充填采矿法开采对多隧道稳定性影响的实例研究及控制策略
摘要
反复出现的不稳定和巷道/多隧道故障会使深部采矿实践受到危害。本文以河南省平顶山10号煤矿为例，研究了回采覆岩巷道对稳定性的影响及控制策略。为了揭示煤矿开采对上覆多隧道稳定性的动态影响，特别是在开采周期内和上覆岩层长期稳定期结束后，应用三维有限元模型研究了长壁板宽度、推进距离等因素对上覆多隧道稳定性的影响，以及回填材料的压实率对多隧道变形特性的影响。结果表明，随着长壁板宽度和推进距离的增加，以及BMCR的减小，上覆多隧道的破坏和变形更加明显。上覆多隧道变形程度排序如下：主要运输巷道gt;辅助运输巷道gt;主斜井gt;岩石横切gt;辅助斜井。通过二维物理模拟试验，在进一步研究放顶煤充填法多隧道变形特征的基础上，提出了充填开采上覆多隧道稳定性控制的综合分析方法和工程设计思路。所得结果对类似条件下深部开采覆岩巷道的稳定性控制具有一定的指导意义。
关键词 多隧道·回采·稳定性控制·数值模拟与物理模拟
引言
近年来，随着煤炭资源的过度开采，世界范围内上层煤炭资源日趋枯竭，迫切需要进行深层煤层开采。特别是在中国发现的煤炭资源中，约有60%的埋藏深度超过800米，开采深度以每年10～25米的速度增长(He等 2005; Zhang等 2017)。浅层煤炭资源开采后，废弃了多条不同深度、不同断面的隧道，但在深层煤炭资源由地下向地表输送过程中，仍有许多此类隧道发挥着举足轻重的作用。进入深部开采阶段后，受开采影响较大的上覆多隧道的长期稳定性控制问题十分突出，并且至关重要。例如，在类似的岩石工程中，局部隧道普遍采用锚注支护。这类隧道的维修率相对较低，但维修成本较高。同时，维护费用大大超过了掘进费用，许多巷道由于支护方案不当而发生失稳，严重影响了矿山生产和安全。因此，随着开采深度的增加，上覆隧道的稳定性控制变得十分关键。
上覆多隧道的稳定性控制包括两个具有挑战性的方面。一方面，单一的传统支护方案很难满足不同等级、不同断面隧道的全部工程要求。另一方面，深部煤层开采后，当围岩趋于不稳定时，上覆多条巷道不能保证长期稳定。
研究隧道稳定性的主要方法有理论分析计算、现场试验、模型试验和数值模拟。Tu和Bi（1998）通过现场调查和观测，研究了上覆4号煤层上覆巷道受下部开采影响的变形破坏特征，为巷道的修复加固提供了科学依据。Yu（2014）运用FLAC 3D（三维连续体的快速拉格朗日分析）数值模拟和理论分析相结合的方法，对浅埋采空区上方上覆巷道的稳定性进行了对比研究：提出了锚杆锚索联合支护方案，取得了较好的实际控制效果。Tu等(2008)通过严格的力学分析，推导了主顶板挠度与围岩支护抗力的关系，提出了注浆加固法，并在生产现场进行了验证。Rao（2008）通过对4个不同长壁板宽度的次斜井的围岩变形进行室内试验，得出了煤柱安装的最优方案。
上述研究结果明显说明，上覆隧道的稳定性受开挖尺寸、初始应力状态、地质条件、水文条件、开挖支护方式等因素的影响（Steiner 1996；Dalgıc 2002）。研究结果为进一步研究上覆隧道的稳定性奠定了基础。实践证明，采用一种简单易行的支护方法来控制大变形和长期变形几乎是不可能的。另一方面，综合运用不同的支护技术可以解决支护问题，但同时也存在着成本大、工作量大的问题，这将阻碍这种解决方案的广泛应用。因此，上覆多隧道的大规模变形控制仍然是一个具有挑战性的课题。
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