松软破碎硐室群围岩稳定性数值分析

王思红，牛少卿，寇永嘉

（1.平顶山煤业集团高庄矿，河南 平顶山 467000；2.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

松软破碎硐室群围岩稳定性数值分析

王思红1，牛少卿2，寇永嘉2

（1.平顶山煤业集团高庄矿，河南 平顶山 467000；2.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

为了确定平顶山矿区某矿井底车场硐室群加强支护的范围，给硐室加固提供技术支持，运用大型数值计算软件对矿井副井附近的硐室群开挖后围岩的应力场、位移场、破坏区进行了分析。研究表明：巷道开挖后，围岩应力重新分布，巷道两帮围岩出现生应力集中区和塑性破坏区。在巷道交叉处和巷道拐角处，二次应力场进行了叠加，叠加后部分区域的应力峰值达到原岩应力的2～3.17倍，围岩塑性破坏区域加大。硐室群的稳定性不同于单个巷道、硐室，存在集中应力叠加现象，在巷道交叉口和拐弯处尤其明显，巷道间距过小时，这种应力集中叠加会造成巷道稳定性控制困难。

硐室群；围岩；数值计算

1 引言

硐室群的稳定性一直是国内外学者长期思考和研究的问题。在我国，随着国家经济的迅速发展和工业建设的巨大投入，一大批矿井相继上马和纳入规划中[1]。平顶山矿区某矿副井井底车场硐室群围岩属于典型的松软破碎岩体，本身的承载能力很低，加上井底车场周围硐室与巷道布置密度大，施工相互影响，围岩应力非常复杂。已掘的硐室与巷道如果再受到临近巷道或硐室施工的扰动影响，围岩对这种扰动极为敏感，将发生更大的变形，产生更大范围的破坏。历次副井马头门变形剧烈的主要原因就是附近巷道或硐室施工扰动[2,3]。因此，深入研究井底车场硐室群周围应力场分布特征，对研究硐室群的稳定性，以及围岩支护加固设计具有重要意义。本文运用数值分析手段，进行硐室群围岩应力与稳定性分析，为采取合理的支护加固方法提供理论支持。

2 计算模型

采用大型数值计算软件。弹塑性材料模型，运用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏[4～7]，即：

式中：σ1，σ3分别为最大和最小主应力；C，φ 分别为材料的粘结力和内摩擦角；σt为抗拉强度；Nφ=（1+sinφ）/（1-sinφ）。当fs=0时，材料将发生剪切破坏；当ft=0时，材料将产生拉伸破坏。

数值模拟对象为副井井筒及井底车场硐室群。为了全面分析硐室群的应力分布，模拟范围取副井井筒+366m水平上下130m范围及周围硐室群（见图1），包括了副井井筒及井底车场各主要硐室和大巷。经过现场取芯和岩石力学实验测试，得到岩层力学参数，如表1所示。

表1 材料的主要力学参数

1）分析目的：掌握井巷群围岩力学环境特征，包括应力和变形分布特征，为井巷群的布置和稳定性分析提供依据。2）分析模型：根据副井附近巷道及硐室布置图建立数值模型；长200 m，垂直马头门轴线方向，此方向为模型坐标系的X方向。宽260 m，沿马头门轴线方向，此方向为模型坐标系的Y方向。高130 m，副井轴线方向，其中硐室底板向下取37 m，此方向为模型坐标系的Z方向。模型共分564 161个单元，生成的副井附近巷道及硐室模型见图2，总体模型见图3。3）边界条件：模型底部铅垂方向0位移约束，侧边界水平方向0位移约束；模型施加重力载荷并在上边界施加均布载荷。4）主要分析指标：井巷群的应力场、位移场、破坏区变化是分析的主要内容。5）模拟过程中的开挖顺序为：副井-车场-中央变电所通道及中央变电所-中央泵房通道及中央泵房-主水仓-副水仓。

图1 副井附近巷道及硐室布置图

图2 副井附近巷道及硐室网格划分

图3 总体模型及网格划分图

3 计算结果分析

运用数值计算软件的分析，可得出了硐室群围岩的应力、位移等的分布情况。为了分析各巷道和硐室开挖对周围地应力场的影响，取出模型各截面上的围岩应力分布等值线图。截面采用下面的方式标定：以此截面的法线方向和此截面通过的一点来标定。例如，截面平行于模型的XY面，法线方向与模型的 Z 轴方向平行，并且通过点（0，0，1），则此截面的标定为“Z=1m”。

图4 Z=0铅垂应力云图

图5 Z=0铅垂位移云图

图4和图5分别为Z=0剖面上的铅垂应力云图和位移云图。从图看出，在巷道和硐室的交叉处、拐角等地方，应力叠加严重，致使围岩出现较大破坏区域，这对维护围岩稳定性不利。图中最大铅垂应力约为38 MPa，原岩铅垂应力约为11 MPa。图6为出车线巷道沿垂直巷道轴线铅垂应力分布曲线，巷道在拐角处应力集中范围大、集中程度大，帮部压酥破坏区域也大。

巷道开挖以前，岩体处于原岩应力的平衡状态。巷道开挖后，应力重新分布，巷道两帮围岩出现应力变化区，产生应力集中现象和塑性破坏区。应力集中的区域沿巷道轴线在两帮分布，在垂直巷道轴线方向上延伸到2倍的巷道宽度处；在巷道交叉处和巷道拐角处，应力集中进行二次叠加，叠加后局部的应力峰值达到原岩应力的2～3.17倍。巷道的内拐角较外拐角应力集中系数高，应力集中范围大。在这些区域，围岩应力达到塑性屈服条件，巷道两帮发生塑性流动，出现屈服破坏区域。

图6 出车线巷道沿其轴线的铅垂应力图

据此得出开挖对原岩应力场的影响大小和影响范围，从而确定需要加强的部位。所有巷道硐室开挖完成后，等候室和井筒附近应力叠加较为严重，从而引发了围岩较大范围的破坏。井筒马头门附近铅垂位移量较大，所以应在副井马头门和等候室附近加强支护，在巷道和硐室交叉口、拐弯处适当进行加强支护。

4 结论

井筒附近巷道、硐室的受力状况复杂，围岩稳定性分析是个复杂难题。通过对该矿副井附近巷道硐室群的数值计算分析得出如下结论：（1）该矿副井井底车场硐室围岩属于破碎软岩,采用数值计算软件的Mohr-Coulomb本构模型进行计算能够较好地模拟硐室群周围围岩的变形破坏过程。（2）硐室群的稳定性不同于单个巷道、硐室，存在集中应力叠加现象，在巷道交叉口和拐弯处尤其明显。巷道间距过小时，这种应力集中叠加会造成巷道稳定性控制困难。（3）通过数值模拟分析，确定出了在副井马头门附近是围岩应力场、位移场叠加最为严重的部位，这为井巷支护提供了依据。

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Abstract:To determine the supporting area of shaft station chambers in one of Pingdingshan mines and to provide the technology for chambers supporting,the paper uses a numerical calculation software to analyze the stress field,displacement field,and disturbed field of surrounding rock when the chambers have been opened in the vicinity of subsidiary shafts.The study shows that stress of surrounding rocks is redistributed.Stress concentration zone and plastic failure zone appear at the sides of roadways.In the junction and corner of roadways,superposition of secondary stress fields happens.The peak stress of some areas reaches 2-3.17 times of the original stress.The plastic failure zone becomes wider.The stability of chambers is different from the single roadway or room,since there is the superposition of stress,especially in the junction and corner of roadways.When the distance between roadways is too small,the stress superposition would make it difficult to control the stability.

Keywords:chambers;surrounding rock;numerical calculation

编辑：徐树文

Numerical Analysis on Surrounding Rock Stability of Soft-broken Chambers

WANG Si-hong1,NIU Shao-qing2,KOU Yong-jia2
（1.Gaozhuang Mine,Pingdingshan Coal Group,Pingdingshan Henan 467000,China;2.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi,030024,China）

TD322

A

1672-5050（2010）07-0040-03

2010-03-20

王思红（1973—），男，山东郓城人，大学本科，助理工程师，从事煤矿开采技术工作。