松軟破碎硐室群圍巖穩定性數值分析

王思紅，牛少卿，寇永嘉

（1.平頂山煤業集團高莊礦，河南 平頂山 467000；2.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

松軟破碎硐室群圍巖穩定性數值分析

王思紅1，牛少卿2，寇永嘉2

（1.平頂山煤業集團高莊礦，河南 平頂山 467000；2.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

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

硐室群；圍巖；數值計算

1 引言

硐室群的穩定性一直是國內外學者長期思考和研究的問題。在我國，隨著國家經濟的迅速發展和工業建設的巨大投入，一大批礦井相繼上馬和納入規劃中[1]。平頂山礦區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，圍巖應力非常復雜。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，將發生更大的變形，產生更大范圍的破壞。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力場分布特征，對研究硐室群的穩定性，以及圍巖支護加固設計具有重要意義。本文運用數值分析手段，進行硐室群圍巖應力與穩定性分析，為采取合理的支護加固方法提供理論支持。

2 計算模型

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

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

數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。經過現場取芯和巖石力學實驗測試，得到巖層力學參數，如表1所示。

表1 材料的主要力學參數

1）分析目的：掌握井巷群圍巖力學環境特征，包括應力和變形分布特征，為井巷群的布置和穩定性分析提供依據。2）分析模型：根據副井附近巷道及硐室布置圖建立數值模型；長200 m，垂直馬頭門軸線方向，此方向為模型坐標系的X方向。寬260 m，沿馬頭門軸線方向，此方向為模型坐標系的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：井巷群的應力場、位移場、破壞區變化是分析的主要內容。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格劃分

圖3 總體模型及網格劃分圖

3 計算結果分析

運用數值計算軟件的分析，可得出了硐室群圍巖的應力、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力場的影響，取出模型各截面上的圍巖應力分布等值線圖。截面采用下面的方式標定：以此截面的法線方向和此截面通過的一點來標定。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），則此截面的標定為“Z=1m”。

圖4 Z=0鉛垂應力云圖

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，應力疊加嚴重，致使圍巖出現較大破壞區域，這對維護圍巖穩定性不利。圖中最大鉛垂應力約為38 MPa，原巖鉛垂應力約為11 MPa。圖6為出車線巷道沿垂直巷道軸線鉛垂應力分布曲線，巷道在拐角處應力集中范圍大、集中程度大，幫部壓酥破壞區域也大。

巷道開挖以前，巖體處于原巖應力的平衡狀態。巷道開挖后，應力重新分布，巷道兩幫圍巖出現應力變化區，產生應力集中現象和塑性破壞區。應力集中的區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，應力集中進行二次疊加，疊加后局部的應力峰值達到原巖應力的2～3.17倍。巷道的內拐角較外拐角應力集中系數高，應力集中范圍大。在這些區域，圍巖應力達到塑性屈服條件，巷道兩幫發生塑性流動，出現屈服破壞區域。

圖6 出車線巷道沿其軸線的鉛垂應力圖

據此得出開挖對原巖應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力疊加較為嚴重，從而引發了圍巖較大范圍的破壞。井筒馬頭門附近鉛垂位移量較大，所以應在副井馬頭門和等候室附近加強支護，在巷道和硐室交叉口、拐彎處適當進行加強支護。

4 結論

井筒附近巷道、硐室的受力狀況復雜，圍巖穩定性分析是個復雜難題。通過對該礦副井附近巷道硐室群的數值計算分析得出如下結論：（1）該礦副井井底車場硐室圍巖屬于破碎軟巖,采用數值計算軟件的Mohr-Coulomb本構模型進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）硐室群的穩定性不同于單個巷道、硐室，存在集中應力疊加現象，在巷道交叉口和拐彎處尤其明顯。巷道間距過小時，這種應力集中疊加會造成巷道穩定性控制困難。（3）通過數值模擬分析，確定出了在副井馬頭門附近是圍巖應力場、位移場疊加最為嚴重的部位，這為井巷支護提供了依據。

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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，大學本科，助理工程師，從事煤礦開采技術工作。