深井井底車場圍巖穩定性分析及合理形式確定

邱天德 程子厚

(天地科技股份有限公司建井研究院，北京市朝陽區，100013)

內蒙古伊泰廣聯煤化有限責任公司紅慶河煤礦設計生產能力15Mt／a，作為大型現代化礦井，其＋665水平井底車場存在大規模硐室群，是礦井生產系統中聯結井下主要運輸水平和井筒提升的樞紐，對礦井安全高效生產具有重要影響。該水平平均埋深約731.5m，圍巖強度較低，加之受到鄰近硐室開挖的多次劇烈擾動，開挖擾動與二次應力場疊加，使得井底車場分布于高地應力松軟圍巖中。因此井底車場圍巖穩定性問題已成為礦井建設和安全生產亟待解決的一大難題。目前關于硐室群的研究較多，但是由于該問題的復雜性，很難采用理論解析的方法對施工擾動效應下的硐室群力學行為進行分析。本論文以紅慶河煤礦＋665水平井底車場為工程背景，結合井底車場巷道支護方案，通過FLAC3D軟件對臥式環形井底車場和立式環形井底車場穩定性進行對比分析，確定了紅慶河煤礦＋665井底車場的合理設計方案。

1 地質概況

紅慶河煤礦位于東勝煤田的中東部，井田構造簡單，總體為一向西傾斜的單斜構造，傾角一般1°～3°，3-1煤層賦存深度583.55～869.15m，平均731.54m，頂板巖性多為砂質泥巖，為軟弱巖類，底板巖性多為砂質泥巖、泥巖，多為半堅硬巖類。3-1煤層自然狀態下抗壓強度為7.02～16.30MPa，普氏硬度系數0.86～1.66。＋665水平井底車場圍巖強度整體較為軟弱，為IV類圍巖。

2 井底車場設計及模型建立

2.1 車場設計

根據主、副井筒相對位置，可采用環形車場，環形車場共計有3種形式，立式、斜式和臥式，由于斜式車場地面出車方式較受限制，初步設計成臥式環形井底車場和立式環形井底車場形式，井底車場斷面均相同，為直墻半圓拱型，采用錨噴支護，凈寬為5.5m，直墻高2.0m，拱高2.75m，井底車場兩種布置形式及巷道支護斷面如圖1所示。

圖1 井底車場布置及斷面支護圖 (1-1、2-2斷面)

2.2 模型建立

根據巖石力學原理，掘巷后的應力影響范圍約為巷道寬度的3～5倍，結合井底車場交叉點設計和巷道尺寸，采用FLAC3D軟件分別建立了臥式和立式環形井底車場交叉點力學模型，模型尺寸50m×76m×60m (X×Y×Z)，考慮到計算機運算性能，遠離井底車場巷道區域的單元尺寸接近1 m劃分，接近巷道區域和巷道開挖區域的尺寸為0.2m，模型一共劃分為121375個單元和126791個節點。巷道位于3-1煤層底部，模型四周邊界限制水平方向位移，模型底板限制各個方向的位移，模型頂板為自由面，根據巷道的埋深，施加垂向的初始地應力為16.8MPa，錨桿破斷荷載為120kN，數值分析采用摩爾-庫倫本構關系。模型各巖層物理力學參數見表1。

3 穩定性對比分析

3.1 圍巖位移分析

在巷道交叉點處設置監測點，監測頂底板圍巖變形情況。兩種井底車場巷道交叉點處頂底板圍巖變形情況如圖2所示，可知兩種車場巷道開挖后巷道表面位移量均呈線性增加，巷道頂板監測點位移速度明顯大于巷道底板，施加支護后圍巖變形速度明顯降低，并逐步趨于水平，穩定后巷道頂板變形明顯大于底板。其中，臥式環形井底車場45°巷道交叉點處頂板最大位移量為86mm，立式環形井底車場90°巷道交叉點處頂板最大位移量為148.8mm，比臥式環形井底車場45°巷道交叉點處要大。主要由于臥式環形井底車場45°巷道與巷道間為實體煤柱，巷道開掘和支護面積較小，而立式環形井底車場90°巷道與巷道間構成交叉大斷面P，從圖1(b)可以看出，交叉區域最大長度達到9 m，而現場巷道交叉區域往往需形成高強承載結構，對應的支護要求也更高。

而在本次模擬中，對交叉區域段也采取同等強度支護方案，因此臥式環形井底車場45°巷道頂板變形量小于立式環形井底車場90°巷道，但兩者的圍巖位移量都在較為合理的范圍之內，而且差別不大。

3.2 圍巖應力分析

臥式環形井底車場巷道和立式環形井底車場巷道圍巖最大主應力云圖分別如圖3和圖4所示。

表1 井底車場圍巖物理力學參數

圖2 交叉點位移監測圖

圖3 臥式環形井底車場巷道圍巖最大主應力云圖

如圖3所示，臥式環形井底車場巷道圍巖最大主應力分布區域DEF三角區，最大主應力極值點位于三角孤島內，極值點M所在位置與巷道1靠三角區側幫距離約為4.5m，應力極值為40.9MPa，應力集中系數為2.43，見圖4。同樣可得，立式環形井底車場巷道圍巖最大主應力極值點位于巷道拐角圍巖內，極值點N所在位置與巷道4靠三角區側幫距離約為4.7m，應力極值為42.2MPa，應力集中系數為2.51。兩者最大應力區域和應力值相差不大，主要因為兩種情況下交叉巷道均在三角區的夾角處，應力集中系數較高，使得三角區夾角處圍巖首先發生破壞，并逐漸向圍巖深處轉移，由于外側圍巖破壞，三角區夾角處圍巖對頂板巖層起不到有效的支撐作用，有效支承區向圍巖深部轉移，隨著三角區內應力集中系數的降低，深部巖體破壞變小，圍巖由塑性破壞向彈性狀態過渡，圍巖對頂板巖層的支承作用逐漸增強，巖體所受的應力值增大，使得應力增高區向圍巖深處轉移。

圖4 立式環形井底車場巷道圍巖最大主應力云圖

臥式環形井底車場巷道圍巖主要發生塑性剪切破壞，局部出現塑性拉伸破壞，其中，剪切塑性區的厚度為6～16m。立式環形井底車場巷道圍巖拐角發生塑性剪切破壞，剪切塑性區垂直厚度最大為8.7m，比臥式環形井底車場巷道圍巖剪切塑性區范圍要小，這主要是由于開挖后巷道頂板巖層受拉作用，在兩種井底車場布置方式下，巷道圍巖均出現剪切塑性破壞區范圍，但立式環形井底車場巷道圍巖形成的三角區域面積大，塑性破壞區擴展范圍多集中于支護能力較弱的O區域，如圖4所示，而高應力分別集中于巷道4和巷道5兩拐角位置處，如圖4中A、B區域，與臥式環形井底車場巷道比較而言，立式環形井底車場巷道圍巖受剪切形成的塑性區分散范圍更大，相應的立式環形井底車場巷道圍巖塑性剪切厚度也更低，而塑性剪切厚度的大小直接決定了開掘后的巷道圍巖穩定程度和維護難度。因此，模擬研究發現，立式環形井底車場巷道整體情況優于臥式環形井底車場巷道，但同時需采取強力加固措施保障A、B、O關鍵區域頂板穩定。

3.3 支護措施

結合頂底板監測數據和數值分析可知，對于臥式環形井底車場和立式環形井底車場可采取不同的支護對策:

(1)臥式環形井底車場由于三角孤島面積較小，且四周巷道貫通，孤島圍巖應力較差，塑性區厚度大于6m，應強化三角孤島的支護強度，在孤島兩側部分區域采取幫錨索支護和圍巖注漿支護，即對三角孤島采用錨網噴索注聯合支護。

(2)立式環形井底車場由于井底車場90°交叉點跨度較大，交叉點頂板圍巖整體穩定性相對較差，而孤島面積較大，孤島圍巖應力好。主要強化交叉點頂板支護強度，加強監測，適當補打錨桿錨索。

4 結論

(1)紅慶河煤礦井底車場由于埋深大(731.5m)、圍巖強度低，選擇合理的井底車場形式對于維持圍巖穩定性具有重要意義。

(2)采用FLAC3D軟件分別建立了臥式環形井底車場和立式環形井底車場模型，并進行了圍巖穩定性對比分析。

(3)臥式環形井底車場由于三角孤島面積較小，圍巖變形大，確保井底車場穩定性較困難，而立式環形井底車場孤島面積較大，有利于維持井底車場圍巖的穩定性，確定煤礦深部井底車場合理形式為立式環形。

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