深井軟巖硐室群合理布置的數值模擬研究

閆培顯 劉 浩 周寶龍

(1. 兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東省濟寧市，272000；2. 山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266590)

1 工程概況

在新河煤礦-980 m二節軌道暗斜井底車場以里軌道大巷北側布置水平泵房、變電所及水倉。泵房、變電所聯合布置在3號煤層頂板以下砂巖中。泵房長度50 m，泵房內布置有5個吸水井壁龕。變電所長度60 m，水倉分內、外兩倉布置，設計總長度為498 m。

2 數值模擬

受水泵房主體硐室長度限制以及水泵、電機組合預留間距的影響，確定壁龕間距在4～6 m范圍內。本次模擬分為2個方案：方案1模擬同尺寸壁龕，研究兩個相同尺寸壁龕在不同間距(4 m、5 m、6 m)下應力變化規律及相互影響；方案2模擬不同尺寸壁龕，研究兩個不同尺寸壁龕在不同間距(4 m、5 m、6 m)下應力變化規律及相互影響。

2.1 計算模型

依據新河煤礦-980 m水平水泵房所處圍巖環境建立模型，模型尺寸為50 m×20 m×30 m(長×寬×高)。水泵房主體硐室設計斷面為直墻半圓拱形，寬6 m，高4 m。方案1中壁龕為直墻半圓拱形巷道，寬5 m，高1.5 m。方案2中大壁龕與方案1的壁龕尺寸相同，小壁龕為直墻半圓拱形巷道，寬3 m，高1.2 m。方案1模型由123350個單元組成，方案2模型由209631個單元組成。開挖前，對模型進行初始平衡計算，使巖層處于原巖應力狀態。巖石力學參數見表1。水泵房平面布置如圖1所示。

圖1 水泵房平面布置圖

巖層名稱密度/kg·m-3彈性模量/GPa泊松比內聚力/MPa抗拉強度/MPa內摩擦角/(°)泥巖24558.230.271.20.63730細砂巖2563250.2083.52.1339.2泥巖24558.230.271.20.63730

2.2 模擬結果分析

2.2.1 方案1模擬結果分析

(1)垂直應力分析。兩同等尺寸的壁龕在同一水平開挖，模擬獲得同等斷面巷道不同保護寬度下覆巖垂直應力變化YOX切片如圖2所示。由圖2可知，受水泵房主體硐室開挖的影響，垂直應力沿主體硐室開挖方向集中分布。壁龕間距4 m時，應力集中區域分布在壁龕左右兩側以及壁龕煤柱之間，且與壁龕掌面平行，兩壁龕煤柱最大垂直應力達到40 MPa，壁龕兩側垂直應力最大達到38.5 MPa。壁龕相距5 m時，應力集中區域由外側開始往煤柱中間移動且垂直應力增加到44.1 MPa，壁龕左右兩側垂直應力減小到36 MPa。對比5 m與6 m間距時模型垂直應力分布可知，應力變化量不大，說明間距大于5 m時圍巖應力趨于穩定。

(2)圍巖位移分析。同等斷面巷道不同保護寬度下覆巖垂直應力變化XOZ切片如圖3所示，同等斷面巷道不同保護寬度下壁龕圍巖位移量如圖4所示。由圖3和圖4可知，隨著保護寬度的增大，圍巖位移量逐漸減小，圍巖趨于穩定。相距4 m時，壁龕頂板下沉量達到1040 mm，底板底鼓量達334 mm，壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移為1303 mm。相距5 m時，壁龕頂板下沉量減小到821 mm，底鼓量減小到308.2 mm，兩壁龕之間底板變形范圍縮小，壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移減小至1052 mm。相距6 m時，壁龕頂板下沉量減小到422 mm，底鼓量減小到203.8 m，兩壁龕之間底板變形范圍進一步縮小，壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移減小至838 mm。

圖2 不同保護寬度下覆巖垂直應力演化云圖YOX切片

圖3 不同保護寬度下覆巖垂直位移云圖XOZ切片

圖4 同等斷面巷道不同保護寬度下壁龕圍巖位移量

結合不同保護寬度下覆巖垂直應力分析和垂直位移分析可知，水泵房主體硐室與壁龕連接處變形較大。隨著壁龕之間寬度的增加，兩壁龕之間應力集中區域由外側開始往煤柱中間移動且應力值越來越大，兩壁龕左右兩側的應力值逐漸減小。由分析可知，間距大于5 m時圍巖趨于穩定。

2.2.2 方案2模擬結果分析

(1)垂直應力分析。兩同等尺寸的壁龕在同一水平開挖，模擬獲得不等斷面巷道不同保護寬度下垂直應力變化如圖5所示。由圖5可知，受主體硐室開挖的影響，垂直應力沿主體硐室開挖方向集中分布。壁龕間距4 m時，應力集中區域分布在大壁龕左側以及兩壁龕之間，兩壁龕煤柱最大垂直應力達到39.8 MPa，大壁龕左側垂直應力達到36.5 MPa。壁龕相距5 m時，應力集中區域位置不變且垂直應力增加到43.2 MPa，大壁龕左側垂直應力減小到36 MPa。相距6 m時，應力集中區域位置不變且垂直應力增加到43.9 MPa，壁龕左右兩側垂直應力減小至35.6 MPa。與同斷面壁龕模擬相比，應力集中偏向于小壁龕一側。5 m與6 m間距時垂直應力變化量不大，與同斷面壁龕模型相同，間距大于5 m時，圍巖趨于穩定。

圖5 不等斷面巷道不同保護寬度下垂直應力云圖YOX切片

(2)圍巖位移分析。不同斷面巷道不同保護寬度下覆巖垂直應力變化如圖6所示，不同斷面巷道不同保護寬度下壁龕圍巖位移量如圖7所示。由圖6和圖7可知，隨著保護寬度的增大，其圍巖位移量逐漸減小，圍巖逐漸趨于穩定，大斷面硐室圍巖位移量比小斷面硐室要大。相距4 m時，大斷面硐室頂板下沉量達1541 mm，底鼓量達531 mm，小斷面硐室頂板下沉量達到924 mm，底鼓量達361 mm，壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移為1432 mm。相距5 m時，大斷面硐室頂板下沉量達到1023 mm，底鼓量達332.5 mm，小斷面硐室頂板下沉量達到756 mm，底鼓量達302.5 mm，兩硐室之間底板變形范圍縮小，壁龕之間水平位移減小至1257 mm。相距6 m時，大斷面硐室頂板下沉量達到836 mm，底鼓量達273 mm，小斷面硐室頂板下沉量達到410 mm，底鼓量達219.9 mm，兩硐室之間底板變形范圍進一步縮小，壁龕之間水平位移減小至936 mm。

圖6 不同斷面巷道不同保護寬度下壁龕垂直位移云圖

結合不同保護寬度下覆巖垂直應力分析和垂直位移分析可知，主體硐室與壁龕連接處變形較大，且大壁龕連接處比小壁龕連接處變形要大。與同斷面壁龕模型相同，對于壁龕之間，間距越小，壁龕之間圍巖體應力較小，隨著間距的增大，硐室圍巖變形逐漸減小。

間距大于5 m時圍巖亦趨于穩定。

圖7 不同斷面巷道不同保護寬度下壁龕圍巖位移量

4 結論

(1)等斷面壁龕開挖過程中，兩壁龕之間圍巖體中應力分布均勻，隨著煤柱距離的增加，兩壁龕之間應力集中區由煤柱外側向煤柱中間移動并逐漸增大，圍巖變形逐漸減小，則在進行壁龕布置時，將壁龕間距控制在5～6 m范圍內。

(2)不等斷面壁龕開挖過程中，隨著煤柱距離的增加，兩壁龕之間煤柱中應力集中區移動不明顯，但應力值逐漸增加，圍巖位移量逐漸減小，與等斷面壁龕開挖相同，大壁龕受小壁龕的擾動影響較大，在進行壁龕布置時，將壁龕間距控制在5～6 m范圍內。

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