王 涛

(山西西山煤电股份有限公司，山西 太原 030053)

长期以来，巷道间掘进扰动一直是煤矿开采中突出难题，随着开采深度的增加，掘进扰动效应愈加强烈[1]. 在矿山建设中，不少硐室及巷道布置得较近，形成了较为密集的硐室群[2]. 深井巷道群掘进过程中，由于开挖顺序的不同，每条巷道的开挖应力释放都有变化，围岩的应力状态也会因此产生差异，岩体的破坏状态也会不一样[3].

本文以非对称的“品”字形巷道群为研究对象，根据排列组合方法共设计了6种开挖方案进行对比计算，得出在既定的巷道空间相对位置条件下，不同的开挖顺序对巷道群整体围岩稳定性的扰动程度，以求得到最佳掘进顺序。

1 模型的建立

本节数值分析以某矿-648 m 6煤底板专用回风巷、胶带机上山、底板回风上山组成的巷道群为工程背景条件，巷道位置关系见图1.模型尺寸为X100 m×Y10 m×Z60 m. 巷道断面形状为直墙半圆拱形，巷道设计尺寸宽6 m×高5 m.数值分析模型图见图2.

图1 巷道群平面图

图2 数值分析模型图

模型采用摩尔-库伦屈服准则，左右、前后及下边界均设定为位移固定约束条件，上边界为应力边界，按上覆岩层厚度施加均布载荷。岩石相关力学参数参照表1选取。

2 模拟方案

结合所选巷道群相对位置分布非对称的特点，根据排列组合共设计6种掘进方案，可分为3组：先中间后两边(方案1、2)，先两边后中间(方案3、4)，依次掘进(方案5、6)，掘进方案见表2.

表1 围岩物理力学参数表

表2 3条巷道开挖顺序表

3 模拟结果分析

1) 应力场分析。

a) 水平应力场。

巷道群掘进后，各种方案的水平应力等值线图见图3，图4，图5.

从图3，4，5可以看出，总体分布特征无较大变化，整体形态基本相似。3条巷道在顶底板区域均形成了高值应力区，由于底板专用回风巷距离较远，并未与另外两条巷道应力集中区产生重叠，而胶带机上山和回风上山由于距离较近，处于较高位置的胶带机上山的底板应力集中区域与位于右侧较低位置的回风上山顶板应力集中区发生重叠，各方案所形成的应力集中范围、形状、分布特征也基本相同。

图3 第一组方案水平应力等值线图

图4 第二组方案水平应力等值线图

图5 第三组方案水平应力等值线图

b) 垂直应力场

巷道群掘进后垂直应力等值线图见图6，图7，图8.

图6 第一组方案垂直应力等值线图

图7 第二组方案垂直应力等值线图

图8 第三组方案垂直应力等值线图

巷道群的开挖引起巷道两帮产生垂直应力集中，近距离巷道群岩柱中应力集中区域的相互重叠，导致了相邻巷道掘进相互扰动影响。对比图6，7，8可知，各掘进方案下巷道群垂直应力分布规律整体较为相似，不同掘进顺序下巷道两帮应力集中峰值变化幅度不甚明显。中间胶带机上山两帮垂直应力集中程度在第二组方案相比另外两组略小，方案3、4中，胶带机上山两帮峰值应力为24.7 MPa，集中系数为1.41，而其他各方案中其值达到了25.1 MPa，应力集中系数达到了1.45左右。

2) 位移场分析。

巷道群掘进顺序决定了各巷道遭受扰动的次数及扰动强度，不同的施工顺序对巷道群的位移场有不同影响。各种方案的总位移等值线图见图9，10，11.

图9 第一组方案总位移等值线图

图10 第二组方案总位移等值线图

图11 第三组方案总位移等值线图

在不同掘进顺序下，巷道群位移场总体特征大致相同。最大位移量出现在胶带机上山(中间巷道)的拱顶及两帮部位；两侧巷道变形特征相似，最大变形量均出现在巷道拱顶，右侧巷道底鼓较左侧巷道更为显著。

根据模拟结果，分别从6种方案的监测结果中提取了巷道各工程部位位移量，见表3.

表3 不同掘进顺序下巷道围岩位移量表

分析表3数据可知：3条巷道中，就某条巷道而言，其变形量随着掘进顺序的提前，变形量呈增长趋势。由表3可以看出，各方案都是对中间轨道巷的影响最大，对最后一条开挖的巷道影响最小。6种方案中，巷道群最大位移量主要表现在中间巷道，其中两帮收敛及拱顶下沉最为严重，分别达到了310 mm、400 mm以上。底板专用回风巷各工程部位在不同掘进顺序下变形量相差不大，差值均不超过15 mm，回风上山各工程部位在不同掘进顺序下拱顶部位最大相差22.8 mm，左帮变形量最大相差24.7 mm，右帮及底板变形量差值均在20 mm左右。

图12显示了6种掘进顺序下中间巷道胶带机上山各工程部位变形量。综合对比各组方案巷道位移量并结合图12可以得出，先掘进两侧巷道后掘进中间巷道较其他顺序更为合理，即方案3和方案4优于其他各方案。

为选出最佳掘进方案，将方案3及方案4单独对比，进一步分析表3数据可知，3条巷道中，底板专用回风巷及胶带机上山各部位位移量表现为方案4小于方案3，而回风上山各部位位移量表现为两帮及底板方案4变形量要稍大于方案3，顶板位移量为方案4较小。综合分析可知，方案4为最佳掘进顺序。

图12 6种方案下胶带机上山巷道变形量对比图

4 结 论

从巷道群掘进顺序的角度出发，模拟分析了非对称“品”字形巷道群在不同掘进顺序下应力场及位移场的特点，模拟结果表明：不同的掘进顺序虽然对最终位移场、应力场的形态分布影响较小，但各巷道受力特征及位移变化仍有规律,中间巷道受掘进扰动最为明显。最优顺序为首先掘进两侧巷道，后掘进中间巷道。中间巷道掘进顺序的滞后有助于巷道群整体围岩稳定性，此时中间巷道两帮应力集中程度及围岩位移量均小于其他掘进方案。