松软破碎硐室群围岩加固范围的数值模拟研究

黄 勇，孙 淼，高 佚

（潞安矿业集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046103）

松软破碎硐室群围岩加固范围的数值模拟研究

黄 勇，孙 淼，高 佚

（潞安矿业集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046103）

为了确定潞安集团屯留矿井底车场硐室群加强支护的范围，采用数值模拟方法，研究了硐室群围岩应力场的分布情况，并据此确定加强支护的范围。研究结果表明：硐室群建成后，在开挖区域的煤柱中形成了卸压区，在巷道拐角处卸压区域较大，在T型交叉口更大，在井筒和马头门卸压区域最大；根据卸压区域围岩应力场的分布特征，确定出硐室群的危险区域，并建议在危险区域加大锚杆支护的深度和密度，并采用W钢带等加强支护措施。这一研究成果可给同类条件下的其他矿井提供参考。

硐室群；围岩；加固；数值计算

1 问题的提出

硐室群的稳定性一直是国内外学者研究的课题。在我国，随着国家经济的迅速发展和工业建设的巨大投入，煤炭行业资源整合和新矿井建设相继上马和纳入规划中[1]。屯留矿井是山西潞安集团“十五”时期投资建设的一座特大型现代化矿井[2]。屯留矿副井井底车场坐落在厚层软岩中，在副井井筒与马头门连接处上下所揭露的岩层地质条件非常差，主要以泥岩、粉砂岩为主[3]，副井井底车场硐室群围岩属于松软破碎岩体，自身的承载能力低，井底车场周围硐室与巷道布置密度大，加之施工过程的相互影响，使得该处围岩所受应力非常复杂[4-5]，致使井底车场及副井井筒处于不稳定状态，井筒严重变形和下坠，经过近两年的多次维修，才得以稳定[2]。因此，深入研究井底车场硐室群围岩应力场分布特征，确定硐室群加强支护范围显得非常重要。

本文运用数值分析手段，以屯留矿为工程背景，对屯留矿副井附近硐室群围岩应力场进行了分析，确定出了硐室群需要加强支护的范围，为采取合理的支护加固方法提供理论支持。

2 计算模型的建立

数值模拟选取范围为副井井筒及井底车场硐室群。副井附近巷道及硐室布置图，见图1。为了能全面反映硐室群的应力分布，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2。此区域包括了副井井筒及井底车场各主要硐室、大巷。模型长200m，宽260m，高130m，其中硐室底板向下取37m。模型共划分564161个单元，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。

采用大型数值计算软件FLAC3D计算。材料本构模型采用Mohr-Coulomb本构模型。

经过现场取芯和岩石力学实验测试得到岩层力学参数，见表1。建立副井附近巷道及硐室模型，如图2所示。

表1 材料的主要力学参数

模拟过程中的开挖顺序为：副井（Ⅰ）—车场（Ⅱ）—中央变电所通道及中央变电所（Ⅲ）—中央

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化分示意图

泵房通道及中央泵房（Ⅳ）—主水仓（Ⅴ）—副水仓（Ⅵ）。

3 计算结果分析

3.1 数值模拟分析

通过数值计算分析，获取硐室群围岩应力及位移分布情况。为了分析各巷道和硐室开挖对周围地应力场的影响，取出模型巷道中心水平截面上的围岩应力分布等值线图。

图3 X方向铅垂应力云图

图4 Y方向水平应力云图

图5 X方向水平应力云图

图3为水平截面铅垂应力云图，图4为水平截面Y方向水平应力云图，图5为水平截面X方向水平应力云图。分析图3-图5可知，在开挖区域附近，不论是铅垂应力还是水平应力，都形成了明显的应力降低区，深度为4m左右，深部存在着应力集中区，深度约为2m，最后过渡到了原岩应力区，过渡范围较大，约为1m～3m。

3.2 松软破碎硐室群围岩加固范围

由以上分析可知，在巷道交叉处和巷道拐角处，应力集中进行二次叠加，叠加后的应力峰值达到原岩应力的1.5倍～3倍。巷道的应力集中系数较高，应力集中范围较大。在这些区域内，围岩应力达到了塑性屈服条件，巷道两帮发生塑性流动，出现剪切屈服和拉伸屈服区域，其中拉伸屈服主要处于巷道交叉点，尤以临近副井的马头门两帮及管子道与中央变点所和中央泵房交叉处最为集中。车场、南北马头门、中央变电所和中央泵房的开挖在副井附近造成不同程度的应力集中，对副井井筒的稳定有着重要的影响。

在巷道和硐室的交叉点、拐角等地方，应力叠加严重(最高可达38MPa)，致使围岩出现较大破坏区域，这对维护围岩稳定性极为不利。由图3－图5可知，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，范围可达6m～8m。

数值分析表明，硐室群的最大铅垂应力及水平应力都出现在巷道或硐室的拐角处。硐室群附近明显的围岩扰动大致可以分为图6－图8所示的两个区域。区域I在交叉口外面，顶板情况同主巷道相同，因此顶板支护基于单独的巷道程序；区域II在交叉口内，经历了岩层的强载荷，因此需要专门考虑顶板锚固长度和锚固位置。相对于区域I来说锚固长度需要增加，间距需要减小。交叉处、拐角处、马头门的支护必须在和其他巷道连通前安装完成。同时建议靠近帮部的顶锚杆倾斜安装，平行煤柱边缘安装高强度W钢带以维持巷道硐室的整体稳定性。

图6 直角拐角处不稳定区域

图7 马头门处不稳定区域

图8 三岔口处不稳定区域

4 结论

硐室群的受力状况比较复杂，其稳定性分析是一个复杂的难题，由于诸多原因，数值计算和现场观测结果还存在一些差异。通过 对屯留矿副井附近硐室群的稳定性分析得出如下结论：

（1）硐室群的危险区域一般出现在硐室群的拐角处、马头门和三岔口等巷道交叉点处，这些区域内，围岩所受应力达到其屈服极限，若不加强支护将会发生塑性流动破坏。该区域是进行加强支护的主要区域。（2）危险区域范围取值约6m～8m，在该区域内应进行加强支护，建议采用提前安装支护，加大锚杆支护密度和强度，加长锚索长度并安装W钢带等支护措施。（3）减小或避免硐室之间的相互影响，这对维护硐室群的稳定性极为有利。

[1]王思红，牛少卿，寇永嘉.松软破碎硐室群围岩稳定性数值分析[J].山西煤炭，2010，30(7):40-42.

[2]刘峰，董经存.构建“集约高效 安全和谐 绿色新型”煤炭企业[J].煤，2008(9)：1-3.

[3]刘东伟.余吾煤业公司煤岩体赋存特在研究与分析[J].煤，2008(9)：23-24.

[4]杨双锁.回采巷道围岩控制理论及锚固结构支护原理[M].北京：煤炭工业出版社,2004.

[5]毛华晋，牛少卿，颜文艳.长壁开采条件下的巷道三岔口稳定性研究[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

黄 勇（1982—），男，重庆黔江人，本科，助理工程师，从事煤矿管理工作。

刘新光