尖林山采区临近巷道开挖对既有巷道锚杆支护的影响

陈 虎 叶义成，2 王其虎 刘 冉

（1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北武汉430081;2.湖北省工业安全工程技术研究中心，湖北武汉430081）

针对临近巷道开挖对既有巷道稳定性产生影响的情况，前期的研究多侧重于围岩强度较弱的窄间距巷道。毛光辉［1］研究了王家岭煤矿18101工作面及其相邻巷道的相互作用规律，发现未做补强支护的工作面在临近巷道开挖过程中会受到滞后压力的影响，顶板沉降量会增大。刘泉声［2］通过对淮南朱集矿轨道巷进行两帮收敛、拱顶沉降、底鼓和锚索拉力的现场监测，发现轨道巷围岩受两侧回风巷和胶带巷开挖扰动。在围岩强度较好的金属非金属矿山，尤其是采用无底柱分段崩落法的矿山，由于进路巷道的间距较小，也存在一定程度的相互扰动［3-6］。无底柱分段崩落法［7］巷道进路间距一般都在20 m以内，如程潮铁矿进路间距最初为10 m，后来改为14 m；金山店铁矿最初为10 m，改扩建工程中改为16 m；马兰庄铁矿地下开采设计进路间距采用20 m［8］。由于无底柱分段崩落法回采巷道进路间距较小［9］，因此既有巷道受临近巷道开挖影响较大，容易产生顶板冒落和局部塌陷。

当既有巷道穿过矿体和围岩形成的接触带时，临近巷道开挖产生的影响会更加复杂，巷道的支护难度也会增加。接触带巷道的变形规律和破坏机理的研究已经较为成熟。A Yassaghia等［10］对安山玄武岩和凝灰岩接触带岩体进行压缩实验和分析，发现接触带巷道收敛量较单一岩体巷道收敛量大3%；R Q Huang［11］通过数值模拟发现接触带两侧岩石力学强度较弱的一侧塑性区范围明显大于另一侧；王其虎［12］通过数值模拟和相似实验，得到了复合岩体参数差异导致的次生剪应力集中是接触带巷道非协调变形的主要原因；刘晓云［13］通过单轴压缩和声发射实验对2种不同参数的复合岩体进行研究，得到了不同强度比和体积比对复合岩体变形破坏产生的影响。在巷道支护上，晏勤等［14］在圆形隧道复合岩体中的研究论证了锚杆在复合岩体围岩变形上拥有较好的控制作用。以上研究表明，穿过接触带的既有巷道在巷道变形和稳定性上都不同于穿过单一岩体的巷道，变形的规律更为复杂，支护的难度相对较高。同时，与其他支护形式相比，锚杆支护在复合岩体巷道稳定性的控制上具有更好的优势。因此，为保证既有巷道的安全稳定，对接触带条件下临近巷道开挖对既有巷道锚杆支护的影响展开研究。

大冶铁矿尖林山采区-90 m的2#水平进路接触带巷道是典型的穿过接触带的窄间距巷道，在实际工程中存在冒顶片帮的现象，支护难度较大。因此，以该矿巷道工程为背景，对临近巷道开挖情况下既有巷道锚杆支护的可靠性展开研究。通过临近巷道开挖后既有巷道顶板2次沉降规律和既有巷道自身开挖顶板一次沉降规律进行比较，分析临近巷道开挖后既有巷道顶板沉降规律。同时，设计多组既有巷道锚杆支护参数方案，对不同锚杆支护方案下既有巷道顶板2次沉降的变化进行分析，得到不同支护参数对于控制既有巷道顶板稳定性的成效，从而达到提高既有巷道锚杆支护可靠性的目的。

1 临近巷道开挖对既有巷道顶板沉降的影响

1.1 模型的建立与计算

研究对象是大冶铁矿尖林山采区-90 m的2#水平进路既有巷道及其左侧临近开挖巷道。数值模拟软件选用FLAC3D。为消除边界效应，模型的尺寸依据弹性力学圣维南原理，设置为36 m×36 m×36 m，同水平相邻2个巷道断面形式采用三心拱，巷道尺寸为3.6 m×3.2 m，巷道间距为14 m，埋深420 m。假定既有巷道和临近开挖巷道均与接触面正交垂直。岩石力学参数如表1所示。

根据设定的尺寸和力学参数建立FLAC3D数值模拟的模型，如图1所示。模拟开挖采用的是一次性开挖，对既有巷道和临近巷道依次开挖后围岩自稳状态下既有巷道顶板沉降变形规律展开研究。具体模拟步骤如下。

（1）初始地应力平衡。采用Mohr-Coulomb本构模型，对模型赋予相应的岩石力学参数，四周边界施加水平约束，模型底部施加垂直约束，由于覆岩层多为大理岩和闪长岩，因此在上部边界施加相当于覆岩自重载荷11.34 MPa。经数值模拟计算达到未开挖前的初始地应力平衡状态。

（2）既有巷道开挖，围岩应力重新分布，监测既有巷道在围岩自稳过程中的顶板沉降变形。为便于显现巷道变形规律，在既有巷道拱顶处以接触带为中心等距设置5个监测点，用于显现既有巷道开挖后沿巷道走向方向的顶板沉降变化规律，如图2所示。

（3）邻近巷道开挖，既有巷道围岩应力重新分布，监测既有巷道顶板2次沉降变形。临近巷道开挖打破了既有巷道围岩应力平衡状态，既有巷道再次进入了变形阶段。监测既有巷道在围岩应力重新分布过程中的顶板2次沉降变形规律，分析临近巷道的开挖对既有巷道顶板沉降的影响。

1.2 结果分析

（1）根据对5个监测点（1#～5#）沉降量随模拟时间的分析，既有巷道开挖5个监测点变形速率和变形位移均有差异，呈现从铁矿一侧到大理岩一侧顶板沉降量逐级递增的趋势。在监测点的变形达到稳定后，临近巷道的开挖使已经稳定的监测点再次产生变形，并且变形的规律与初次变形基本一致，服从从铁矿一侧到大理岩一侧顶板沉降量逐级递增的不协调变形规律。说明在临近巷道开挖后既有巷道会再次进入自稳变形状态，它的变形规律服从非协调变形，如图3所示。

（2）将邻近巷道开挖前后既有巷道顶板拱顶处沉降数据导入到excel中进行分析，如图4所示。图4证明临近巷道开挖对既有巷道的顶板最终沉降量有影响。既有巷道自身开挖初期，顶板产生不协调沉降。以接触带为中心，围岩为大理岩的巷道顶板沉降位移整体大于围岩为铁矿的巷道顶板沉降位移。既有巷道顶板在远离接触带处的大理岩侧达到最大沉降位移2.53 cm，在铁矿侧达到最小沉降位移0.87 cm。邻近巷道开挖后既有巷道从平衡状态再次进入不协调变形状态，变形规律与第一次变形基本一致，在远离接触带处的大理岩侧达到最大沉降位移为3.23 cm，铁矿侧达到最小沉降位移为0.96 cm，产生的变形量为第一次变形量的10%～28%。

（3）由两侧不同岩体巷道垂直应力分布可以看出，邻近巷道开挖前既有巷道在接触带两边的铁矿侧和大理岩侧竖直方向最大压应力分别为19.87 MPa和19.84 MPa，最大拉应力为1.22 MPa，拉应力集中在既有巷道的顶板位置。邻近巷道开挖后，既有巷道在铁矿侧和大理岩侧的垂直方向最大压应力变为21.25 MPa和23.75 MPa，顶板的最大拉应力变为4.88 MPa。表明临近巷道的开挖造成既有巷道围岩应力的重分布，主要表现是最大压应力和顶板最大拉应力升高，可能会造成顶板的冒落和局部破坏。同时，既有巷道走向上岩体应力变化程度存在差异，证明邻近巷道开挖对既有巷道接触带两侧造成的扰动程度不同，可能导致既有巷道不协调变形程度的增加，支护难度加大，如图5所示。

（4）将既有巷道2次开挖的顶板沉降变形量相减，得到既有巷道顶板2次沉降差的曲线，如图6所示。由图6可知，顶板沉降差在巷道走向上呈现从大理岩一侧到铁矿一侧逐级递减的趋势，在远离接触带处的大理岩一侧尽头达到2次沉降的最大沉降差值为0.70 cm，在铁矿一侧尽头达到最小沉降差值为0.09 cm。

定义顶板沉降位移差曲线最大斜率为顶板沉降差增量梯度G，用以表征既有巷道在受到临近巷道开挖前后顶板沉降的突变增加程度。G小于0，则既有巷道顶板沉降差变化趋势和一次沉降变化趋势一致，说明二次沉降不协调变形程度增加；G大于0，则既有巷道顶板沉降差变化趋势和顶板一次沉降变化趋势相反，说明二次沉降不协调变形程度减少；G等于0，则说明顶板二次沉降不协调变形程度和一次沉降不协调变形程度一致。计算结果为G=-4.0×10-4，表明邻近巷道开挖后既有巷道变形的突变程度增大。

2 既有巷道顶板沉降控制

2.1 顶板沉降控制方法

巷道一般要经历开挖前稳定、开挖扰动、支护稳定或再破坏的演化过程，巷道顶板沉降水平受原岩应力场—开挖扰动应力场—支护应力场相互作用的影响［15］，因此顶板控制最有效的手段就是巷道支护。有研究［16-17］表明在锚杆自身完整的情况下，调整锚杆支护间排距和预应力对于顶板沉降控制效果显著，因此在不同间排距和锚杆预应力下开展既有巷道在临近巷道开挖扰动下的顶板控制能力的研究。通过研究临近巷道开挖情况下锚杆支护的顶板控制能力，对锚杆的参数进行调整，避免邻近巷道开挖造成的顶板沉降量过大、岩体破坏等［18］。为定量化顶板控制能力水平，根据临近巷道开挖前后既有巷道顶板最大沉降量2.53 cm和3.23 cm，通过支护参数调整将其控制在顶板沉降最大限值（根据文献【1】的研究，设为2.5 cm）内的合格率。

2.2 锚杆支护间排距

2.2.1 最优间排距

在支护参数中锚杆间排距的选取对顶板的稳定性有非常重要的影响，过大的锚杆间排距达不到预期的支护效果，间排距过密会造成支护成本的增加和资源的浪费，并影响支护的进度［19］。为找到适应于尖林山采区既有巷道的最优锚杆间排距，采用数值模拟的方法对多组间排距同时进行试验，选取顶板沉降量最小，顶板稳定性最好的间排距参数。

为确定最优锚杆间排距，以工程上常用的等间排距布置原则布置600 mm×600 mm、700 mm×700 mm、800 mm×800 mm、900 mm×900 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 100 mm×1 100 mm、1 200 mm×1 200 mm共7组不同间排距下的锚杆支护。其它参数如表2所示。

由于巷道沿走向方向顶板沉降规律大致相同，因此记录既有巷道顶板最大沉降量随锚杆间排距的变化，如图7所示。图7表明间排距在900～1 200 mm时，随着间排距的减小，既有巷道顶板沉降量逐渐减小，说明顶板沉降控制能力逐步提高。当间排距小于900 mm时，顶板沉降量减少速率放缓，证明在间排距小于900 mm后，顶板控制能力对锚杆间排距的敏感程度降低，进一步缩小间排距对减少顶板沉降量的意义减少，反而增加支护成本，因此选择最优间排距为900 mm×900 mm。

2.2.2 临近巷道开挖对间排距的影响

在临近巷道开挖对既有巷道造成扰动的情况下，为探究未考虑临近开挖巷道因素影响确定的最优间排距是否依然保持最优，顶板控制能力是否依然可以满足要求，在锚杆间排距为900 mm×900 mm时开挖临近巷道并监测既有巷道顶板最大沉降量，发现顶板最大沉降量为2.7 cm，大于设定的2.5 cm的顶板沉降限值。因此对锚杆间排距参数进行调整，取锚杆间排距为600 mm×600 mm、700 mm×700 mm、800 mm×800 mm、900 mm×900 mm，绘制顶板最大沉降量随锚杆间排距的变化曲线，如图8所示。模拟结果发现，随着锚杆间排距的减少，顶板最大沉降量随之减少，但是顶板沉降量减小速率缓慢，当锚杆间排距等于600 mm×600 mm时，顶板最大沉降量为2.66 cm，依然大于限值，进一步缩小间排距在支护成本上损失较大，支护效率也大大降低。因此考虑对锚杆施加预应力来提升顶板控制能力。

另一方面，当锚杆间排距为900 mm×900 mm时，顶板沉降差增量梯度为G=-3.3×10-4，说明在邻近巷道开挖扰动条件下，加密锚杆间排距不仅有利于控制顶板沉降量，还可以减少既有巷道沿走向方向的不协调变形程度。随着锚杆间排距加密，顶板沉降差增量梯度逐渐减小，既有巷道的二次沉降不协调变形突变程度降低，如图9所示。

2.3 施加预应力

为使顶板沉降控制在限值以内，对既有巷道锚杆施加预应力。预应力设置为30、40、50、60 MPa，间排距选择2.2.2节得到的最优间排距900 mm×900 mm，其他参数不变，记录既有巷道顶板最大沉降量的变化曲线。

为便于分析，以顶板沉降量合乎限值的点数（n）占巷道总测点（N）的比例作为巷道顶板沉降控制合格率（ρ）。即

临近巷道开挖扰动造成的顶板二次沉降，无预应力顶板沉降控制合格率为78%，预应力为30、40、50 MPa顶板沉降控制合格率分别为89%、95%和100%，说明预应力对于提高顶板沉降控制能力和减少临近巷道开挖扰动的影响最有重要意义。顶板控制合格率为95%时符合《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086—2015）规定，因此锚杆支护预应力最优值为40 MPa。

在预应力锚杆支护条件下，作出不同锚杆预应力条件下既有巷道顶板沉降差增量梯度的曲线，如图10所示，锚杆预应力在30、40、50、60、70、80 MPa顶板沉降差增量梯度持平，G值基本不变，证明在均布预应力条件下既有巷道顶板二次沉降不协调突变程度未得到减缓，如图11所示。

3 结论

（1）大冶铁矿尖林山采区-90 m的2#水平进路既有巷道，临近巷道开挖对既有巷道顶板沉降存在较大影响。既有巷道在开挖达到自稳平衡后会因为临近巷道开挖的影响再次进入非协调变形状态，顶板二次沉降量占一次沉降位移的10%～28%。另一方面，临近巷道开挖会加大既有巷道非协调变形的程度，造成支护难度的增加。

（2）在临近巷道开挖扰动的情况下，单纯依靠加密锚杆间排距提升顶板控制效果的能力有限，需要对锚杆施加预应力。模拟结果表明：间排距900 mm×900 mm，预应力为40 MPa时为大冶铁矿尖林山采区-90 m的2#水平进路既有巷道最优锚杆支护参数。

（3）锚杆支护的间排距和预应力对既有巷道在临近巷道开挖情况下，顶板沉降变形的控制具有不同的效果。当锚杆间排距在一定范围内时，加密间排距可以减少既有巷道顶板沉降变形位移，同时可以减缓既有巷道不协调变形程度的增加。同时，增加锚杆预应力，可以有效地减少既有巷道在临近巷道开挖情况下顶板沉降变形，但是对既有巷道不协调变形程度的改善较小。因此，在调整既有巷道锚杆支护参数的情况下，应当优先调整锚杆间排距，保证锚杆间排距最优的情况下，增加锚杆预应力可以最大程度地控制既有巷道顶板沉降变形。