松軟破碎硐室群圍巖加固范圍的數(shù)值模擬研究

黃 勇，孫 淼，高 佚

（潞安礦業(yè)集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046103）

松軟破碎硐室群圍巖加固范圍的數(shù)值模擬研究

黃 勇，孫 淼，高 佚

（潞安礦業(yè)集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046103）

為了確定潞安集團(tuán)屯留礦井底車場硐室群加強(qiáng)支護(hù)的范圍，采用數(shù)值模擬方法，研究了硐室群圍巖應(yīng)力場的分布情況，并據(jù)此確定加強(qiáng)支護(hù)的范圍。研究結(jié)果表明：硐室群建成后，在開挖區(qū)域的煤柱中形成了卸壓區(qū)，在巷道拐角處卸壓區(qū)域較大，在T型交叉口更大，在井筒和馬頭門卸壓區(qū)域最大；根據(jù)卸壓區(qū)域圍巖應(yīng)力場的分布特征，確定出硐室群的危險區(qū)域，并建議在危險區(qū)域加大錨桿支護(hù)的深度和密度，并采用W鋼帶等加強(qiáng)支護(hù)措施。這一研究成果可給同類條件下的其他礦井提供參考。

硐室群；圍巖；加固；數(shù)值計算

1 問題的提出

硐室群的穩(wěn)定性一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的課題。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，煤炭行業(yè)資源整合和新礦井建設(shè)相繼上馬和納入規(guī)劃中[1]。屯留礦井是山西潞安集團(tuán)“十五”時期投資建設(shè)的一座特大型現(xiàn)代化礦井[2]。屯留礦副井井底車場坐落在厚層軟巖中，在副井井筒與馬頭門連接處上下所揭露的巖層地質(zhì)條件非常差，主要以泥巖、粉砂巖為主[3]，副井井底車場硐室群圍巖屬于松軟破碎巖體，自身的承載能力低，井底車場周圍硐室與巷道布置密度大，加之施工過程的相互影響，使得該處圍巖所受應(yīng)力非常復(fù)雜[4-5]，致使井底車場及副井井筒處于不穩(wěn)定狀態(tài)，井筒嚴(yán)重變形和下墜，經(jīng)過近兩年的多次維修，才得以穩(wěn)定[2]。因此，深入研究井底車場硐室群圍巖應(yīng)力場分布特征，確定硐室群加強(qiáng)支護(hù)范圍顯得非常重要。

本文運(yùn)用數(shù)值分析手段，以屯留礦為工程背景，對屯留礦副井附近硐室群圍巖應(yīng)力場進(jìn)行了分析，確定出了硐室群需要加強(qiáng)支護(hù)的范圍，為采取合理的支護(hù)加固方法提供理論支持。

2 計算模型的建立

數(shù)值模擬選取范圍為副井井筒及井底車場硐室群。副井附近巷道及硐室布置圖，見圖1。為了能全面反映硐室群的應(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2。此區(qū)域包括了副井井筒及井底車場各主要硐室、大巷。模型長200m，寬260m，高130m，其中硐室底板向下取37m。模型共劃分564161個單元，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。

采用大型數(shù)值計算軟件FLAC3D計算。材料本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

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)，見表1。建立副井附近巷道及硐室模型，如圖2所示。

表1 材料的主要力學(xué)參數(shù)

模擬過程中的開挖順序為：副井（Ⅰ）—車場（Ⅱ）—中央變電所通道及中央變電所（Ⅲ）—中央

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)格化分示意圖

泵房通道及中央泵房（Ⅳ）—主水倉（Ⅴ）—副水倉（Ⅵ）。

3 計算結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬分析

通過數(shù)值計算分析，獲取硐室群圍巖應(yīng)力及位移分布情況。為了分析各巷道和硐室開挖對周圍地應(yīng)力場的影響，取出模型巷道中心水平截面上的圍巖應(yīng)力分布等值線圖。

圖3 X方向鉛垂應(yīng)力云圖

圖4 Y方向水平應(yīng)力云圖

圖5 X方向水平應(yīng)力云圖

圖3為水平截面鉛垂應(yīng)力云圖，圖4為水平截面Y方向水平應(yīng)力云圖，圖5為水平截面X方向水平應(yīng)力云圖。分析圖3-圖5可知，在開挖區(qū)域附近，不論是鉛垂應(yīng)力還是水平應(yīng)力，都形成了明顯的應(yīng)力降低區(qū)，深度為4m左右，深部存在著應(yīng)力集中區(qū)，深度約為2m，最后過渡到了原巖應(yīng)力區(qū)，過渡范圍較大，約為1m～3m。

3.2 松軟破碎硐室群圍巖加固范圍

由以上分析可知，在巷道交叉處和巷道拐角處，應(yīng)力集中進(jìn)行二次疊加，疊加后的應(yīng)力峰值達(dá)到原巖應(yīng)力的1.5倍～3倍。巷道的應(yīng)力集中系數(shù)較高，應(yīng)力集中范圍較大。在這些區(qū)域內(nèi)，圍巖應(yīng)力達(dá)到了塑性屈服條件，巷道兩幫發(fā)生塑性流動，出現(xiàn)剪切屈服和拉伸屈服區(qū)域，其中拉伸屈服主要處于巷道交叉點，尤以臨近副井的馬頭門兩幫及管子道與中央變點所和中央泵房交叉處最為集中。車場、南北馬頭門、中央變電所和中央泵房的開挖在副井附近造成不同程度的應(yīng)力集中，對副井井筒的穩(wěn)定有著重要的影響。

在巷道和硐室的交叉點、拐角等地方，應(yīng)力疊加嚴(yán)重(最高可達(dá)38MPa)，致使圍巖出現(xiàn)較大破壞區(qū)域，這對維護(hù)圍巖穩(wěn)定性極為不利。由圖3－圖5可知，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，范圍可達(dá)6m～8m。

數(shù)值分析表明，硐室群的最大鉛垂應(yīng)力及水平應(yīng)力都出現(xiàn)在巷道或硐室的拐角處。硐室群附近明顯的圍巖擾動大致可以分為圖6－圖8所示的兩個區(qū)域。區(qū)域I在交叉口外面，頂板情況同主巷道相同，因此頂板支護(hù)基于單獨的巷道程序；區(qū)域II在交叉口內(nèi)，經(jīng)歷了巖層的強(qiáng)載荷，因此需要專門考慮頂板錨固長度和錨固位置。相對于區(qū)域I來說錨固長度需要增加，間距需要減小。交叉處、拐角處、馬頭門的支護(hù)必須在和其他巷道連通前安裝完成。同時建議靠近幫部的頂錨桿傾斜安裝，平行煤柱邊緣安裝高強(qiáng)度W鋼帶以維持巷道硐室的整體穩(wěn)定性。

圖6 直角拐角處不穩(wěn)定區(qū)域

圖7 馬頭門處不穩(wěn)定區(qū)域

圖8 三岔口處不穩(wěn)定區(qū)域

4 結(jié)論

硐室群的受力狀況比較復(fù)雜，其穩(wěn)定性分析是一個復(fù)雜的難題，由于諸多原因，數(shù)值計算和現(xiàn)場觀測結(jié)果還存在一些差異。通過 對屯留礦副井附近硐室群的穩(wěn)定性分析得出如下結(jié)論：

（1）硐室群的危險區(qū)域一般出現(xiàn)在硐室群的拐角處、馬頭門和三岔口等巷道交叉點處，這些區(qū)域內(nèi)，圍巖所受應(yīng)力達(dá)到其屈服極限，若不加強(qiáng)支護(hù)將會發(fā)生塑性流動破壞。該區(qū)域是進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)的主要區(qū)域。（2）危險區(qū)域范圍取值約6m～8m，在該區(qū)域內(nèi)應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，建議采用提前安裝支護(hù)，加大錨桿支護(hù)密度和強(qiáng)度，加長錨索長度并安裝W鋼帶等支護(hù)措施。（3）減小或避免硐室之間的相互影響，這對維護(hù)硐室群的穩(wěn)定性極為有利。

[1]王思紅，牛少卿，寇永嘉.松軟破碎硐室群圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].山西煤炭，2010，30(7):40-42.

[2]劉峰，董經(jīng)存.構(gòu)建“集約高效 安全和諧 綠色新型”煤炭企業(yè)[J].煤，2008(9)：1-3.

[3]劉東偉.余吾煤業(yè)公司煤巖體賦存特在研究與分析[J].煤，2008(9)：23-24.

[4]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.

[5]毛華晉，牛少卿，顏文艷.長壁開采條件下的巷道三岔口穩(wěn)定性研究[J].山西煤炭,2011,31(1):39-41.

Numerical Simulation on Surrounding Rock ReinforcemenTScope for Soft-broken Chambers

HUANG Yong,SUN Miao,GAO Yi
(Yuwu Coal Co.,Lu'an Mining Group,Changzhi Shanxi 046103)

To determine the supporting scope oFshafTstation chambers in Tunliu mine,Lu'an Group,the paper uses numerical simulation to analyze the stress field layouTand determine the supporting area.The results show:after the building oFchambers,the stress-released areas are formed in the pillars.The size oFthe areas is big in the corner oFroadways,bigger in the Tshaped crossroads,and biggesTin the shafts and ingate.According to the layouTfeatures oFsurrounding rock stress fields,the dangerous areas oFchambers are determined.The author suggests to increase depth and density oFanchor supporting in the areas and to adopTW steel belTsupport.The study provides a reference for the similar mines.

chambers;surrounding rocks;reinforcement;numerical simulation

TD322

A

1672-5050（2011）07-0027-03

2011-03-15

黃 勇（1982—），男，重慶黔江人，本科，助理工程師，從事煤礦管理工作。

劉新光