大直径煤仓硐室施工扰动效应数值模拟分析

姚韦靖，刘 涛，陈 宇，黄 鑫，庞建勇

(1. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001；2. 安徽理工大学土木工程博士后流动站，安徽淮南232001；3.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221116)

当前，煤炭占我国一次性能源的60%以上，居化石能源的主导地位。煤仓作为井下缓解生产与提升能力的特殊硐室，具有暂存煤炭、调节运输、保证连续生产的功能[1]。随煤炭需求逐年递增煤仓硐室容量逐步提高，井下巷道及硐室分期开挖施工是一个随时、空域不断变化的施工过程，造成煤仓硐室围岩大变形控制难题[2-3]。因此，煤仓硐室围岩长期稳定对保障煤炭安全开采、运输具有重要意义。

对于地下煤矿开采岩石力学问题常采用理论分析、工程类比、模型试验、数值模拟等方法进行研究，数值模拟因可重复性好、成本低等优势而被广泛采用。何满潮等[4]采用FLAC3D软件讨论了不同施工方法与顺序下硐室围岩的力学特性，结果表明大断面硐室的开挖过程是和应力路径、应力历史密切相关的不可逆过程；程桦等[5]针对深立井连接硐室群，数值模拟分析硐室群在开挖过程中围岩位移规律和塑性区范围，提出采用L 型钻孔注浆的方法加固硐室围岩[6]；孙昌兴等[7]采用ABAQUS 分析了多硐室的失稳破坏机理，得出邻近硐室施工影响泵房硐室应力和位移分布，提出采用“三锚”支护手段来加固围岩稳定。对于大型地下硐室群，祝方才等[8]认为，施工过程的应力释放和转移、围岩劣化是导致硐室群失稳加速的原因；石广斌等[9]采用MIDAS-GTS/NX 软件模拟了硐室群存在大量不良地质条带情况下的开挖支护过程，并确定了锚杆(索)喷拱架为主的加固方案。

现有学者对于煤仓硐室的模拟研究，支护措施往往依据工程类比法，且少有对煤仓硐室施工开挖、支护全过程进行模拟。FLAC3D数值分析软件属于三维快速拉格朗日分析程序，适合于大断面硐室群施工全过程的模拟[10-12]。朱仙庄煤矿新增的2 个煤仓硐室直径均达10 m，属于超大直径硐室[13]，2 个煤仓紧临施工，扰动严重。为防止此煤仓硐室在施工和使用过程中发生破坏，采用FLAC3D数值软件讨论煤仓开挖施工全过程对围岩稳定的扰动效应，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

朱仙庄煤矿位于宿州矿区北部，井田面积为26.3 km2，生产能力为245 万t。主采煤层埋深至-700 m 水平，地质条件复杂，水、火、瓦斯、顶板、煤尘、地压“六害”俱全，属于煤与瓦斯突出矿井。为缓解井下运输系统缓冲能力不足，在二采区皮带机石门上方增设2 个煤仓，缓冲来自两翼的煤炭。两个煤仓埋深-380.45 m，净深度为36.2 m、直径为10 m、煤仓容量为2 300 m3。采用锚网索喷+钢筋混凝土浇筑+注浆的联合支护方式，具体支护参数为锚杆直径22 mm，长度L=2 800 mm，间排距700 mm；锚索直径17.8 mm，长度L=6 300 mm，锚索间排距1 400 mm；金属网钢筋直径6 mm，网孔间距100 mm×100 mm；初喷混凝土等级C20，厚度50 mm；注浆锚杆直径20 mm，长度L=2 500 mm，间排距1 400 mm，自下而上注浆；浇筑混凝土强度C30，厚度500 mm。煤仓硐室形状、支护结构设计示意如图1。

图1 煤仓硐室结构示意 单位：mmFig.1 Schematic diagram of coal bunker chamber unit:mm

根据施工进度安排，1 号煤仓施工后2 号煤仓开始施工，邻近硐室施工对既有煤仓硐室产生施工扰动等不利影响，造成围岩稳定控制难题[14-16]。增设的缓冲煤仓位置示意见图2。

图2 增设煤仓位置示意 单位：mmFig.2 Location indication of adding coal bunker chamber unit:mm

2 煤仓硐室模型的建立和测点布置

2.1 模型的建立

根据设计方案，考虑煤仓与巷道相对位置、开挖的影响范围，建立硐室及周边围岩体三维数值计算模型，确定整个地层模型尺寸为200 m×200 m×200 m。采用衬砌单元模拟混凝土结构的力学性能，采用cable 单元模拟锚杆和锚索，选用Mohr-Coulomb 准则作为材料弹塑性本构模型。采用RHION 软件建立硐室及地层几何模型，然后将模型导入FLAC3D进行网格划分，共657 035 个单元、111 724 个节点，模型示意及网格划分见图3。设置模型底面和四周为固定边界、顶部为自由边界，在顶部施加竖向荷载以代替上覆岩层自重，自重应力取400 m×25 kN/m3=10.0 MPa[17]。根据矿井地质资料[18]，煤仓所处地层岩性主要有粉砂岩、泥岩和粉质泥岩，整体强度低、遇水膨胀崩解，自身稳定性差，结合取芯进行岩样的物理力学性能测试，得到施工开挖岩层主要特性参数，见表1。

图3 煤仓硐室模型网格划分示意Fig.3 Schematic diagram for grid division of coal bunker model

表1 围岩主要力学参数Tab.1 Main mechanical parameters of surrounding rock

2.2 测点布置

为与工程实际接近，模型地应力平衡后，开挖巷道完成1号煤仓施工，而后开挖邻近巷道开始2号煤仓施工。1号煤仓施工步骤为开挖、锚杆锚索支护、混凝土衬砌联合支护3个过程，2号煤仓施工步骤为开挖、锚杆锚索-混凝土衬砌联合支护两个过程。为讨论1号煤仓联合支护、2号煤仓开挖、联合支护施作后壁面位移变化，在煤仓硐室壁面布置相应测点，测点布置见图4。图4所示测点具体为煤仓上部收口(测点1～20)、仓身壁面(测点37～60)、下部收口(测点21～36)、分煤器(测点61～64)4个部位。

图4 煤仓硐室壁面测点布置Fig.4 Layout of measuring points on the wall of coal bunker chamber

3 结果和分析

3.1 1号煤仓施工过程围岩应力与位移分布

1 号煤仓开挖、锚杆锚索支护及联合支护后的应力、位移分布如图5。由图5(a)，(c)，(e)可知：1 号煤仓开挖后，煤仓上部和下部收口处存在应力集中现象，应力峰值分别为25.23，26.43 MPa，而煤仓仓身整体未出现明显应力集中；施加锚杆锚索支护后，煤仓上部和下部收口处集中应力峰值分别降为21.36，22.95 MPa，相较于未支护时降幅分别为15.34%，13.17%；施加联合支护后，煤仓上部和下部收口处的应力峰值分别降为16.43，18.05 MPa，相较于未支护时降幅分别为34.88%，31.71%。由图5(b)，(d)，(f)可知：1 号煤仓开挖后上部收口处的围岩处于悬空状态，产生了11.73 cm 的向下位移，煤仓仓身围岩出现了约3 cm 的向内位移，煤仓下部收口处存在7 cm 的位移，而下部的分煤器出现“起拱”现象，出现了11.67 cm 的拱起；施加锚杆锚索支护后，煤仓上部收口处、煤仓仓身、下部收口处、分煤器处围岩的位移分别降为7.61，1.89，3.48，5.16 cm，相较于未支护时降幅分别为35.12%，37.00%，50.29%，55.78%；施加联合支护后，上部收口处、煤仓仓身围岩、下部收口、分煤器的位移分别降为4.25，1.10，0.80，0.43 cm，相较于未支护时降幅分别为63.77%，63.00%，88.57%，96.32%。由此表明，施加支护后有效改善了1号煤仓围岩的受力和位移变形状态，减弱了煤仓围岩的应力集中现象，煤仓围岩位移变形出现大幅降低。

图5 1号煤仓施工过程应力与位移分布Fig.5 Stress and displacement distribution of No.1 coal bunker chamber during construction

3.2 2号煤仓施工过程围岩应力与位移分布

2号煤仓开挖、联合支护后1号煤仓与2号煤仓的应力分布如图6。

图6 2号煤仓施工过程应力分布Fig.6 Stress distribution of No.2 coal bunker chamber during construction

由图6 可知：2 号煤仓开挖后，1 号煤仓上部和下部收口处的集中应力分别降至13.65，15.09 MPa，相较1号煤仓完成联合支护，围岩应力小幅降低，降幅分别为16.92%，16.40%；联合支护完成后，1号煤仓上部和下部收口处应力峰值分别为14.94，16.45 MPa，相较2 号煤仓开挖未支护时有小幅提高，增幅分别为9.45%，9.01%。

1 号煤仓联合支护、2 号煤仓开挖、联合支护工况施工完成3 种工况下1 号煤仓测点位移分布如图7。由图7 可见：3 种工况下，煤仓上部收口处测点位移最大处均为1 号测点，1 号煤仓联合支护完成后位移为4.25 cm，2 号煤仓完成开挖后位移为3.06 cm，降幅为28.00%，联合支护后位移为3.85 cm，增幅为25.82%；仓身壁面最大位移均出现在47 号测点，分别为1.10，0.85，0.89 cm，经历2 号煤仓开挖后降幅为22.73%，联合支护后增幅为4.70%；下部收口处最大位移均为21号测点，分别为0.80，0.72，0.75 cm，经历2号煤仓开挖后降幅为10.00%，联合支护后增幅为4.17%；分煤器最大位移均为61号测点，分别为0.43，0.39，0.42 cm，经历2号煤仓开挖后降幅为9.30%，联合支护后增幅为7.70%。结合图7(a)，(c)与图4分析可知，2号煤仓开挖对1号煤仓围岩的影响范围在上部收口处约12 m、下部收口约10 m。

图7 1号煤仓测点位移分布Fig.7 Displacement distribution of measuring points of No.1 coal bunber chamber

综上可知，2 号煤仓开挖后的卸荷扰动作用使1 号煤仓围岩应力、位移减小，2 号煤仓施加支护后产生的约束作用使1 号煤仓围岩应力、位移产生小幅提升。在煤仓部分断面改变区域，如上部收口处、下部卸煤口处出现应力聚集，可考虑适当补强措施以消减应力集中；为消减煤仓中部两地层交界处应力集中现象可采用注浆措施使地层岩性接近。

4 结 论

1)1 号煤仓先期施工完成后，在煤仓上部收口、下部收口存在应力集中现象，在煤仓上部收口和仓身处出现较大位移；施加支护可有效改善煤仓的受力和位移变形状态，其应变、位移出现大幅降低。

2)近距离煤仓开挖、支护施工对先期施工煤仓具有扰动效应，开挖后形成卸荷作用使先期煤仓硐室围岩应力、变形减小，支护后产生的约束作用使先期煤仓硐室围岩应力变形轻微反弹。

3)在出现应力集中的煤仓部分断面区域可适当提高锚杆布置密度，煤仓中部两地层交界处可采用注浆措施使地层岩性接近，以消减应力集中现象。