煤矿深部复合地层TBM掘进巷道围岩稳定性控制工程实践

摘要：为探究深部复合地层在全断面隧道掘进机（TunnelBoringMachine，TBM）掘进巷道围岩稳定性控制机理，以淮南矿区某深部岩石巷道为背景，在同等支护条件下基于Flac3D数值模拟软件对硬岩、软弱岩层及复合岩层建立数值模型，通过分析位移云图、应力云图及围岩塑性区的分布演化规律，优化TBM掘进和支护方案。通过围岩变形和锚杆轴力监测，结合数值模拟和现场实测结果得出复合岩层的位移、应力云图及塑性区出现明显的不对称性，在复合岩层中的软弱岩层应加大支护力度。

关键词：深部复合地层Flac3D数值模拟围岩稳定工程实践

中图分类号：TD35

EngineeringPracticeofSurroundingRockStabilityControlofDeepCompositeStrataTBMTunnelingRoadwayinCoalMines

LIUZhenyu1TANGBin1*HUYang2ZHANGDahuan2XUBin2

HOUJunling3

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

Abstract：InordertoexplorethestabilitycontrolmechanismofthesurroundingrockofTunnelBoringMachine（TBM）tunnelingroadwayindeepcompositestratas，adeeprockroadwayintheHuainanMiningareaistakenasthebackground，andthenumericalmodelofhardrock，softrockstrataandcompositerockstrataisestablishedbasedontheFlac3Dnumericalsimulationsoftwareunderthesamesupportconditions.TBMexcavationandsupportschemeisoptimizedbyanalyzingthedistributionandevolutionlawofthedisplacementcloudmap，stresscloudmapandtheplasticzoneofthesurroundingrock.Throughthemonitoringofthedeformationofthesurroundingrockandtheaxialforceofthebolt，combinedwiththeresultsofnumericalsimulationandfieldmeasurement，itisconcludedthatthereisobviousasymmetryinthedisplacement，stressclouddiagramandplasticzoneofthecompositerockformation，andtheweakrockstratainthecompositerockstratashouldbestrengthened.

KeyWords：Deepcompositestrata;Flac3Dnumericalsimulation;Surroundingrockstability;Engineeringpractice

随着全球能源需求的迅速增加和对能源开采强度的持续提升，对深部地下资源的开采和利用也日益成为关注的焦点。TBM法（TunnelBoringMachine）是一种采用全断面岩石掘进机施工隧道的先进技术，其优点在于安全、施工速度快、机械化程度高，施工环境好[1-3]。因此，深入研究深部复合地层TBM施工巷道围岩的稳定性对于提高巷道的安全性和掘进效率具有重要意义。蒋毅等人[4]开展对复合地层样品的单轴及三轴压缩试验，得出深部复合地层的变形主要发生在软岩部分。李元海等人[5]研究了深部复合地层下有、无支护条件，得出支护结构可有效改善围岩的自承载能力和隧道的整体稳定性。秦绍龙等人[6]基于硬岩和围岩变形规律提出巷道宜采用“树脂锚杆+金属网+喷射混凝土”支护，并可有效控制围岩的变化量。以上研究主要关注巷道围岩的稳定控制，然而对于深部复合地层上部为硬岩下部为软岩的组合围岩稳定控制的研究较为有限。高文艺等人[7]对深部复合地层进行模拟，但缺少相关的工程实践。

以淮南矿区某巷道为背景，对单一及复合岩体下TBM掘进时的支护工况进行数值模拟分析及现场监测，模拟结果可为类似工程施工提供理论指导，具有重要的工程意义。

1工程地质概况

淮南矿区某深部岩石巷道，设计总工程量2914m，主要用于矿井回风，服务年限为30年。巷道断面设计为圆形，直径为5.5m，净断面23.75㎡，巷道方位0°。巷道掘进地层主要以细砂岩和泥岩为主。巷道倾角∠1°～6°。瓦斯含量随深度增加而增加，水文地质条件简单，无突水危险性。

2深部TBM掘进巷道围岩稳定性数值分析

2.1几何模型

采用FLAC3D数值模拟软件建立模型，依据圣维南原理，模型的几何尺寸取开挖半径的5倍以上[8]。三维模型的尺寸为40m×48m×40m（X、Y、Z轴方向），模型的开挖半径为2.75m。共计单元99840个，节点101969个。深部TBM掘进巷道模型如图1所示。

2.2模拟方法

重力加速度设置为10m/s2，清除模型节点的初始位移和速度，分为60段进行开挖，每段长度为0.8m，运行null命令沿着y轴正方向依次开挖，并使用cable单元模拟锚杆及锚索进行支护[9]。岩石破坏时的本构模型为Mohr-Coulomb弹塑性本构模型、破坏准则为Mohr-Coulomb强度准则。为使模拟结果更加精确，通过在巷道工作面测量地应力的大小，得到该TBM掘进巷道的地应力参数如表1所示。

2.3支护工况及岩层参数

该TBM掘进巷道围岩主要为细砂岩和泥岩，岩石的基本参数如表2所示，锚索和锚杆的预紧力分别为180kN和30kN。工况一的巷道岩层为细砂岩，工况二的巷道岩层为泥岩，工况三的巷道岩层为复合岩层，上部2m为细砂岩，下部3.5m为泥岩。支护材料参数及支护工况详情见表3所示。锚杆支护工况图2所示。

2.4边界条件

在进行深部煤矿地层TBM掘进巷道的数值分析计算时，使用FLAC3D数值模拟软件需要考虑到巷道周围的岩体在计算过程中不得移动。此外，在TBM掘进巷道时，远离巷道的岩体所受的施工扰动较小，为了限制模型的位移和变形，通过设置固定边界条件来保持模型的某些边界面的位置、位移或应力状态不变。因此，为了反映实际施工情况，模型的下表面被设置为位移边界条件，而模型的四周则被设置为应力边界条件。

3数值模拟结果

3.1巷道围岩位移场分

开挖后的巷道围岩位移场分布特征如图3所示。工况一两帮水平收敛量为4mm，顶板沉降变形量最大为1.8mm，底板隆起变形量为1.4mm，巷道顶板底板最大收敛量为3.2mm。工况二两帮水平收敛量为24mm，顶板沉降变形量最大为11mm，底板隆起变形量为11mm，巷道顶板底板最大收敛量为22mm，工况三两帮水平收敛量为12mm，底板隆起变形量为8.6mm，顶板沉降变形量最大为3.5mm，巷道顶板底板最大收敛量为12.1mm。工况一、工况三相较于工况二巷道顶板底板收敛分别减少85%、45%。工况三为复合地层，水平、竖向位移云图呈现出不对称性。由于工况二围岩的自承能力较差，为软弱岩层，因此水平、竖向最大位移均大于工况一，故当岩层围岩的自承能力较差或复合岩层顶板岩石力学参数优于两帮和底板时，应当加大对两帮和底板的支护力度。

3.2巷道围岩应力场分析

开挖后的巷道围岩应力场分布特征如图4所示。围岩的水平应力最大值集中在顶板和底板区域，最小值集中在两帮区域，竖向应力则相反。工况一的水平应力区间为1.2～34MPa，竖向应力区间为2～24MPa，工况二的水平应力区间为2.5～36MPa，竖向应力区间为2～26MPa，工况三的水平应力区间为5～45MPa，竖向应力区间为2～29MPa。由于工况一围岩自承载能力优于工况二和工况三，在支护基本相同条件下，工况一水平、竖向应力最大值均小于工况二和工况三。

3.3围岩塑性区分析

开挖后的巷道围岩塑性区分布特征如图5所示。以y=24m处的截面为例，在三种不同地层支护条件下，巷道周围的塑性区面积大小不同，工况一由于岩层为细砂岩，岩石的强度大，塑性区的面积最小约为6.4m2，占截面面积的0.4%，其中工况二为软弱岩层，塑性区的面积最大约307.2m2，占截面面积的19.2%，工况三为上硬下软的复合地层，塑性区的面积约216m2，占截面面积的13.5%，工况一、工况三相较于工况二的塑性区面积分别减少了18.8%、5.7%。三种支护条件下巷道的顶板和底板围岩均发生剪切塑性变形。其中工况三的巷道围岩为复合岩层，上部区域为细砂岩，围岩发生剪切塑性变形，下部区域围岩为泥岩，围岩受拉或受剪产生塑性变形。

4工程应用

数值模拟中得到，掘进巷道为细砂岩时，由于岩石具有较高的抗压强度和抗剪强度，导致掘进速度缓慢，刀盘需要承受更大的负荷，其磨损程度也会增加，当掘进巷道为泥岩时，岩石的强度小，在掘进过程中会产生较多的块体脱落，增加了支护的难度。为了能够确保掘进巷道施工的顺利进行，选择掘进巷道围岩上部区域为细砂岩，下部区域为泥岩，能够加快施工速度，提高施工效率，支护的难度也会降低。

4.1施工方案

巷道开挖采用EQC5530全断面掘进机，通过推进油缸施加力量，利用刀盘与滚刀将石块压碎，再由刀盘上的铲刀及刮板将石块送至位于刀盘中央的排渣槽内，由皮带机将其运出。在巷道的开挖过程中，使用液压锚杆钻机或风动锚杆钻机进行锚杆的钻孔和锚索的支护。在盾构机破岩掘进过程中，每个循环的进尺为1.6m。当一个循环完成后，盾构机将停止掘进，根据导向系统提供的主机位置参数进行掘进机调向，进行下一个循环的掘进作业。根据不同围岩确定掘进机相关参数。

4.2监测方案

采用博世GLM500激光测距仪和JTM-V180型振弦式锚杆测力计分别开展周期为100天的围岩收敛变形和锚杆受力监测，在巷道左侧布置一台激光测距仪，用激光对着巷道顶部和右帮反射靶板的靶板中心，进行测距和倾斜度的测定，从而求出两帮的收敛值及顶板沉降量。锚杆测力计安装在锚杆尾部，测站布置图如图6所示。

4.3现场监测

4.3.1巷道围岩变形监测数据

TBM开挖40天内，复合地层围岩的变形速率明显加快，其后逐渐趋缓。在掘进后的第60天左右，两帮收敛和顶板下沉开始停止变形，在第70天变形停止，现场实测的巷道两帮收敛为93.4mm，顶板变形为53.8mm。围岩变化曲线如图7所示。

4.3.2锚杆轴力监测数据。

因1号、2号、3号锚杆与5号、6号、7号锚杆对称，轴力大致相同[10-11]，1号、2号、3号、4号锚杆的轴力监测曲线如图8所示。

由图8可知：在巷道掘进支护后的50天内，锚杆轴力在预紧力为30kN的基础上迅速增长，锚杆轴力在增长的过程中受到围岩应力重分布的影响下有小幅波动；在TBM掘进后的第50天，锚杆轴力增长速率明显减小，在第70天后锚杆轴力逐渐趋于稳定。其中监测断面1、2、3、4号锚杆的最大轴力分别为119.25kN、126.5kN、123.8kN和135.6kN。巷道围岩与锚杆轴力的变化趋势一致，在巷道掘进后的第70天之后，围岩的变形和锚杆轴力不再变化，表明巷道围岩已经达到了基本稳定的状态。

5结论

以淮南矿区某深部岩石巷道为背景，在同等支护条件下基于Flac3D数值模拟软件对硬岩、软弱岩层及复合岩层建立数值模型，通过分析位移云图、应力云图及围岩塑性区的分布演化规律，优化TBM掘进和支护方案。通过围岩变形和锚杆轴力监测，结合数值模拟和现场实测结果得出以下结论。

（1）当TBM在煤矿复合地层中掘进时，围岩的变形呈现出不对称性，巷道下部软岩区变形较大并有碎岩掉落。

（2）当TBM在复合地层中掘进时，应尽量避免巷道顶部处于软岩地层中，否则易出现巷道顶板下沉量过大或顶板碎岩掉落的情况。掘进施工中可通过调整TBM掘进姿态使巷道顶板为硬岩地层。

（3）TBM掘进巷道围岩强度过低会导致巷道大变形、支护工作量大。而围岩强度过高则会加剧刀具磨损、降低掘进效率。在煤矿复合地层中掘进巷道，通过调整TBM掘进层位，使巷道顶板位于硬岩地层中，可在保障巷道围岩稳定性的前提下，提高TBM掘进效率，实现煤矿岩巷安全高效掘进。

参考文献

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