弱胶结软岩地层相邻大断面巷道合理间距研究.pdf

弱胶结软岩地层相邻大断面巷道合理间距研究 ① 陈佃浩１， 李廷春１， 吕学安１，２， 马旭强３， 张仕林１，４， 吕连勋１，５ （１．山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室， 山东 青岛 ２６６５９０； ２．青岛建国工程检测有限公司， 山东 青岛 ２６６０００； ３．中国科学院 武汉 岩土力学研究所 岩土力学重点实验室，湖北 武汉 ４３００７１； ４．中国石油天然气华东勘察设计研究院 岩土工程处，山东 青岛 ２６６０７１； ５．北京市勘察设 计研究院有限公司，北京 １０００３８） 摘 要 基于相邻巷道开挖扰动和爆破振动对已有巷道影响的理论分析，推导了相邻大断面巷道合理间距的确定公式。 以麦垛山 马头门硐室与主变电所巷道间距设计为依托，利用数值方法计算变间距多个模型的开挖扰动影响，以确定其巷道间距。 研究结果 表明，麦垛山马头门硐室与主变电所巷道间距的理论计算值应不低于 ３６．６ ｍ；数值分析发现当巷道间距为 ４０ ｍ 时，马头门硐室与 主变电所巷道中间围岩的应力场已接近原岩应力，巷道围岩位移场与塑性区基本趋于对称稳定，马头门硐室支护荷载与未受影响 前基本一致。 利用上述研究成果，综合现场施工状况，最终确定其间距为 ４０ ｍ。 工程施工后硐室与巷道稳定，验证了在软岩地层中 该巷道间距设计的科学合理性。 关键词 弱胶结软岩； 巷道间距； 开挖扰动； 爆破振动； 数值分析 中图分类号 ＴＤ２６３文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１６．０４．００５ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１６）０４－００１６－０５ Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ Ｓｐａｃｉｎｇ ｆｏｒ Ａｄｊａｃｅｎｔ Ｌａｒｇｅ⁃ｓｅｃｔｉｏｎ Ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ Ｗｅａｋｌｙ Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｓｏｆｔ Ｒｏｃｋ Ｓｔｒａｔａ ＣＨＥＮ Ｄｉａｎ⁃ｈａｏ１， ＬＩ Ｔｉｎｇ⁃ｃｈｕｎ１， Ｌ Ｘｕｅ⁃ａｎ１，２， ＭＡ Ｘｕ⁃ｑｉａｎｇ３， ＺＨＡＮＧ Ｓｈｉ⁃ｌｉｎ１，４， Ｌ Ｌｉａｎ⁃ｘｕｎ１，５ （１．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５９０， Ｓｈａｎｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｑｉｎｇｄａｏ Ｊｉａｎｇｕｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ， Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０００， Ｓｈａｎｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ， Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｗｕｈａｎ ４３００７１， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ； ４．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｕｒｖｅｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｉｎ Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ， Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０７１， Ｓｈａｎｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ５．ＢＧＩ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ Ｌｔｄ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３８， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ ｌａｒｇｅ⁃ｓｅｃｔｉｏｎ ｒｏａｄｗａｙ ｗａｓ ｄｅｄｕｃｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｊａｃｅｎｔ ｒｏａｄｗａｙ ａｎｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒｏａｄｗａｙ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｍａｔｏｕ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｍａｉｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ Ｍａｉｄｕｏ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ， ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｆｏｒ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｃｉｎｇ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｎｕｍｅｒｉｃ ｍｅｔｈｏｄ， ｆｏｒ ｄｅｃｉｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｒｏａｄｗａｙ ｓｐａｃｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｐａｃｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｍａｔｏｕ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｍａｉｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｒｏａｄｗａｙ ｓｈａｌｌ ｂｅ ｎｏ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ３６．６ ｍ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ ｓｐａｃｉｎｇ ａｔ ４０ ｍ， ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｗａｌｌ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｒｏａｄｗａｙ ｉｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｒｏｃｋ． Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｚｏｎｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｌｏａｄ ｏｆ ｃｈａｍｂｅｒ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｕｎｃｈａｎｇｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｔｈｅ ｏｎ⁃ｓｉｔｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｎａｌｌｙ ｓｅｔ ｔｈｅ ｓｐａｃｉｎｇ ａｔ ４０ ｍ． Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｅｄ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｒｏａｄｗａｙ ｒｅｍａｉｎｅｄ ｓｔａｂｌｅ ａｆｔｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｗｅａｋｌｙ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ； ｒｏａｄｗａｙ ｓｐａｃｉｎｇ； ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ； ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ 马头门硐室是井底车场的重要组成部分，与井筒 相连，是矿井的咽喉部位。 一般而言，马头门硐室设计 断面大，最先施工。 当与相邻大断面巷道间距过小时， 常受其开挖扰动和爆破振动的影响，马头门硐室的围 ①收稿日期 ２０１６－０２－０３ 基金项目 国家自然科学基金（５１２７９０９６， ５１４０９１５４）；山东省自然科学基金（ＺＲ２０１２ＥＥＭ０３０） 作者简介 陈佃浩（１９８９－），男，山东济南人，硕士研究生，主要从事裂隙岩体力学特性方面的研究工作。 通讯作者 李廷春（１９６８－），男，山西朔州人，博士，教授，博士生导师，主要从事裂隙岩体力学特性方面的研究工作。 第 ３６ 卷第 ４ 期 ２０１６ 年 ０８ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３６ №４ Ａｕｇｕｓｔ ２０１６ 岩稳定性得不到保证。 当巷道间距过大时，会延长联 络巷的长度，大大增加建设成本。 因此，存在相邻大断 面巷道合理间距的确定问题。 针对硐室或巷道的间距设计问题，许多学者进行 了研究。 靖洪文等［１］分析了新上海一号煤矿副井马 头门硐室的破坏特征，指出周围硐室的开挖引起马头 门硐室的失稳；刘泉声［２］等对淮南朱集矿轨道巷的围 岩变形进行监测，结果表明，巷道之间的扰动影响在间 距大于 ５ 倍硐径情况下仍然存在；闫长斌等［３］通过数 值方法分析变间距下硐室群的稳定性，得出硐室间距 越大硐室群越稳定的结论；蒲胜双等［４］从巷道应力影 响带和围岩稳定性两方面分析，得出平行巷道间距的 确定方法。 弱胶结软岩广泛存在于我国西北部地区，其典型 特征为强度低、胶结差、易风化、遇水软化等［５－６］；在此 类岩层中，根据硬岩的设计原则，得出大断面相邻巷道 的间距，许多煤矿的马头门硐室、大断面巷道等出现了 底鼓、片帮、冒顶等现象［１，７］。 本文基于当量半径法分析巷道的弹塑性应力场， 并考虑临近巷道爆破施工震动下已有巷道的安全，推 导出泥化弱胶结软岩地层中大断面巷道合理间距的确 定公式。 依托麦垛山煤矿马头门硐室工程，通过数值 分析方法得出平行巷道合理间距。 结合两种方法，为 麦垛山煤矿马头门硐室与主变电所巷道间距的确定提 供依据。 １ 巷道间距的理论计算 １．１ 开挖扰动安全间距确定 目前，多数煤矿巷道断面形状为直墙半圆拱形。 而受边界条件等所限，对于此类巷道的求解主要借助 于数值模拟。 如果采用解析法求解，多采用当量半径 法将其截面近似为圆形，进行粗略的解析分析。 １．１．１ 非圆形巷道的当量半径法 当量半径法就是用一个与非圆形巷道截面积相等 的虚拟圆来代替非圆形巷道，通过分析虚拟圆形巷道周 边应力分布，粗略计算非圆形巷道的围岩应力。 其中当 量半径［８］就是这个虚拟圆的半径，其计算公式为 Ｒ１＝ ｋ Ｓ π １ ２ （１） 式中 Ｒ１为当量半径，ｍ；Ｓ 为非圆形巷道截面面积， ｍ２；ｋ 为巷道断面形状修正系数［８］。 １．１．２ 非圆形巷道应力弹塑性解 静水压力场中，在极软岩层，埋深为 Ｈ 的圆形巷 道，开挖后周边围岩某点处的应力 σθ、σｒ如图 １ 所 示［９］。 通过理论计算可得到 σθ、σｒ的解析解［１０］，结合 当量半径法得出非圆形巷道应力弹塑性解为 塑性区应力 σθｐ＝ ｃｃｏｔφ １ ＋ ｓｉｎφ １ － ｓｉｎφ ｒ ｋ ２ｓｉｎφ １－ｓｉｎφ Ｓ π ｓｉｎφ ｓｉｎφ－１ － １ σｒ ｐ ＝ ｃｃｏｔφ ｒ ｋ ２ｓｉｎφ １－ｓｉｎφ Ｓ π ｓｉｎφ ｓｉｎφ－１ － １ （２） 弹性区应力 σθｅ ＝ ｐ ０ ＋ （ｃｃｏｓφ ＋ ｐ０ｓｉｎφ） （ｐ０＋ ｃｃｏｔφ）（１ － ｓｉｎφ） ｃｃｏｔφ １－ｓｉｎφ ｓｉｎφ Ｓｋ２ πｒ２ σｒ ｅ ＝ ｐ ０ － （ｃｃｏｓφ ＋ ｐ０ｓｉｎφ） （ｐ０＋ ｃｃｏｔφ）（１ － ｓｉｎφ） ｃｃｏｔφ １－ｓｉｎφ ｓｉｎφ Ｓｋ２ πｒ２ （３） 式中 σθ、σｒ分别为切向应力和径向应力，ＭＰａ；上标 ｐ、 ｅ 分别代表塑性区和弹性区； ｐ０为原岩应力， ｐ０＝μＨ， ＭＰａ；Ｒ０为圆形巷道半径，ｍ；ｃ 为岩石的粘聚力，ＭＰａ； φ 为岩石的内摩擦角，（）；ｒ 为该点到巷道中心位置 的距离，ｍ。 1234 r P σ σ σ θ r 图 １ 圆形巷道围岩弹塑性应力分布状态 １，２塑性区； ３，４弹性区 １．１．３ 开挖扰动安全间距 由图 １ 可知，巷道开挖引起围岩应力重分布，从临 空面到岩体内部，其值逐渐恢复到原岩应力状态。 根 据叠加原理求得弹性区内扰动应力的改变值。 σθ０ｅ ＝ σ θ ｅ － ｐ ０ ＝ Ｔ Ｓｋ２ πｒ２ σｒ０ｅ ＝ σ ｒ ｅ － ｐ ０ ＝－ Ｔ Ｓｋ２ πｒ２ （４） 式中 σθ０ｅ、σｒ０ｅ分别为切向和径向应力扰动值。 Ｔ ＝ （ｃｃｏｓφ ＋ ｐ０ｓｉｎφ） （ｐ０＋ ｃｃｏｔφ）（１ － ｓｉｎφ） ｃｃｏｔφ １－ｓｉｎφ ｓｉｎφ （５） ７１第 ４ 期陈佃浩等 弱胶结软岩地层相邻大断面巷道合理间距研究 如图 １ 所示，在极软岩层中开挖巷道，周边围岩的 塑性区位于弹性区内侧。 开挖两条巷道时，为保证彼 此的稳定性，相邻巷道围岩的塑性区不能重叠，即两条 巷道之间存在弹性区。 在两巷道间的弹性区中心取一个微元，其应力 状态可等效为图 ２。 设两巷道中心间距为 ２ｌ，则该微 元到一侧巷道中心的距离为 ｌ，其应力可由叠加原理 求得 σθｅ ＝ ｐ ０ ＋ σ θ０ ｅ ＋ σ θ１ ｅ ＝ ｐ ０ ＋ Ｔ Ｓ０ｋ０２ πｌ２ ＋ Ｓ１ｋ１２ πｌ２ σｒ ｅ ＝ ｐ ０ ＋ σ ｒ０ ｅ ＋ σ ｒ１ ｅ ＝ ｐ ０ － Ｔ Ｓ０ｋ０２ πｌ２ ＋ Ｓ１ｋ１２ πｌ２ （６） 式中 σθ１ｅ、σｒ１ｅ分别为后掘巷道开挖所引起的切向和 径向扰动应力改变值，ＭＰａ；Ｓ０、Ｓ１分别为两相邻巷道 的截面积， ｍ２；ｋ０、ｋ１分别为两相邻巷道的断面形状修 正系数。 σ θ p0p0 p0 p0 e r 0 σ θ e 0 σ θ e 0 σ θ e 0 σ e 0r σ e 0 r σ e 1r σ e 1 图 ２ 两巷道间中心微元应力状态 一般认为，当硐室开挖引起的扰动应力接近原岩 应力时，扰动应力对围岩的影响可以忽略。 考虑到支 护反力的作用，围岩塑性区半径与弹性区应力都会有 所降低［１０］，本文将应力变化率 １０％定为应力扰动的阈 值［１１］，以体现支护的影响。 即 ｐ０ Ｔ Ｓ０ｋ２ πｌ２ ＋ Ｓ１ｋ２ πｌ２ ＝ ｐ ０（１ ＋ １０％） （７） 则相邻巷道合理间距 ｌｒ为 ｌｒ＝ ２ｌ －ｋ０ Ｓ０ π １ ２ ＋ ｋ １ Ｓ１ π １ ２ ＝ ２ Ｔ ｋ２ ０Ｓ０ ＋ ｋ ２ １Ｓ１ １０％ｐ０π １ ２ －ｋ０ Ｓ０ π １ ２ ＋ ｋ １ Ｓ１ π １ ２ （８） １．２ 爆破安全允许距离确定 根据爆破安全规程［１２］，巷道应处在爆破安全允许 距离之外，爆破安全允许距离 ｌｂ按式（９）计算 ｌｂ＝ Ｋ ｖ １ α ｑｄＳ １ ３ （９） 式中 ｌｂ为爆破振动安全允许距离，ｍ；ｖ 为巷道允许振 速，ｃｍ／ ｓ；Ｋ、α 分别为与爆破点至保护对象间的地形、 地质条件有关的系数和衰减指数； ｑ 为单位炸药消耗 量，ｋｇ／ ｍ３；ｄ 为单次爆破掘进进尺，ｍ。 １．３ 巷道合理间距确定 弱胶结软岩地层中，大断面巷道间距须满足两个 条件① 后掘巷道的开挖扰动对临近巷道的影响可忽 略不计；② 相邻巷道处于对方的爆破安全允许距离之 外。 即，巷道安全间距 Ｌ 应表示为 Ｌ ≥ ｍａｘ｛ｌｒ， ｌｂ｝（１０） 式中 ｌｒ与 ｌｂ分别通过式（８）和式（９）确定。 ２ 工程实例 ２．１ 工程概况 麦垛山煤矿位于宁夏回族自治区中东部，该矿副 立井井筒掘至底部后，逐步进行副立井主水平硐室与 巷道的开挖支护。 水平埋深 ５５０ ｍ，处于弱胶结软岩 地层中，围岩物理力学性质如表 １ 所示。 表 １ 岩石的物理力学参数 岩性 密度 ／ （ｇｃｍ －３ ） 泊松 比 粘聚力 ／ ＭＰａ 内摩擦角 ／ （） 单轴抗压强度 ／ ＭＰａ 粉砂岩２．４０．３０１２３２４３ 细砂岩２．３０．３２８２５２５ ２．２ 马头门硐室的支护参数 马头门硐室断面形状为直墙半圆拱形，最长一段 硐室的掘进荒断面宽８．４ ｍ、高９．５ ｍ，断面较大。 初始 支护设计采用“锚网喷＋砌碹支护”，其主要支护参数 如图 ３ 所示。 5 5- 8U 700 156007200 8400 5300 7200 2200 4200 3200 图 ３ 马头门硐室支护断面图（单位ｍｍ） 采用 Φ２０ ｍｍ ２ ２００ ｍｍ 全螺纹树脂锚杆，间排 距７００ ｍｍ ７００ ｍｍ ，每个锚杆孔使用 ２ 支药卷；顶部 ８１矿 冶 工 程第 ３６ 卷 采用 Φ１７．８ ｍｍ ７ ２００ ｍｍ 的锚索补强，排距为 １ ４００ ｍｍ，每排 ５ 根，垫板尺寸 Φ３００ ｍｍ ２０ ｍｍ； 钢筋网 片为 Φ６．５ ｍｍ 圆钢加工，规格为 １００ ｍｍ １００ ｍｍ， 喷射厚度 １５０ ｍｍ 的混凝土形成临时支护。 硐室全部开挖后，以双层钢筋混凝土砌碹为永久 支护，厚度为 ６００ ｍｍ，强度等级为 Ｃ６０，配筋规格为 Φ２５ ＠ ３００ ３００ ｍｍ。 ２．３ 硐室周围巷道分布情况 马头门硐室与设备通道和管子道相邻，平行于后 期车场中开挖的巷道。 周围巷道中主变电所断面最 大，其开挖扰动对临近的马头门硐室影响最大。 后掘主变电所巷道断面为直墙半圆形，断面宽度 为 ８．４ ｍ、高度为 ９．５ ｍ，支护设计为“锚网喷＋砌碹支 护”，与马头门硐室的支护参数相同。 ２．４ 马头门硐室与主变电站巷道间距确定 ２．４．１ 巷道开挖扰动安全间距 马头门硐室为非圆形断面，采用当量半径法将马 头门硐室圆形标准化，通过式（８）确定巷道间距。 岩层物理力学参数按照物理性质较差的细砂岩选 取（表 １）。 岩石容重 ２ ４００ ｋｇ／ ｍ３。 故巷道周围原岩 应力为ｐ０＝μＨ＝１３．２ ＭＰａ。 马头门硐室与主变电所巷道的截面积 Ｓ０ ＝ Ｓ １ ＝ ７２．２３ ｍ３。 断面为拱形，修正系数取 ｋ０ ＝ｋ １＝１．１０ ［９］。 将以上各参数代入式（８），可得ｌｒ＝３６．６ ｍ。 ２．４．２ 爆破安全允许距离 根据爆破安全规程［１２］，泥化弱胶结软岩地层中， ｋ、α 分别取 ２５０、１．８；巷道允许振速取 １５ ｃｍ／ ｓ。 单位 炸药消耗量 ｑ＝１．３６ ｋｇ／ ｍ３［１３］。 按单次掘进进尺 ｄ＝２ ｍ 计算，将以上数据代入式（９）得ｌｂ＝２７．７ ｍ。 ２．４．３ 巷道安全间距的确定 综合考虑巷道开挖扰动与爆破安全两种因素，在 弱胶结软岩地层中，深埋大断面巷道间距应按式（１０） 选取。 即Ｌ≥ｍａｘ｛ｌｒ， ｌｂ｝ ＝ｌｒ＝ ３６．６ ｍ。 即马头门硐 室与主变电所巷道间距应不小于 ３６．６ ｍ。 ３ 相邻巷道开挖影响的数值分析 以麦垛山煤矿建设为依托，利用有限差分软件 ＦＬＡＣ３Ｄ，模拟分析多种巷道间距下巷道的稳定性，选 择马头门硐室与主变电所巷道合理间距。 ３．１ 模型的建立 根据麦垛山煤矿马头门硐室与主变电站巷道的实 际情况，建立如图 ４ 所示的计算模型。 图 ４ 中左侧为 马头门硐室，右侧为主变电所巷道。 Ｄ 为二者的间距， 分别取 ２０、２５、３０、３５、４０ ｍ，建立 ５ 种计算模型。 按照 实际施工顺序，先开挖和支护马头门硐室，后开挖和支 护主变电所巷道。 图 ４ 计算模型 ３．２ 数值计算结果分析 受篇幅所限，仅展示巷道间距为 ２０、３０、４０ ｍ 时的 水平应力场、位移场、塑性区和 ５ 种巷道间距下支护荷 载的变化的分析。 ３．２．１ 围岩水平应力分布特征 不同巷道间距下平行巷道间围岩水平应力分布特征 如图５ 所示。 图中用黑线勾勒出的部分为应力影响带 （应力变化率降低到 １０％以下且处于变化中的区域）。 图 ５ 不同巷道间距时围岩水平应力分布云图 由图 ５ 可见，当巷道间距为 ２０ ｍ 时，巷道的影响 区域有连通部分；当巷道间距为 ３０ ｍ 时，巷道应力影 ９１第 ４ 期陈佃浩等 弱胶结软岩地层相邻大断面巷道合理间距研究 响区域已相互独立，但巷道影响带约占中间围岩宽度 的一半；当巷道间距为 ４０ ｍ 时，巷道应力影响带已相 互独立，且巷道应力影响带大小已不足巷道中间围岩 宽度的 １／３，相邻巷道间开挖扰动的影响可基本忽略。 ３．２．２ 巷道围岩变形破坏分析 当单一巷道的形状和受力对称，围岩的位移场是 对称的。 若受到临近巷道开挖扰动影响，这种对称性 会被打破，且巷道部分区域的位移值会增大。 巷道竖向位移云图如图 ６ 所示。 由图可见，巷道 间距不同时，巷道开挖扰动的影响使巷道位移的对称 性发生改变。 巷道间距为 ２０ ｍ 时，巷道竖向位移场向 中部倾斜；巷道间距为 ３０ ｍ 时，巷道竖向位移场的倾 斜度减小，但仍有一定的偏斜；巷道间距为 ４０ ｍ 时，巷 道竖向位移场基本恢复对称。 图 ６ 巷道竖向位移云图 图 ７ 为巷道塑性区分布，左侧为马头门硐室，右侧 为主变电所巷道；并标出了塑性区不对称部分。 图 ７ 巷道围岩塑性区分布图 由图 ７ 可见，随着巷道间距增大，马头门硐室与主 变电所巷道塑性区不对称部分面积逐渐缩小，且部分 区域塑性区范围也在减小；巷道间距为 ４０ ｍ 时，硐室 与巷道围岩塑性区已基本对称。 ３．２．３ 巷道支护荷载变化特征 由数值计算方法得出的巷道支护荷载如表 ２ 所 示，其值受到材料参数以及巷道形状等多种因素的影 响。 本次计算中仅考虑巷道间距这一个影响因子。 表 ２ 马头门硐室右帮锚杆受力的变化情况 Ｄ ／ ｍ Ｆ１ ／ ｋＮ Ｆ２ ／ ｋＮ Ｆ２ －Ｆ １ Ｆ１ １００ ％ ２０１．４６４１．６０５９．６３ ２５１．４６４１．５６１６．６２ ３０１．４６３１．５２４４．１７ ３５１．４６３１．４８７１．６４ ４０１．４６４１．４６５０．０６ 注Ｄ 为马头门硐室与主变电所巷道之间的距离；Ｆ１为仅开挖支护马 头门时，马头门硐室右帮的锚杆受力；Ｆ２为主变电所巷道开挖后， 马头门硐室同位置处的锚杆受力。 由表 ２ 可知① 主变电所未开挖时，马头门硐室右 帮锚杆受力基本不变，硐室稳定；② 主变电所巷道开挖 后，锚杆受力增大，且巷道间距由 ２０ ｍ 增大到 ４０ ｍ 时，其增大比率逐渐减小；③ 巷道间距为 ４０ ｍ 时，锚 杆受力增大比率仅为 ０．０６％，支护荷载与主变电所巷 道未开挖时基本一致。 ３．２．４ 数值分析结果 综合不同巷道间距下围岩应力扰动、变形破坏以 及巷道支护荷载变化的研究成果，确定麦垛山煤矿马 头门硐室与主变电所巷道间距为 ４０ ｍ。 ３．３ 巷道间距的确定及应用 通过理论计算与数值分析两种方法得出的马头门 硐室与主变电站巷道间距分别为不小于 ３６．６ ｍ 和 ４０ ｍ。 综合现场施工状况及安全性要求，将巷道间距确 定为 ４０ ｍ。 利用上述成果，在麦垛山煤矿现场实施后，马头门 硐室和主变电所巷道围岩安全稳定。 ４ 结 论 利用理论计算和数值分析相结合的方法，对弱胶 结软岩地层相邻大断面巷道的稳定性进行分析，得出 以下几点结论 １） 考虑临近巷道开挖扰动与爆破施工震动下已 有硐室的安全，推导出巷道合理间距的确定公式 Ｌ≥ｍａｘ｛ｌｒ， ｌｂ｝。 以麦垛山煤矿工程设计为依托，计算 出弱胶结软岩地层下，马头门硐室与主变电所巷道合 理间距不小于 ３６．６ ｍ。（下转第 ２５ 页） ０２矿 冶 工 程第 ３６ 卷 论上的矿石贫化率为 ９．４５％。 实际爆破生产统计 ２７＃ 爆堆共生产矿石 １．７１ 万吨，矿石 ＭｇＯ 平均品位为 １６．５１％，矿石贫化率为 ７．１５％。 由以上分析计算可知，以台阶起采厚度为依据选 择爆破方案的实际生产结果满足乌龙泉矿贫化率 １０％的控制要求，验证了理论方案的可行性。 同时，理 论计算将废石品位以 ０ 处理，而实际废石是有一定品 位的，所以实际贫化率一般会比理论贫化率略小，从另 一角度反映出理论方案应用于实际的效果较好。 ４ 结 论 针对乌龙泉矿露天台阶分爆分采矿石贫化率差别 大、不易控制问题，提出生产台阶矿石起采厚度（简称 台阶起采厚度）的概念，以台阶起采厚度作为分爆分 采方案选择的依据，控制台阶生产中矿石贫化率。 得 到结论如下 １） 推导计算了 ３ 种爆破方案下矿石贫化率与台 阶起采厚度的关系式；贫化率一定时，最小台阶起采厚 度随矿体倾角、采掘带宽度和剥离表土厚度的增大而 减小，随废石混入厚度增大而增大。 ２） 乌龙泉矿露天采场矿石贫化率控制为 １０％时， 各爆破条件下最小台阶起采厚度差别较大，变化范围 为 ４．９１～１０．１３ ｍ；采场实际生产中根据台阶起采厚度 制定分爆分采方案，贫化率控制效果较好。 ３） 台阶起采厚度为台阶生产爆破方案的选择提 供了依据，更加准确地控制采场矿石贫化率，保证作业 效率；生产过程中，合理地增加采掘带宽度、控制废石 混入厚度可以有效降低矿石贫化率。 参考文献 ［１］ 丁 鹏，李夕兵，刘志祥，等． 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