薛華俊，宋建成，李中州，李建平，陳燦亭，程 政

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.鄭州華轅煤業(yè)有限公司，河南 鄭州 451100；3.鄭州煤炭工業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000）

巖體是長期地質(zhì)年代的產(chǎn)物，在天然狀態(tài)下存在各種初始應(yīng)力，如自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力等，初始靜態(tài)應(yīng)力場的存在是人類生產(chǎn)活動(dòng)得以完成的前提條件。在未進(jìn)行地下采掘工程時(shí)，整個(gè)巖層在長期的自重應(yīng)力場和其它應(yīng)力場的作用下處于相對穩(wěn)定的原巖初始應(yīng)力狀態(tài)，在原巖中開掘井巷或進(jìn)行回采工作后，破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡，將引起巷道附近巖體應(yīng)力狀態(tài)的改變并發(fā)生應(yīng)力的重新分布，造成不同程度的圍巖破壞與失穩(wěn)，發(fā)生滑動(dòng)、塌落及錯(cuò)位等現(xiàn)象，并在一定范圍內(nèi)形成承壓和應(yīng)力集中。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論分析，開挖的巷道斷面通過位移釋放了部分原巖壓縮變形勢能；隨著應(yīng)力分布狀態(tài)的改變和圍巖發(fā)生較大變形，巷道端面的軸向應(yīng)力降為0，而在距端面一定距離L處，垂直和水平應(yīng)力σv和σh達(dá)到最大穩(wěn)定值，此時(shí)L稱為最大應(yīng)力距離，并隨著距離的增加，σv和σh又趨于原巖應(yīng)力σv0和σh0，如圖1所示。深入研究地下工程圍巖破壞機(jī)理和力學(xué)環(huán)境，能使工程設(shè)計(jì)更加合理，保證井下工作人員生命安全，減少國家公共財(cái)產(chǎn)損失，使礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效［1－8］。

圖1 巷道迎頭應(yīng)力分布狀態(tài)

1 工程概況

李糧店煤礦為鄭州煤炭工業(yè)集團(tuán)有限公司和華潤電力集團(tuán)有限公司共同出資組建的年產(chǎn)240萬t的大型在建礦井，礦井位于新鄭、長葛、尉氏三地交界處，交通十分便利。李糧店煤礦西四采區(qū)回風(fēng)大巷埋深800m，屬于典型的地下深部巷道。巷道設(shè)計(jì)長度1275m，斷面為直墻半圓拱形，巷高4.4m，寬5.2m。

針對李糧店礦的實(shí)際情況，采用美國ITASCA咨詢公司開發(fā)的有限差分計(jì)算軟件FLAC3D，圍繞李糧店礦西四回風(fēng)巷的掘進(jìn)施工對巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析巷道迎頭端面的應(yīng)力分布狀態(tài)，確定工作面端面的應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力平衡區(qū)的影響范圍和峰值強(qiáng)度的大小，指導(dǎo)鉆爆法施工，使現(xiàn)場爆破掘進(jìn)鉆孔盡量避開高應(yīng)力區(qū)，有效的減小鉆孔時(shí)間，提高炮眼利用率。

2 基本模型的建立

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

FLAC3D模擬軟件計(jì)算結(jié)果的正確與否與計(jì)算模型范圍的選取有著直接關(guān)系，模型范圍太大，白白耗費(fèi)了計(jì)算機(jī)能源，模型范圍太小，計(jì)算結(jié)果失真，對現(xiàn)場實(shí)際工程不具有指導(dǎo)性的意義，故計(jì)算模型范圍的合理選擇非常關(guān)鍵。根據(jù)巖石力學(xué)理論，巷道掘進(jìn)后的應(yīng)力影響范圍約為巷道寬度的3～5倍，結(jié)合巷道具體尺寸，整個(gè)模型的長寬高尺寸分別設(shè)為60m×40m×40m。計(jì)算模型的尺寸一旦確定，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目也大概確定，計(jì)算中為了減少因網(wǎng)格劃分造成的誤差，網(wǎng)格的長寬比應(yīng)不大于5，對于開挖巷道附近區(qū)域因重點(diǎn)研究，可進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。綜上所述，為了與李糧店礦西四回風(fēng)巷實(shí)際情況盡可能一致的同時(shí)考慮到模型建立的方便性和合理性，模型共劃分了90160個(gè)單元和94101個(gè)節(jié)點(diǎn)，巷道周圍模型單元長度大約為0.25m，而巷道邊界處單元長度大約為1m，整個(gè)模型主要處于粉砂巖中，如圖2所示。

圖2 巷道模型的建立

2.2 本構(gòu)模型的選取及賦值

根據(jù)巖石力學(xué)理論的分析，并結(jié)合現(xiàn)場測試所得的資料，本次數(shù)值分析中的圍巖及巷道模型均采用摩爾庫倫模型（Mohr-Coulomb Model），其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.3 邊界條件和加載方式

在煤礦深部巷道工程中，初始應(yīng)力場通常為構(gòu)造應(yīng)力場和自重應(yīng)力場的疊加。在FLAC3D中，邊界條件的定義中并無通常的位移邊界條件，而是速度邊界條件，即通過設(shè)定模型邊界節(jié)點(diǎn)的速度（通常設(shè)定邊界節(jié)點(diǎn)某個(gè)方向的速度為零）來實(shí)現(xiàn)位移邊界條件的控制［9－12］。

巷道模型以y軸為法線的側(cè)面限制沿y方向水平移動(dòng)，模型以x軸為法線的側(cè)面限制沿x方向水平移動(dòng)，模型底面限制各個(gè)方向移動(dòng)。模型上部為自由面并施加垂直載荷P，模擬上覆巖層的壓強(qiáng)P＝21.56×106Pa。

2.4 模擬方案確定

為了確定應(yīng)力減低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)的影響范圍和峰值強(qiáng)度的大小，從而對掘進(jìn)條件下巖層應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，以及掘進(jìn)工作面前方支承壓力對鉆爆法施工的影響進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)模擬方案如下。

1）模型運(yùn)算至塑性平衡狀態(tài)后，將模型位移置零。

2）巷道全斷面開挖10m，不進(jìn)行任何支護(hù)，初步達(dá)到平衡。

3）繼續(xù)開挖20m，運(yùn)算至平衡，分析巷道掘進(jìn)動(dòng)壓對巷道圍巖穩(wěn)定性影響，并分析巷道端頭應(yīng)力分布特征。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 巷道開挖圍巖穩(wěn)定性分析

3.1.1 巷道開挖10m后巷道圍巖的穩(wěn)定性分析

巷道開挖后巷道壁臨空，由于沒有施加任何徑向支護(hù)，巷道圍巖軟巖承載能力極弱，切向荷載迅速增大超過其抗壓強(qiáng)度而破壞，應(yīng)力集中區(qū)迅速向深部轉(zhuǎn)移。從巷道垂向應(yīng)力分布特征可知，如圖3所示，巷道圍巖的垂向應(yīng)力值極值為27.9MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.29，距離巷道表面2.1～2.8m，巷道頂?shù)装鍛?yīng)力狀態(tài)較差，其中巷道底板呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力極值為－0.22MPa。巷道掘進(jìn)方向應(yīng)力集中區(qū)距離巷道端2.5～3.5m，應(yīng)力極值為26.1MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.21。通過巷道圍巖位移分析可知，如圖4所示，巷道頂板下沉量最大，為71.8mm，底板板底鼓量次之，為63.1mm，掘進(jìn)工作面向巷道空間即向外鼓出，鼓出位移量為14.7mm，向外鼓出位移區(qū)域距離掌子面0.0～1.5m。由巷道圍巖狀態(tài)圖可知，如圖5所示，巷道頂?shù)装寰l(fā)生較為嚴(yán)重拉伸破壞，頂板最大破壞深度為2.60m，底板最大破壞深度為3.7m，巷道圍巖均發(fā)生剪切破壞，其中掘進(jìn)端頭中部由于鼓出位移而發(fā)生拉伸破壞，破壞深度為不大于1.0m。

圖3 巷道開挖10m后巷道圍巖最小主應(yīng)力云圖

3.1.2 開挖30m巷道圍巖穩(wěn)定性分析

巷道繼續(xù)開挖20m，巷道圍巖破壞程度進(jìn)一步加劇，從巷道圍巖垂向應(yīng)力分布特征可知，如圖6所示，巷道圍巖的垂向應(yīng)力值極值為30.8MPa，距離巷道表面2.1～2.9m，巷道底板垂向應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，極值為－0.23MPa。巷道掘進(jìn)方向應(yīng)力集中區(qū)距離巷道端2.5～3.8m，應(yīng)力極值為26.7MPa。通過巷道圍巖位移分析可知，如圖7所示，巷道頂板下沉量最大，為117.5mm，底板板底鼓量次之，為65.9mm，掌子面向巷道空間即向外鼓出，鼓出位移量為10.1mm，向外鼓出位移區(qū)域距離掌子面0.0～2.0m。由巷道圍巖狀態(tài)分布圖可知，如圖8所示，巷道頂?shù)装寰l(fā)生較為嚴(yán)重拉伸破壞，頂板最大破壞深度為2.66m，底板最大破壞深度3.75m，巷道兩幫和掘進(jìn)端頭均發(fā)生剪切破壞，其中掘進(jìn)端頭破壞深度為不小于2.0m。

圖4 巷道開挖10m后巷道圍巖位移云圖

圖5 巷道開挖10m后巷道圍巖位移云圖

圖6 巷道開挖30m后巷道圍巖最小主應(yīng)力云圖

圖7 巷道開挖30m后巷道圍巖最小主應(yīng)力云圖

3.2 巷道端部應(yīng)力狀態(tài)分析

巷道開挖破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡，將引起巷道附近巖體應(yīng)力狀態(tài)的改變并發(fā)生應(yīng)力的重新分布，在一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論分析，開掘的巷道斷面通過位移釋放了部分原巖壓縮變形勢能，隨著應(yīng)力狀態(tài)的改變和圍巖發(fā)生較大變形，巷道端面的軸向應(yīng)力降為0，而豎直應(yīng)力σz和水平應(yīng)力σx在距端面一定距離L處達(dá)到最大穩(wěn)定值，L稱為最大應(yīng)力距離。這里豎直應(yīng)力σz＝26.1MPa，水平應(yīng)力σx＝5.6MPa，L＝3.0m，并隨著距離的增加，當(dāng)距離增加到18.5m，又趨于原巖應(yīng)力，如圖9所示。

圖8 巷道開挖30m后巷道圍巖最小主應(yīng)力云圖

圖9 掘進(jìn)端頭應(yīng)力分布

4 小結(jié)

通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對西四回風(fēng)大巷模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可得如下結(jié)論。

1）結(jié)合西四回風(fēng)巷地質(zhì)情況和現(xiàn)場條件，建立三維模型巷道，模擬巷道掘進(jìn)過程巷道圍巖的穩(wěn)定性，尤其是掘進(jìn)工作面前方應(yīng)力分布特征。巷道初始掘進(jìn)10m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力最大垂向應(yīng)力為27.9MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.29，而巷道工作面前方應(yīng)力集中區(qū)最大垂向應(yīng)力26.1MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.21，與工作面的距離為2.5～3.5m；巷道初始掘進(jìn)30m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力最大垂向應(yīng)力為30.8MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.43，而巷道工作面前方應(yīng)力集中區(qū)最大垂向應(yīng)力26.7MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.24，與工作面的距離為2.5～3.8m；

2）結(jié)合巷道端面應(yīng)力分布特征，進(jìn)行對比分析可知，巷道工作面前方應(yīng)力分布特征0～2.0m為應(yīng)力降低區(qū)，2.0～18.5m 為應(yīng)力升高區(qū)，其中2.5～3.8m處為高應(yīng)力區(qū)。在西四回風(fēng)巷現(xiàn)場爆破掘進(jìn)施工過程中，鉆孔盡量避免布置在應(yīng)力升高區(qū)有效的減小了鉆孔時(shí)間，提高了炮眼利用率，使巷道掘進(jìn)速度加快了30%，避免了不必要的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯，為李糧店煤礦高產(chǎn)高效做出了巨大的貢獻(xiàn)。

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