松軟破碎硐室群圍巖加固范圍的數值模擬研究

黃 勇，孫 淼，高 佚

（潞安礦業集團余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046103）

松軟破碎硐室群圍巖加固范圍的數值模擬研究

黃 勇，孫 淼，高 佚

（潞安礦業集團余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046103）

為了確定潞安集團屯留礦井底車場硐室群加強支護的范圍，采用數值模擬方法，研究了硐室群圍巖應力場的分布情況，并據此確定加強支護的范圍。研究結果表明：硐室群建成后，在開挖區域的煤柱中形成了卸壓區，在巷道拐角處卸壓區域較大，在T型交叉口更大，在井筒和馬頭門卸壓區域最大；根據卸壓區域圍巖應力場的分布特征，確定出硐室群的危險區域，并建議在危險區域加大錨桿支護的深度和密度，并采用W鋼帶等加強支護措施。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；數值計算

1 問題的提出

硐室群的穩定性一直是國內外學者研究的課題。在我國，隨著國家經濟的迅速發展和工業建設的巨大投入，煤炭行業資源整合和新礦井建設相繼上馬和納入規劃中[1]。屯留礦井是山西潞安集團“十五”時期投資建設的一座特大型現代化礦井[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力非常復雜[4-5]，致使井底車場及副井井筒處于不穩定狀態，井筒嚴重變形和下墜，經過近兩年的多次維修，才得以穩定[2]。因此，深入研究井底車場硐室群圍巖應力場分布特征，確定硐室群加強支護范圍顯得非常重要。

本文運用數值分析手段，以屯留礦為工程背景，對屯留礦副井附近硐室群圍巖應力場進行了分析，確定出了硐室群需要加強支護的范圍，為采取合理的支護加固方法提供理論支持。

2 計算模型的建立

數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。

采用大型數值計算軟件FLAC3D計算。材料本構模型采用Mohr-Coulomb本構模型。

經過現場取芯和巖石力學實驗測試得到巖層力學參數，見表1。建立副井附近巷道及硐室模型，如圖2所示。

表1 材料的主要力學參數

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 計算結果分析

3.1 數值模擬分析

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

圖3 X方向鉛垂應力云圖

圖4 Y方向水平應力云圖

圖5 X方向水平應力云圖

圖3為水平截面鉛垂應力云圖，圖4為水平截面Y方向水平應力云圖，圖5為水平截面X方向水平應力云圖。分析圖3-圖5可知，在開挖區域附近，不論是鉛垂應力還是水平應力，都形成了明顯的應力降低區，深度為4m左右，深部存在著應力集中區，深度約為2m，最后過渡到了原巖應力區，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，應力集中進行二次疊加，疊加后的應力峰值達到原巖應力的1.5倍～3倍。巷道的應力集中系數較高，應力集中范圍較大。在這些區域內，圍巖應力達到了塑性屈服條件，巷道兩幫發生塑性流動，出現剪切屈服和拉伸屈服區域，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力集中，對副井井筒的穩定有著重要的影響。

在巷道和硐室的交叉點、拐角等地方，應力疊加嚴重(最高可達38MPa)，致使圍巖出現較大破壞區域，這對維護圍巖穩定性極為不利。由圖3－圖5可知，巷道在拐角處應力集中范圍大、集中程度大，幫部壓酥破壞區域也大，范圍可達6m～8m。

數值分析表明，硐室群的最大鉛垂應力及水平應力都出現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所示的兩個區域。區域I在交叉口外面，頂板情況同主巷道相同，因此頂板支護基于單獨的巷道程序；區域II在交叉口內，經歷了巖層的強載荷，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度W鋼帶以維持巷道硐室的整體穩定性。

圖6 直角拐角處不穩定區域

圖7 馬頭門處不穩定區域

圖8 三岔口處不穩定區域

4 結論

硐室群的受力狀況比較復雜，其穩定性分析是一個復雜的難題，由于諸多原因，數值計算和現場觀測結果還存在一些差異。通過 對屯留礦副井附近硐室群的穩定性分析得出如下結論：

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

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

[2]劉峰，董經存.構建“集約高效 安全和諧 綠色新型”煤炭企業[J].煤，2008(9)：1-3.

[3]劉東偉.余吾煤業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構支護原理[M].北京：煤炭工業出版社,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