深水平巷道地應力耦合效應的數值模擬分析

張 寧，高明中，經來旺，雷成祥

(1.安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.淮南礦業集團有限責任公司，安徽 淮南 232001)

由于經濟和社會的不斷發展，礦產資源的消耗不斷增大，在我國煤炭資源在一次能源的生產和消費構成中所占比例較重，2010年煤炭為60%左右，估計到2050年仍將占50%以上，隨著國民經濟的發展，對礦產資源的需求量還將不斷加大，因此，我國能源結構將長期以煤為主。而我國的煤炭開采隨著淺部資源的枯竭逐漸向深部延伸，深部開采將成為我國煤炭資源的主要來源。據相關數據統計，我國煤礦開采深度以每年8～12m的速度增加，徐州、平頂山、開灤、新汶、淮南等礦區部分煤礦開采深度已經超過1000m。預計在未來20年我國很多煤礦將進入到1000～1500m的深度。我國已探明的煤炭儲量中，埋深在1000m以下的為2.95萬億t，占煤炭資源總量的53%[1-4]。隨著煤礦開采的不斷深入，巷道圍巖地質條件越來越復雜，地應力水平更高，在深部高應力狀態下，巷道圍巖變形量大、變形速率快、持續時間長、流變性特別突出[5-6]，在深部高應力下流變特性及其耦合效應已經成為了不得不考慮的重要問題[7]。本文利用淮南礦業集團朱集煤礦的現場實例，采用理論研究與數值模擬的方法對高應力下巷道地應力耦合顯現效應進行研究。

1 地應力耦合機理分析

在巷道圍巖的巖體內存在著一個對巷道支護設計具有重要影響的應力——地下巷道開挖形成的次生應力。在地下巷道群中，每個巷道開挖產生的次生應力不僅僅只影響巷道自身，而且會互相影響，次生應力與容重應力、構造應力相互耦合，使得巷道群中的每個巷道都處于一個相互影響、相互制約的復雜受力和變形的關系中。

具體表現在原有穩定巷道出現新的應力分布而發生新的變形，新挖掘巷道的變形速率在受耦合效應影響位置的變形比整個巷道的變形出現明顯嚴重等情況。

2 實例分析

2.1 工程概況

朱集煤礦是兩淮地區唯一一個4井筒均超千米的超深礦井，高地壓、次生地壓、軟弱圍巖性質三方面相互耦合作用使得巷道底臌十分嚴重，在深井巷道掘進中次生應力的相互耦合作用是以煤巖體為載體，巖層的物理力學特性既受次生應力擾動的影響，又直接影響次生應力的耦合顯現效應。在深井高地應力狀態下，巷道掘進的沖擊鑿巖和爆破作用首先要擾動圍巖的原應力狀態產生次生應力作用，引起應力重新分布。巷道圍巖向掘進空間的卸載變形大小可以反映地應力與次生應力的耦合顯現程度；掘進和圍巖卸載引起的次生應力大小和擾動范圍都與巖體的抗拉、抗壓和卸載特性有直接關系,特別是次生應力在鄰近巷道顯現所具有的時效性與圍巖的流變特性有較大關系。巖層的物理力學特性復雜，巖樣試驗檢測和現場變形監測都有較大局限性，為直觀了解深井高地應力狀態下巷道掘進開挖引起的應力重分布結果和巷道掘進的空間位置關系對地應力與次生應力的耦合顯現的影響關系，采用數值模擬計算分析，可為深井高地應力下巷道掘進次生應力在相鄰巷道群的顯現效應分析提供依據，對合理設計地下巷道的相互位置和減小超深井巷道掘進的相互影響具有重要意義。

2.2 有限元數值模型

FLAC3D(Fast Lagrang ian Ana lysis of Continua)軟件是美國ITASCA咨詢集團根據拉格朗日元法設計的、在其二維產品FLAC2D的基礎上拓展的、專門針對巖土體問題開發的計算軟件，可用于有關邊坡、基礎、壩體、隧道、地下采場、洞室等的應力分析，可實現對巖石、土和支護結構等巖土工程建立高級三維模型, 進行復雜的數值分析與設計等, 具有應用廣泛、運行速度快、功能強大等特征[ 8-13]。

根據朱集礦目前的礦井建設現狀和工程地質條件，以正在掘進施工的11-2煤層運輸順槽巷道對既有頂板巖層巷道運輸順槽高抽巷的穩定影響建立三維計算分析模型。為簡化計算模型，地層取煤層、泥巖、粉砂巖和砂巖，煤層底板只簡化成粉砂巖，頂板簡化為泥巖、粉砂巖和砂巖，取室內實驗檢測到的力學性能參數。

巖體本構模型及參數選擇：朱集礦深井現狀巖體的力學性質具有高度的易變性和離散性，尋找簡單且適用的模型是非常困難的，考慮到研究問題的特殊性，采用Mohr-Coulomb模型，模擬計算的巖體力學參數如表1所示。

表1 模擬計算選用的巖體力學參數

計算模型參數如圖1所示，計算網格劃分情況如圖2所示。

2.3 模擬計算結果分析

2.3.1 深井地壓下開挖順槽高抽巷的圍巖應力與位移分析

經過模擬計算分析，在目前礦壓條件下開挖順槽高抽巷且尚未支護時，圍巖的最大豎向壓力在巷道幫底部，壓力可達43.7MPa，見圖3；最大豎向位移在巷道頂部為35.1mm，見圖4，巷道底臌為37.9mm，最大水平位移在幫部為19.2mm。

圖1 順槽與高抽巷計算模型參數

圖2 順槽與高抽巷應力耦合計算模型網格劃分

圖3 順槽高抽巷開挖的豎向應力分布

圖4 順槽高抽巷開挖的豎向位移云圖

2.3.2 順槽煤巷開挖到順槽高抽巷下方接近計算斷面的圍巖的應力與位移分析

經過模擬計算分析，在目前礦壓條件下開挖順槽煤巷，順槽高抽巷采用強化棚腿與錨噴支護方案后，圍巖的最大豎向壓力仍在巷道幫底部，壓力可達44.4MPa，見圖5；最大豎向位移在巷道頂部為33.7mm，最大水平位移在與順槽煤巷靠近的幫部為15.7mm，見圖6；巷道底臌為37.0mm。模擬結果說明開挖次生應力對順槽高抽巷有影響。采用該支護方案，有效控制了巷道的變形。

圖5 順槽開挖接近高抽巷時圍巖豎向應力云圖

圖6 順槽開挖接近高抽巷時圍巖水平位移云圖

2.3.3 順槽煤巷開挖通過順槽高抽巷計算斷面后的圍巖的應力與位移分析

經過模擬計算分析，在目前礦壓條件下開挖順槽煤巷，順槽高抽巷采用強化棚腿與錨噴支護方案后，圍巖的最大豎向壓力仍在巷道幫底部，壓力值變化不大，見圖7；最大豎向位移在巷道頂部為35.7mm，巷道底臌為33.0mm，見圖8；最大水平位移在與順槽煤巷靠近的幫部為15.8mm，見圖9。模擬結果說明順槽煤巷開挖通過后次生應力對順槽高抽巷的影響有所加大，但不是太明顯。

圖7 順槽開挖通過高抽巷時圍巖豎向壓力云圖

圖8 順槽開挖通過高抽巷時圍巖豎向位移云圖

圖9 圖順槽開挖通過高抽巷時圍巖水平位移云圖

3 小結

朱集礦千米深井高地應力條件下，地應力與巷道掘進次生應力的耦合作用在鄰近巷道群中有明顯的顯現效應，會引起鄰近巷道的壓力增加，既有支護結構的收斂變形量和變形速率都明顯增大。

通過數值模擬分析得出：朱集礦的順槽煤巷開挖對上部頂板巖層順槽既有高抽巷道有次生應力的影響，與順槽煤巷較近的右幫下部都出現壓脹變形，頂板位移也增大；采用設計的強化支護方案可有效控制巷道變形，抵抗開挖次生應力的耦合作用效應。

深井高地應力下煤層開挖巷道引起的次生應力耦合作用最大，其次是頂板巷道；深井高地應力下煤層和頂板拱形巷道的失穩破壞都以相鄰幫部的膨脹變形失穩為主，巷道支護應以強幫抑制膨脹變形為主要措施，增大幫部圍巖的自承能力和有效控制側幫變形。

[1] 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(16)：2803-2813.

[2] 周宏偉，謝和平，左建平.深部高地應力下巖石力學行為研究進展[J].力學進展，2005，35(1)：91-99.

[3] 賀永年，韓立軍，邵鵬，等.深部巷道穩定的若干巖石力學問題[J].中國礦業大學學報，2006，35(3)：288-295.

[4] 王明洋，周澤平，錢七虎.深部巖體的構造和變形與破壞問題[J].巖石力學與工程學報，2006，25(3)：448-455

[5] 高延法，曲祖俊，牛學良，等.深井軟巖巷道圍巖流變與應力場演變規律[J].煤炭學報，2007，32(12)：1244-1252.

[6] 王成，汪良海，張念超.高應力軟巖巷道圍巖流變動態演化研究[J].采礦與安全工程學報，2013，30(1)：14-18.

[7] 孟慶彬，韓立軍，喬衛國，等.深部高應力軟巖巷道變形破壞特性研究[J].采礦與安全工程學報，2012，29(04)：481-486.

[8] ITASCA 咨詢公司, Inc.FLAC3D用戶手冊[M ].版本1, 明尼阿波利斯, 明尼蘇達州, 2002.

[9] 劉波, 韓彥輝.FLAC 原理、實例與應用指南[M ].北京: 人民交通出版社, 2005.

[10] 高林，李長洪，徐國強.彈柔錨桿在擋土墻支護中的數值模擬[J].中國礦業，2012，21(7)：101-103.

[11] 趙樹江，臧燕杰，袁越.松散膨脹復合型軟巖巷道的管棚超前支護技術研究[J].中國礦業，2012，21(8)：74-78.

[12] 薛華俊，宋建成，李中州等.深井巖巷掘進中的圍巖應力場的數值分析[J].中國礦業，2013，22(5)：83-87.

[13] 李龍福，金愛兵，鄧福根，等.軟巖交叉巷道開挖圍巖穩定性數值模擬分析[J].中國礦業，2011，20(9)：84-86.

更正

由于筆者原因，《中國礦業》2013年第22卷增刊《海南省海岸主體功能區二級區劃評價指標體系構建：以三亞為例》一文中第199頁左欄第1、2行內容和參考文獻有誤，更正如下。①第199頁左欄第1、2行。原文：利用熵權法，對原始數據進行處理，首先進行標準化處理(表3)。更正為：利用熵權法[21]，對原始數據進行處理，首先進行標準化處理(表3)。②參考文獻增加21篇。[21]周朝陽，宋銳林.基于熵權法的生態決策設計模型[J].當代經濟，2008，10(上)：160-161.

中國礦業雜志社編輯部