深水平巷道地應(yīng)力耦合效應(yīng)的數(shù)值模擬分析

張 寧，高明中，經(jīng)來旺，雷成祥

(1.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

由于經(jīng)濟(jì)和社會的不斷發(fā)展，礦產(chǎn)資源的消耗不斷增大，在我國煤炭資源在一次能源的生產(chǎn)和消費(fèi)構(gòu)成中所占比例較重，2010年煤炭為60%左右，估計(jì)到2050年仍將占50%以上，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求量還將不斷加大，因此，我國能源結(jié)構(gòu)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(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(qū)部分煤礦開采深度已經(jīng)超過1000m。預(yù)計(jì)在未來20年我國很多煤礦將進(jìn)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(zhì)條件越來越復(fù)雜，地應(yīng)力水平更高，在深部高應(yīng)力狀態(tài)下，巷道圍巖變形量大、變形速率快、持續(xù)時(shí)間長、流變性特別突出[5-6]，在深部高應(yīng)力下流變特性及其耦合效應(yīng)已經(jīng)成為了不得不考慮的重要問題[7]。本文利用淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集煤礦的現(xiàn)場實(shí)例，采用理論研究與數(shù)值模擬的方法對高應(yīng)力下巷道地應(yīng)力耦合顯現(xiàn)效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 地應(yīng)力耦合機(jī)理分析

在巷道圍巖的巖體內(nèi)存在著一個(gè)對巷道支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要影響的應(yīng)力——地下巷道開挖形成的次生應(yīng)力。在地下巷道群中，每個(gè)巷道開挖產(chǎn)生的次生應(yīng)力不僅僅只影響巷道自身，而且會互相影響，次生應(yīng)力與容重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力相互耦合，使得巷道群中的每個(gè)巷道都處于一個(gè)相互影響、相互制約的復(fù)雜受力和變形的關(guān)系中。

具體表現(xiàn)在原有穩(wěn)定巷道出現(xiàn)新的應(yīng)力分布而發(fā)生新的變形，新挖掘巷道的變形速率在受耦合效應(yīng)影響位置的變形比整個(gè)巷道的變形出現(xiàn)明顯嚴(yán)重等情況。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

朱集煤礦是兩淮地區(qū)唯一一個(gè)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(zhì)三方面相互耦合作用使得巷道底臌十分嚴(yán)重，在深井巷道掘進(jìn)中次生應(yīng)力的相互耦合作用是以煤巖體為載體，巖層的物理力學(xué)特性既受次生應(yīng)力擾動的影響，又直接影響次生應(yīng)力的耦合顯現(xiàn)效應(yīng)。在深井高地應(yīng)力狀態(tài)下，巷道掘進(jìn)的沖擊鑿巖和爆破作用首先要擾動圍巖的原應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生次生應(yīng)力作用，引起應(yīng)力重新分布。巷道圍巖向掘進(jìn)空間的卸載變形大小可以反映地應(yīng)力與次生應(yīng)力的耦合顯現(xiàn)程度；掘進(jìn)和圍巖卸載引起的次生應(yīng)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(guān)系,特別是次生應(yīng)力在鄰近巷道顯現(xiàn)所具有的時(shí)效性與圍巖的流變特性有較大關(guān)系。巖層的物理力學(xué)特性復(fù)雜，巖樣試驗(yàn)檢測和現(xiàn)場變形監(jiān)測都有較大局限性，為直觀了解深井高地應(yīng)力狀態(tài)下巷道掘進(jìn)開挖引起的應(yīng)力重分布結(jié)果和巷道掘進(jìn)的空間位置關(guān)系對地應(yīng)力與次生應(yīng)力的耦合顯現(xiàn)的影響關(guān)系，采用數(shù)值模擬計(jì)算分析，可為深井高地應(yīng)力下巷道掘進(jìn)次生應(yīng)力在相鄰巷道群的顯現(xiàn)效應(yīng)分析提供依據(jù)，對合理設(shè)計(jì)地下巷道的相互位置和減小超深井巷道掘進(jìn)的相互影響具有重要意義。

2.2 有限元數(shù)值模型

FLAC3D(Fast Lagrang ian Ana lysis of Continua)軟件是美國ITASCA咨詢集團(tuán)根據(jù)拉格朗日元法設(shè)計(jì)的、在其二維產(chǎn)品FLAC2D的基礎(chǔ)上拓展的、專門針對巖土體問題開發(fā)的計(jì)算軟件，可用于有關(guān)邊坡、基礎(chǔ)、壩體、隧道、地下采場、洞室等的應(yīng)力分析，可實(shí)現(xiàn)對巖石、土和支護(hù)結(jié)構(gòu)等巖土工程建立高級三維模型, 進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值分析與設(shè)計(jì)等, 具有應(yīng)用廣泛、運(yùn)行速度快、功能強(qiáng)大等特征[ 8-13]。

根據(jù)朱集礦目前的礦井建設(shè)現(xiàn)狀和工程地質(zhì)條件，以正在掘進(jìn)施工的11-2煤層運(yùn)輸順槽巷道對既有頂板巖層巷道運(yùn)輸順槽高抽巷的穩(wěn)定影響建立三維計(jì)算分析模型。為簡化計(jì)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(nèi)實(shí)驗(yàn)檢測到的力學(xué)性能參數(shù)。

巖體本構(gòu)模型及參數(shù)選擇：朱集礦深井現(xiàn)狀巖體的力學(xué)性質(zhì)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(jì)算的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模擬計(jì)算選用的巖體力學(xué)參數(shù)

計(jì)算模型參數(shù)如圖1所示，計(jì)算網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

2.3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 深井地壓下開挖順槽高抽巷的圍巖應(yīng)力與位移分析

經(jīng)過模擬計(jì)算分析，在目前礦壓條件下開挖順槽高抽巷且尚未支護(hù)時(shí)，圍巖的最大豎向壓力在巷道幫底部，壓力可達(dá)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(jì)算模型參數(shù)

圖2 順槽與高抽巷應(yīng)力耦合計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

圖3 順槽高抽巷開挖的豎向應(yīng)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(jì)算斷面的圍巖的應(yīng)力與位移分析

經(jīng)過模擬計(jì)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(qiáng)化棚腿與錨噴支護(hù)方案后，圍巖的最大豎向壓力仍在巷道幫底部，壓力可達(dá)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(jié)果說明開挖次生應(yīng)力對順槽高抽巷有影響。采用該支護(hù)方案，有效控制了巷道的變形。

圖5 順槽開挖接近高抽巷時(shí)圍巖豎向應(yīng)力云圖

圖6 順槽開挖接近高抽巷時(shí)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(jì)算斷面后的圍巖的應(yīng)力與位移分析

經(jīng)過模擬計(jì)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(qiáng)化棚腿與錨噴支護(hù)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(jié)果說明順槽煤巷開挖通過后次生應(yīng)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(shí)圍巖豎向壓力云圖

圖8 順槽開挖通過高抽巷時(shí)圍巖豎向位移云圖

圖9 圖順槽開挖通過高抽巷時(shí)圍巖水平位移云圖

3 小結(jié)

朱集礦千米深井高地應(yīng)力條件下，地應(yīng)力與巷道掘進(jìn)次生應(yīng)力的耦合作用在鄰近巷道群中有明顯的顯現(xiàn)效應(yīng)，會引起鄰近巷道的壓力增加，既有支護(hù)結(jié)構(gòu)的收斂變形量和變形速率都明顯增大。

通過數(shù)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(yīng)力的影響，與順槽煤巷較近的右?guī)拖虏慷汲霈F(xiàn)壓脹變形，頂板位移也增大；采用設(shè)計(jì)的強(qiáng)化支護(hù)方案可有效控制巷道變形，抵抗開挖次生應(yīng)力的耦合作用效應(yīng)。

深井高地應(yīng)力下煤層開挖巷道引起的次生應(yīng)力耦合作用最大，其次是頂板巷道；深井高地應(yīng)力下煤層和頂板拱形巷道的失穩(wěn)破壞都以相鄰幫部的膨脹變形失穩(wěn)為主，巷道支護(hù)應(yīng)以強(qiáng)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(cè)幫變形。

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更正

由于筆者原因，《中國礦業(yè)》2013年第22卷增刊《海南省海岸主體功能區(qū)二級區(qū)劃評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建：以三亞為例》一文中第199頁左欄第1、2行內(nèi)容和參考文獻(xiàn)有誤，更正如下。①第199頁左欄第1、2行。原文：利用熵權(quán)法，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(表3)。更正為：利用熵權(quán)法[21]，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(表3)。②參考文獻(xiàn)增加21篇。[21]周朝陽，宋銳林.基于熵權(quán)法的生態(tài)決策設(shè)計(jì)模型[J].當(dāng)代經(jīng)濟(jì)，2008，10(上)：160-161.

中國礦業(yè)雜志社編輯部