松軟破碎硐室群圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

王思紅，牛少卿，寇永嘉

（1.平頂山煤業(yè)集團(tuán)高莊礦，河南 平頂山 467000；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

松軟破碎硐室群圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

王思紅1，牛少卿2，寇永嘉2

（1.平頂山煤業(yè)集團(tuán)高莊礦，河南 平頂山 467000；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

為了確定平頂山礦區(qū)某礦井底車場硐室群加強支護(hù)的范圍，給硐室加固提供技術(shù)支持，運用大型數(shù)值計算軟件對礦井副井附近的硐室群開挖后圍巖的應(yīng)力場、位移場、破壞區(qū)進(jìn)行了分析。研究表明：巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，巷道兩幫圍巖出現(xiàn)生應(yīng)力集中區(qū)和塑性破壞區(qū)。在巷道交叉處和巷道拐角處，二次應(yīng)力場進(jìn)行了疊加，疊加后部分區(qū)域的應(yīng)力峰值達(dá)到原巖應(yīng)力的2～3.17倍，圍巖塑性破壞區(qū)域加大。硐室群的穩(wěn)定性不同于單個巷道、硐室，存在集中應(yīng)力疊加現(xiàn)象，在巷道交叉口和拐彎處尤其明顯，巷道間距過小時，這種應(yīng)力集中疊加會造成巷道穩(wěn)定性控制困難。

硐室群；圍巖；數(shù)值計算

1 引言

硐室群的穩(wěn)定性一直是國內(nèi)外學(xué)者長期思考和研究的問題。在我國，隨著國家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和工業(yè)建設(shè)的巨大投入，一大批礦井相繼上馬和納入規(guī)劃中[1]。平頂山礦區(qū)某礦副井井底車場硐室群圍巖屬于典型的松軟破碎巖體，本身的承載能力很低，加上井底車場周圍硐室與巷道布置密度大，施工相互影響，圍巖應(yīng)力非常復(fù)雜。已掘的硐室與巷道如果再受到臨近巷道或硐室施工的擾動影響，圍巖對這種擾動極為敏感，將發(fā)生更大的變形，產(chǎn)生更大范圍的破壞。歷次副井馬頭門變形劇烈的主要原因就是附近巷道或硐室施工擾動[2,3]。因此，深入研究井底車場硐室群周圍應(yīng)力場分布特征，對研究硐室群的穩(wěn)定性，以及圍巖支護(hù)加固設(shè)計具有重要意義。本文運用數(shù)值分析手段，進(jìn)行硐室群圍巖應(yīng)力與穩(wěn)定性分析，為采取合理的支護(hù)加固方法提供理論支持。

2 計算模型

采用大型數(shù)值計算軟件。彈塑性材料模型，運用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞[4～7]，即：

式中：σ1，σ3分別為最大和最小主應(yīng)力；C，φ 分別為材料的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角；σt為抗拉強度；Nφ=（1+sinφ）/（1-sinφ）。當(dāng)fs=0時，材料將發(fā)生剪切破壞；當(dāng)ft=0時，材料將產(chǎn)生拉伸破壞。

數(shù)值模擬對象為副井井筒及井底車場硐室群。為了全面分析硐室群的應(yīng)力分布，模擬范圍取副井井筒+366m水平上下130m范圍及周圍硐室群（見圖1），包括了副井井筒及井底車場各主要硐室和大巷。經(jīng)過現(xiàn)場取芯和巖石力學(xué)實驗測試，得到巖層力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 材料的主要力學(xué)參數(shù)

1）分析目的：掌握井巷群圍巖力學(xué)環(huán)境特征，包括應(yīng)力和變形分布特征，為井巷群的布置和穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。2）分析模型：根據(jù)副井附近巷道及硐室布置圖建立數(shù)值模型；長200 m，垂直馬頭門軸線方向，此方向為模型坐標(biāo)系的X方向。寬260 m，沿馬頭門軸線方向，此方向為模型坐標(biāo)系的Y方向。高130 m，副井軸線方向，其中硐室底板向下取37 m，此方向為模型坐標(biāo)系的Z方向。模型共分564 161個單元，生成的副井附近巷道及硐室模型見圖2，總體模型見圖3。3）邊界條件：模型底部鉛垂方向0位移約束，側(cè)邊界水平方向0位移約束；模型施加重力載荷并在上邊界施加均布載荷。4）主要分析指標(biāo)：井巷群的應(yīng)力場、位移場、破壞區(qū)變化是分析的主要內(nèi)容。5）模擬過程中的開挖順序為：副井-車場-中央變電所通道及中央變電所-中央泵房通道及中央泵房-主水倉-副水倉。

圖1 副井附近巷道及硐室布置圖

圖2 副井附近巷道及硐室網(wǎng)格劃分

圖3 總體模型及網(wǎng)格劃分圖

3 計算結(jié)果分析

運用數(shù)值計算軟件的分析，可得出了硐室群圍巖的應(yīng)力、位移等的分布情況。為了分析各巷道和硐室開挖對周圍地應(yīng)力場的影響，取出模型各截面上的圍巖應(yīng)力分布等值線圖。截面采用下面的方式標(biāo)定：以此截面的法線方向和此截面通過的一點來標(biāo)定。例如，截面平行于模型的XY面，法線方向與模型的 Z 軸方向平行，并且通過點（0，0，1），則此截面的標(biāo)定為“Z=1m”。

圖4 Z=0鉛垂應(yīng)力云圖

圖5 Z=0鉛垂位移云圖

圖4和圖5分別為Z=0剖面上的鉛垂應(yīng)力云圖和位移云圖。從圖看出，在巷道和硐室的交叉處、拐角等地方，應(yīng)力疊加嚴(yán)重，致使圍巖出現(xiàn)較大破壞區(qū)域，這對維護(hù)圍巖穩(wěn)定性不利。圖中最大鉛垂應(yīng)力約為38 MPa，原巖鉛垂應(yīng)力約為11 MPa。圖6為出車線巷道沿垂直巷道軸線鉛垂應(yīng)力分布曲線，巷道在拐角處應(yīng)力集中范圍大、集中程度大，幫部壓酥破壞區(qū)域也大。

巷道開挖以前，巖體處于原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)。巷道開挖后，應(yīng)力重新分布，巷道兩幫圍巖出現(xiàn)應(yīng)力變化區(qū)，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象和塑性破壞區(qū)。應(yīng)力集中的區(qū)域沿巷道軸線在兩幫分布，在垂直巷道軸線方向上延伸到2倍的巷道寬度處；在巷道交叉處和巷道拐角處，應(yīng)力集中進(jìn)行二次疊加，疊加后局部的應(yīng)力峰值達(dá)到原巖應(yīng)力的2～3.17倍。巷道的內(nèi)拐角較外拐角應(yīng)力集中系數(shù)高，應(yīng)力集中范圍大。在這些區(qū)域，圍巖應(yīng)力達(dá)到塑性屈服條件，巷道兩幫發(fā)生塑性流動，出現(xiàn)屈服破壞區(qū)域。

圖6 出車線巷道沿其軸線的鉛垂應(yīng)力圖

據(jù)此得出開挖對原巖應(yīng)力場的影響大小和影響范圍，從而確定需要加強的部位。所有巷道硐室開挖完成后，等候室和井筒附近應(yīng)力疊加較為嚴(yán)重，從而引發(fā)了圍巖較大范圍的破壞。井筒馬頭門附近鉛垂位移量較大，所以應(yīng)在副井馬頭門和等候室附近加強支護(hù)，在巷道和硐室交叉口、拐彎處適當(dāng)進(jìn)行加強支護(hù)。

4 結(jié)論

井筒附近巷道、硐室的受力狀況復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定性分析是個復(fù)雜難題。通過對該礦副井附近巷道硐室群的數(shù)值計算分析得出如下結(jié)論：（1）該礦副井井底車場硐室圍巖屬于破碎軟巖,采用數(shù)值計算軟件的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行計算能夠較好地模擬硐室群周圍圍巖的變形破壞過程。（2）硐室群的穩(wěn)定性不同于單個巷道、硐室，存在集中應(yīng)力疊加現(xiàn)象，在巷道交叉口和拐彎處尤其明顯。巷道間距過小時，這種應(yīng)力集中疊加會造成巷道穩(wěn)定性控制困難。（3）通過數(shù)值模擬分析，確定出了在副井馬頭門附近是圍巖應(yīng)力場、位移場疊加最為嚴(yán)重的部位，這為井巷支護(hù)提供了依據(jù)。

[1]江權(quán).高地應(yīng)力下硬巖彈脆性劣化本構(gòu)模型與大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分析[D].武漢：中科院巖土所,2006.

[2]楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)原理[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2004.

[3]曹晨明.井底車場及周圍硐室群應(yīng)力分布規(guī)律的數(shù)值分析[J].煤礦開采,2008,（3）:8-10.

[4]Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions[M].Minnesota:Itasca Consulting Group,Inc.,2005.

[5]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[6]楊桂通.彈塑性力學(xué)引論[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003.

[7]趙陽生.有限單元法及其在采礦工程中的應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1993.

Abstract:To determine the supporting area of shaft station chambers in one of Pingdingshan mines and to provide the technology for chambers supporting,the paper uses a numerical calculation software to analyze the stress field,displacement field,and disturbed field of surrounding rock when the chambers have been opened in the vicinity of subsidiary shafts.The study shows that stress of surrounding rocks is redistributed.Stress concentration zone and plastic failure zone appear at the sides of roadways.In the junction and corner of roadways,superposition of secondary stress fields happens.The peak stress of some areas reaches 2-3.17 times of the original stress.The plastic failure zone becomes wider.The stability of chambers is different from the single roadway or room,since there is the superposition of stress,especially in the junction and corner of roadways.When the distance between roadways is too small,the stress superposition would make it difficult to control the stability.

Keywords:chambers;surrounding rock;numerical calculation

編輯：徐樹文

Numerical Analysis on Surrounding Rock Stability of Soft-broken Chambers

WANG Si-hong1,NIU Shao-qing2,KOU Yong-jia2
（1.Gaozhuang Mine,Pingdingshan Coal Group,Pingdingshan Henan 467000,China;2.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi,030024,China）

TD322

A

1672-5050（2010）07-0040-03

2010-03-20

王思紅（1973—），男，山東鄆城人，大學(xué)本科，助理工程師，從事煤礦開采技術(shù)工作。