深井井底车场围岩稳定性分析及合理形式确定

邱天德 程子厚

(天地科技股份有限公司建井研究院，北京市朝阳区，100013)

内蒙古伊泰广联煤化有限责任公司红庆河煤矿设计生产能力15Mt／a，作为大型现代化矿井，其＋665水平井底车场存在大规模硐室群，是矿井生产系统中联结井下主要运输水平和井筒提升的枢纽，对矿井安全高效生产具有重要影响。该水平平均埋深约731.5m，围岩强度较低，加之受到邻近硐室开挖的多次剧烈扰动，开挖扰动与二次应力场叠加，使得井底车场分布于高地应力松软围岩中。因此井底车场围岩稳定性问题已成为矿井建设和安全生产亟待解决的一大难题。目前关于硐室群的研究较多，但是由于该问题的复杂性，很难采用理论解析的方法对施工扰动效应下的硐室群力学行为进行分析。本论文以红庆河煤矿＋665水平井底车场为工程背景，结合井底车场巷道支护方案，通过FLAC3D软件对卧式环形井底车场和立式环形井底车场稳定性进行对比分析，确定了红庆河煤矿＋665井底车场的合理设计方案。

1 地质概况

红庆河煤矿位于东胜煤田的中东部，井田构造简单，总体为一向西倾斜的单斜构造，倾角一般1°～3°，3-1煤层赋存深度583.55～869.15m，平均731.54m，顶板岩性多为砂质泥岩，为软弱岩类，底板岩性多为砂质泥岩、泥岩，多为半坚硬岩类。3-1煤层自然状态下抗压强度为7.02～16.30MPa，普氏硬度系数0.86～1.66。＋665水平井底车场围岩强度整体较为软弱，为IV类围岩。

2 井底车场设计及模型建立

2.1 车场设计

根据主、副井筒相对位置，可采用环形车场，环形车场共计有3种形式，立式、斜式和卧式，由于斜式车场地面出车方式较受限制，初步设计成卧式环形井底车场和立式环形井底车场形式，井底车场断面均相同，为直墙半圆拱型，采用锚喷支护，净宽为5.5m，直墙高2.0m，拱高2.75m，井底车场两种布置形式及巷道支护断面如图1所示。

图1 井底车场布置及断面支护图 (1-1、2-2断面)

2.2 模型建立

根据岩石力学原理，掘巷后的应力影响范围约为巷道宽度的3～5倍，结合井底车场交叉点设计和巷道尺寸，采用FLAC3D软件分别建立了卧式和立式环形井底车场交叉点力学模型，模型尺寸50m×76m×60m (X×Y×Z)，考虑到计算机运算性能，远离井底车场巷道区域的单元尺寸接近1 m划分，接近巷道区域和巷道开挖区域的尺寸为0.2m，模型一共划分为121375个单元和126791个节点。巷道位于3-1煤层底部，模型四周边界限制水平方向位移，模型底板限制各个方向的位移，模型顶板为自由面，根据巷道的埋深，施加垂向的初始地应力为16.8MPa，锚杆破断荷载为120kN，数值分析采用摩尔-库伦本构关系。模型各岩层物理力学参数见表1。

3 稳定性对比分析

3.1 围岩位移分析

在巷道交叉点处设置监测点，监测顶底板围岩变形情况。两种井底车场巷道交叉点处顶底板围岩变形情况如图2所示，可知两种车场巷道开挖后巷道表面位移量均呈线性增加，巷道顶板监测点位移速度明显大于巷道底板，施加支护后围岩变形速度明显降低，并逐步趋于水平，稳定后巷道顶板变形明显大于底板。其中，卧式环形井底车场45°巷道交叉点处顶板最大位移量为86mm，立式环形井底车场90°巷道交叉点处顶板最大位移量为148.8mm，比卧式环形井底车场45°巷道交叉点处要大。主要由于卧式环形井底车场45°巷道与巷道间为实体煤柱，巷道开掘和支护面积较小，而立式环形井底车场90°巷道与巷道间构成交叉大断面P，从图1(b)可以看出，交叉区域最大长度达到9 m，而现场巷道交叉区域往往需形成高强承载结构，对应的支护要求也更高。

而在本次模拟中，对交叉区域段也采取同等强度支护方案，因此卧式环形井底车场45°巷道顶板变形量小于立式环形井底车场90°巷道，但两者的围岩位移量都在较为合理的范围之内，而且差别不大。

3.2 围岩应力分析

卧式环形井底车场巷道和立式环形井底车场巷道围岩最大主应力云图分别如图3和图4所示。

表1 井底车场围岩物理力学参数

图2 交叉点位移监测图

图3 卧式环形井底车场巷道围岩最大主应力云图

如图3所示，卧式环形井底车场巷道围岩最大主应力分布区域DEF三角区，最大主应力极值点位于三角孤岛内，极值点M所在位置与巷道1靠三角区侧帮距离约为4.5m，应力极值为40.9MPa，应力集中系数为2.43，见图4。同样可得，立式环形井底车场巷道围岩最大主应力极值点位于巷道拐角围岩内，极值点N所在位置与巷道4靠三角区侧帮距离约为4.7m，应力极值为42.2MPa，应力集中系数为2.51。两者最大应力区域和应力值相差不大，主要因为两种情况下交叉巷道均在三角区的夹角处，应力集中系数较高，使得三角区夹角处围岩首先发生破坏，并逐渐向围岩深处转移，由于外侧围岩破坏，三角区夹角处围岩对顶板岩层起不到有效的支撑作用，有效支承区向围岩深部转移，随着三角区内应力集中系数的降低，深部岩体破坏变小，围岩由塑性破坏向弹性状态过渡，围岩对顶板岩层的支承作用逐渐增强，岩体所受的应力值增大，使得应力增高区向围岩深处转移。

图4 立式环形井底车场巷道围岩最大主应力云图

卧式环形井底车场巷道围岩主要发生塑性剪切破坏，局部出现塑性拉伸破坏，其中，剪切塑性区的厚度为6～16m。立式环形井底车场巷道围岩拐角发生塑性剪切破坏，剪切塑性区垂直厚度最大为8.7m，比卧式环形井底车场巷道围岩剪切塑性区范围要小，这主要是由于开挖后巷道顶板岩层受拉作用，在两种井底车场布置方式下，巷道围岩均出现剪切塑性破坏区范围，但立式环形井底车场巷道围岩形成的三角区域面积大，塑性破坏区扩展范围多集中于支护能力较弱的O区域，如图4所示，而高应力分别集中于巷道4和巷道5两拐角位置处，如图4中A、B区域，与卧式环形井底车场巷道比较而言，立式环形井底车场巷道围岩受剪切形成的塑性区分散范围更大，相应的立式环形井底车场巷道围岩塑性剪切厚度也更低，而塑性剪切厚度的大小直接决定了开掘后的巷道围岩稳定程度和维护难度。因此，模拟研究发现，立式环形井底车场巷道整体情况优于卧式环形井底车场巷道，但同时需采取强力加固措施保障A、B、O关键区域顶板稳定。

3.3 支护措施

结合顶底板监测数据和数值分析可知，对于卧式环形井底车场和立式环形井底车场可采取不同的支护对策:

(1)卧式环形井底车场由于三角孤岛面积较小，且四周巷道贯通，孤岛围岩应力较差，塑性区厚度大于6m，应强化三角孤岛的支护强度，在孤岛两侧部分区域采取帮锚索支护和围岩注浆支护，即对三角孤岛采用锚网喷索注联合支护。

(2)立式环形井底车场由于井底车场90°交叉点跨度较大，交叉点顶板围岩整体稳定性相对较差，而孤岛面积较大，孤岛围岩应力好。主要强化交叉点顶板支护强度，加强监测，适当补打锚杆锚索。

4 结论

(1)红庆河煤矿井底车场由于埋深大(731.5m)、围岩强度低，选择合理的井底车场形式对于维持围岩稳定性具有重要意义。

(2)采用FLAC3D软件分别建立了卧式环形井底车场和立式环形井底车场模型，并进行了围岩稳定性对比分析。

(3)卧式环形井底车场由于三角孤岛面积较小，围岩变形大，确保井底车场稳定性较困难，而立式环形井底车场孤岛面积较大，有利于维持井底车场围岩的稳定性，确定煤矿深部井底车场合理形式为立式环形。

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