原始地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量豎井馬頭門穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

紀(jì)洪廣，鄒 靜

(北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

豎井馬頭門是一項(xiàng)重要的硐室工程，由于斷面較大且形狀復(fù)雜，其設(shè)計(jì)、施工和支護(hù)都是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。近年來，隨著豎井開鑿深度的不斷加深，修建馬頭門面臨的地應(yīng)力水平也不斷提高，各項(xiàng)工作將面臨更多的困難。本文以某煤礦千米豎井馬頭門工程為背景，在地應(yīng)力測(cè)量的基礎(chǔ)上，分析了馬頭門穩(wěn)定和地應(yīng)力的關(guān)系及優(yōu)化的問題。

1 原始地應(yīng)力場(chǎng)特征

采用水壓致裂法在礦區(qū)測(cè)定了7個(gè)鉆孔、37個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)，得出地應(yīng)力場(chǎng)分布[1]存在如下的規(guī)律：

①工程區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以水平主應(yīng)力為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值平均1.968倍。②最大水平主應(yīng)力的方向與構(gòu)造活動(dòng)方向大體一致，平均走向NE 59.775°。③最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力，均隨著深度增加而近似線性增長(zhǎng)。開采底層深度達(dá)1000m左右，應(yīng)力水平高達(dá)20～30MPa。④近于同一平面內(nèi)的同一種地應(yīng)力，不論位置與方向，基本沒有大的突變。

馬頭門附近W-13測(cè)孔的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 W-13孔地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)

煤層位于深度1006.91～1013.55m處，地應(yīng)力取最接近的一組數(shù)據(jù)為：σ1h=38.42MPa、σ2h=25.55MPa、σz=22.87MPa。煤層以上為砂巖以及細(xì)粒砂巖和泥巖的互層，以下為砂巖和泥巖的互層。由于本文并非針對(duì)已有設(shè)計(jì)方案的馬頭門，故而將圍巖簡(jiǎn)化為性質(zhì)均一的巖石，材料參數(shù)平均以后取為：容重22.3×103kN/m3，彈性模量33.5GPa，泊桑比0.32，抗壓強(qiáng)度34.6MPa，抗拉強(qiáng)度3.08MPa。

2 馬頭門穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

結(jié)合資料[2～3]關(guān)于馬頭門的描述后，幾何模型布置見圖2(圖中尺寸單位為m)，圍巖的形狀取為包裹馬頭門的塊體。在每個(gè)邊界面均施加法向約束，并以地應(yīng)力和重力為主要荷載。取混凝土襯砌厚度[4-6]為400mm～1000mm，彈模為30GPa、容重為25.0×103kN/m3、泊桑比為0.2。

圖2 馬頭門幾何模型

馬頭門不同開挖方案取向下，初始應(yīng)力場(chǎng)按式(1)[7]計(jì)算確定。σ0、σ分別表示整體坐標(biāo) 系和計(jì)算坐標(biāo)系下的應(yīng)力張量，而Q代表從整體坐標(biāo)系到局部坐標(biāo)系的變換張量。

(1)

由于馬頭門位于地下深處，不存在風(fēng)化問題，鉆孔勘探結(jié)果表明此處圍巖雖存在層理，但大體均勻，且沒發(fā)現(xiàn)明顯的裂隙，因而可視為完整無裂隙的巖體。從而取定該處巖體經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為m=3.43、s=0.082，據(jù)此可按式(2)與式(3)[8]估計(jì)巖體材料參數(shù)：

(2)

(3)

2.2 優(yōu)化計(jì)算方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)選定

馬頭門模擬通常使用有限元，[9-10]，考慮到計(jì)算效率，本文選用有限差分，[11]采用三維靜力學(xué)彈塑性分析方法。通過逐次改變最大水平主應(yīng)力與馬頭門巷道走向的夾角α(如圖3所示，以壓應(yīng)力為正)，批量計(jì)算各種情況下馬頭門的變形與破壞情況，以此考察夾角的變化和馬頭門穩(wěn)定的相關(guān)性。

圖3 夾角取值

由試算結(jié)果以及工程經(jīng)驗(yàn)可知，圖4所示截面的變形和破壞較為集中，故此在圖4中選取1～39點(diǎn)為監(jiān)控點(diǎn)，同時(shí)仿照工程監(jiān)測(cè)方法[12]選取式(4)所示的馬頭門穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(4)

式(4)中UZ表示Z方向的位移，而UY表示Y方向的位移。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果如圖5所示，可得馬頭門穩(wěn)定隨α角變化規(guī)律如下：

井筒大巷和硐室的兩壁收斂值均明顯隨α角的增大而增加。各指標(biāo)值在0°～20°之間均緩慢增加，在20°～80°之間快速增長(zhǎng)，而在80°～90°之間又趨于緩慢。整個(gè)過程數(shù)值增長(zhǎng)近將一倍，可見夾角增加對(duì)兩幫穩(wěn)定影響明顯。α角對(duì)頂?shù)装迨諗康挠绊懸鄬?duì)復(fù)雜。頂?shù)装迨諗恐翟谶B接處的隨α角的增大而增加，而在距井筒較遠(yuǎn)處數(shù)值反而減小，說明井筒對(duì)附近頂?shù)装逦灰铺卣鞔嬖谟绊憽３鲕嚪较蛞粋?cè)的指標(biāo)值變化趨勢(shì)單一且數(shù)值較小，而在進(jìn)車方向一側(cè)變化趨勢(shì)復(fù)雜且數(shù)值較大，說明截面收縮方式對(duì)頂?shù)装逦灰铺卣饕泊嬖谝欢ㄓ绊憽?/p>

圖4 監(jiān)控點(diǎn)布置

圖5 井筒附近硐室兩壁收斂值

硐室范圍內(nèi)各指標(biāo)值中，頂?shù)装迨諗恐稻∮趦蓭褪諗恐?，所以可以認(rèn)為：α角越大，越不利于馬頭門的整體穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

綜合上述分析最終可以看到，地應(yīng)力方向和馬頭門穩(wěn)定的分析大體一致：即大巷走向與最大水平主應(yīng)力方向一致時(shí)，最有利于馬頭門抵抗變形和破壞，沿此方向布置馬頭門軸線最有利于支護(hù)工作。此外，還有以下兩點(diǎn)結(jié)論：

(1) 夾角α要盡可能控制在0～20°的范圍，盡量避免處于70～90°之間，如果實(shí)在無法避免，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)兩幫的支護(hù)。當(dāng)夾角位于20～70°時(shí)，圍巖變形與夾角的關(guān)系變得十分敏感，將角度每減少1°都會(huì)為支護(hù)工作帶來顯著的影響。

(2) 夾角α對(duì)硐室兩幫與大巷頂?shù)装宸€(wěn)定的影響相反，在改善整體穩(wěn)定的同時(shí)有必要加強(qiáng)頂。

[1] 兗煤荷澤能化有限公司．萬福礦井深部地應(yīng)力測(cè)量研究[R]．北京：北京科技大學(xué)，2005.

[2] 劉剛．井巷工程[M]．北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[3] 馮光平．復(fù)雜地質(zhì)條件下的馬頭門硐室工程施工[J]．山東煤炭科技，1999，S1：13-15.

[4] 鄭忠友，杜 鋒．馬頭門設(shè)計(jì)主要因素淺析[J]．陜西煤炭，2001，(1)：32-34.

[5] 吳翔天，谷栓成．亭南礦馬頭門穩(wěn)定性分析[J]．礦山壓力與頂板管理，2004，21(4)：61-64.

[6] 姜玉松．劉莊礦風(fēng)井馬頭門破壞的分析[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2008，28(4)：19-21.

[7] 匡震邦．非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

[8] 宋健波．巖體經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則及其在地質(zhì)工程的應(yīng)用[M]．北京：地質(zhì)出版社，2002.

[9] 楊 清．錢營(yíng)孜煤礦馬頭門圍巖變形特性與支護(hù)優(yōu)化研究[D]．安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[10] 黃醒春，龐俊勇．馬頭門穩(wěn)定性分析[J]．建井技術(shù)，1991，(2)：48-52.

[11] 劉 波，韓彥輝．FLAC原理、實(shí)例與實(shí)用指南[M]．北京：人民交通出版社，2000.

[12] 蔡美峰，何滿潮，劉東燕．巖石力學(xué)與工程[M]．北京：科學(xué)出版社，2002.