计算断面地质参数表

2 FLAC3D数值计算模型

对刷扩和新掘煤巷进行数值模拟并计算其稳定性，主要是刷大现有小断面巷道(原4#煤胶带大巷刷大为4#煤辅运大巷、原4#煤辅运回风大巷刷大为4#煤回风大巷)的影响，以及新掘4#煤主运大巷对两边既有的新刷大的4#煤辅运大巷和4#煤回风大巷造成的影响。

几种可能的工况为:①工况1—回风大巷沿顶板，辅运大巷沿顶板;②工况2—回风大巷沿顶板，辅运大巷沿底板;③工况3—回风大巷沿顶板，辅运大巷沿底板，主运大巷沿顶板;④工况4—回风大巷沿顶板，辅运大巷沿底板，主运大巷沿底板;⑤工况5—回风大巷沿顶板，辅运大巷沿顶板，主运大巷沿顶板;⑥工况6—回风大巷沿顶板，辅运大巷沿顶板，主运大巷沿底板。

模型水平尺寸为:长×宽×高=82 m×30 m×117 m。岩体和煤层采用Mohr－Coulomb模型;锚杆和锚索采用cable单元。支护结构的材料参数如表2。计算模型共计16100个单元，18612个网格点。

计算中的所有边界均为位移边界条件，其中模型上表面为自由边界，下表面方向为z方向位移固定，左右边界为 x、y 方向位移铰支［6，7］。巷道模型采用一次全断面开挖，根据拟建巷道的不同设计位置，分别对六种工况进行模拟计算，从位移、锚杆受力、垂直应力、塑性破坏等进行分析。

表2 支护结构材料参数表

3 计算结果分析

3.1 巷道围岩位移分析

开挖主运大巷前，工况一的辅运大巷顶板最大下沉为40.2mm，底板最大隆起为126.7mm;工况二的辅运大巷顶板最大下沉141.4 mm，底板最大隆起为111 mm，且其左右两帮最大位移为42.2 mm。

开挖主运大巷后，巷道沿顶板的工况下，巷道顶板最大下沉49.8 mm;其中工况五的辅运大巷底板最大隆起为126.2 mm;工况四的主运大巷两帮最大位移为43.8 mm。综合来看，工况五的回风大巷、辅运大巷的顶底板位移较大，可见开挖中间主运大巷之后对两边巷道顶底板位移影响较大。计算位移数据如表3所示。

表3 监测位移数据对比

3.2 锚杆、锚索受力分析

由于各巷道顶板均有锚索承担较大应力，因此各巷道锚杆最大轴力均出现在两帮的锚杆上。在各巷道的两帮锚杆中，存在最大应力的锚杆往往出现在顶角处。开挖中间主运大巷之前，锚杆的最大应力出现在工况2回风大巷的左帮最下一根，最大应力为12.71t;开挖中间主运大巷之后，各巷道锚杆应力相应变小，最大锚杆应力出现在工况6主运大巷左帮上数第二根，最大应力为11.92t。具体见图2。

顶板中间锚索的应力值较大的有:(1)工况2为7.31t，出现在辅运大巷(右边巷道)，见图2;(2)工况3为4.395 MPa，出现在辅运大巷;(3)工况4为11.58t，出现在主运大巷(新掘主运大巷)。

两帮锚索的应力值较大的有:(1)工况1为29.5 t，出现在回风大巷(左边巷道);(2)工况2为30.37 t，出现在回风大巷;(3)工况5为20.89 t，出现在回风大巷;(4)工况6为21.03 t，出现在回风大巷。由此可见，锚索应力较大的情况集中在工况二中的回风大巷。开挖主运大巷之后，左辅运大巷的锚索应力相应变小。因此工况2、工况3和工况4的锚杆受力较大，工况5和工况6锚杆锚索受力较小的三条巷道锚杆锚索受力状况较好，锚杆最大受力状图如表4。

图2 锚杆应力图

表5 各大巷最危险断面的锚杆最大应力(t)

3.3 SZZ垂直应力分析

未开挖主运大巷时，在工况1的最大垂直压应力都出现在各巷道两帮附近，最大为6.4 MPa。

开挖主运大巷之后，(1)最大垂直压应力都出现在各巷道两帮附近，工况4最大垂直压应力为7.1 MPa，出现在的主运大巷左帮;见图3。开挖主运大巷后，两帮附近的垂直压应力相应增大。主运大巷的开挖对两边巷道的两帮附近应力有一定的影响，垂直应力的增幅在10%左右。

3.4 塑性区分析

从前5个工况的塑性区分析来看，各巷道两帮的剪切破坏比较严重，剪切破坏也主要集中在巷道两帮。底板附近，尤其是底板中间部位存在拉伸破坏，拉伸破坏的范围在0.8～1.2 m左右。在巷道沿底板的工况下，顶板中间附近存在拉伸破坏，范围在1.2～1.3 m左右。

与其他工况相比，工况6的塑性区呈现出最不利的情况，见图4。回风大巷两帮、主运大巷两帮、辅运大巷两帮的剪切破坏比较严重;回风大巷底板和主运大巷顶板存在剪切破坏和拉伸破坏，辅运大巷底板拉伸破坏比较严重，范围都在1.32 m左右，其中辅运大巷底板中间拉伸破坏范围较大，在2.7 m左右。因此应淘汰方案6。

图3 工况6的SZZ垂直应力分布

图4 工况6的塑性区分布

4 结论

1)由位移分析可知，开挖主运大巷之前，先期刷扩的巷道的底板最大隆起为126.7 mm，顶板最大下沉为141.4mm，两帮位移最大为42.2mm;开挖主运大巷之后，先期刷扩的巷道的底板最大隆起为125.5 mm，顶板最大下沉为152 mm，两帮位移最大为43.8 mm。

2)由锚杆受力分析可得，开挖主运大巷之前，左右两侧巷道的锚索应力较大，达到30t左右，开挖主运大巷之后，左右两巷道的锚索应力出现较大幅度减小的现象，其中工况5的锚杆受力状况较好。

3)SZZ垂直应力分布分析可看出，主运大巷开挖前和开挖后，垂直应力分量差别不大，压应力主要集中在主运大巷的两帮。巷道的塑性区分析可知工况6的围岩状况恶化，综合考虑选择工况5，即回风大巷沿顶板，辅运大巷沿顶板，主运大巷沿顶板。

［1］ 肖红飞，何学秋，冯涛，等.基于FLAC3D模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律的研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(5):812－817

［2］ 杨仁树，朱衍利，吴宝杨，等.大倾角松软厚煤层巷道优化设计及数值分析［J］.中国矿业，2010，19(9):73 －77

［3］ 谢和平，周宏伟，王金安，等.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析［J］.岩石力学与工程学报，1999，18(4):397 －401

［4］ 漆泰岳，陆士良，高波.FLAC锚杆单元模型的修正及其应用［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(13):2197 －2200

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［7］ 陈育民，徐鼎平.FLAC3D基础工程与实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2008