深井軟巖硐室群合理布置的數(shù)值模擬研究

閆培顯 劉 浩 周寶龍

(1. 兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東省濟(jì)寧市，272000；2. 山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

1 工程概況

在新河煤礦-980 m二節(jié)軌道暗斜井底車場(chǎng)以里軌道大巷北側(cè)布置水平泵房、變電所及水倉(cāng)。泵房、變電所聯(lián)合布置在3號(hào)煤層頂板以下砂巖中。泵房長(zhǎng)度50 m，泵房?jī)?nèi)布置有5個(gè)吸水井壁龕。變電所長(zhǎng)度60 m，水倉(cāng)分內(nèi)、外兩倉(cāng)布置，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為498 m。

2 數(shù)值模擬

受水泵房主體硐室長(zhǎng)度限制以及水泵、電機(jī)組合預(yù)留間距的影響，確定壁龕間距在4～6 m范圍內(nèi)。本次模擬分為2個(gè)方案：方案1模擬同尺寸壁龕，研究?jī)蓚€(gè)相同尺寸壁龕在不同間距(4 m、5 m、6 m)下應(yīng)力變化規(guī)律及相互影響；方案2模擬不同尺寸壁龕，研究?jī)蓚€(gè)不同尺寸壁龕在不同間距(4 m、5 m、6 m)下應(yīng)力變化規(guī)律及相互影響。

2.1 計(jì)算模型

依據(jù)新河煤礦-980 m水平水泵房所處圍巖環(huán)境建立模型，模型尺寸為50 m×20 m×30 m(長(zhǎng)×寬×高)。水泵房主體硐室設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱形，寬6 m，高4 m。方案1中壁龕為直墻半圓拱形巷道，寬5 m，高1.5 m。方案2中大壁龕與方案1的壁龕尺寸相同，小壁龕為直墻半圓拱形巷道，寬3 m，高1.2 m。方案1模型由123350個(gè)單元組成，方案2模型由209631個(gè)單元組成。開(kāi)挖前，對(duì)模型進(jìn)行初始平衡計(jì)算，使巖層處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。水泵房平面布置如圖1所示。

圖1 水泵房平面布置圖

巖層名稱密度/kg·m-3彈性模量/GPa泊松比內(nèi)聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)泥巖24558.230.271.20.63730細(xì)砂巖2563250.2083.52.1339.2泥巖24558.230.271.20.63730

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 方案1模擬結(jié)果分析

(1)垂直應(yīng)力分析。兩同等尺寸的壁龕在同一水平開(kāi)挖，模擬獲得同等斷面巷道不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力變化YOX切片如圖2所示。由圖2可知，受水泵房主體硐室開(kāi)挖的影響，垂直應(yīng)力沿主體硐室開(kāi)挖方向集中分布。壁龕間距4 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域分布在壁龕左右兩側(cè)以及壁龕煤柱之間，且與壁龕掌面平行，兩壁龕煤柱最大垂直應(yīng)力達(dá)到40 MPa，壁龕兩側(cè)垂直應(yīng)力最大達(dá)到38.5 MPa。壁龕相距5 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域由外側(cè)開(kāi)始往煤柱中間移動(dòng)且垂直應(yīng)力增加到44.1 MPa，壁龕左右兩側(cè)垂直應(yīng)力減小到36 MPa。對(duì)比5 m與6 m間距時(shí)模型垂直應(yīng)力分布可知，應(yīng)力變化量不大，說(shuō)明間距大于5 m時(shí)圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

(2)圍巖位移分析。同等斷面巷道不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力變化XOZ切片如圖3所示，同等斷面巷道不同保護(hù)寬度下壁龕圍巖位移量如圖4所示。由圖3和圖4可知，隨著保護(hù)寬度的增大，圍巖位移量逐漸減小，圍巖趨于穩(wěn)定。相距4 m時(shí)，壁龕頂板下沉量達(dá)到1040 mm，底板底鼓量達(dá)334 mm，壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移為1303 mm。相距5 m時(shí)，壁龕頂板下沉量減小到821 mm，底鼓量減小到308.2 mm，兩壁龕之間底板變形范圍縮小，壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移減小至1052 mm。相距6 m時(shí)，壁龕頂板下沉量減小到422 mm，底鼓量減小到203.8 m，兩壁龕之間底板變形范圍進(jìn)一步縮小，壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移減小至838 mm。

圖2 不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力演化云圖YOX切片

圖3 不同保護(hù)寬度下覆巖垂直位移云圖XOZ切片

圖4 同等斷面巷道不同保護(hù)寬度下壁龕圍巖位移量

結(jié)合不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力分析和垂直位移分析可知，水泵房主體硐室與壁龕連接處變形較大。隨著壁龕之間寬度的增加，兩壁龕之間應(yīng)力集中區(qū)域由外側(cè)開(kāi)始往煤柱中間移動(dòng)且應(yīng)力值越來(lái)越大，兩壁龕左右兩側(cè)的應(yīng)力值逐漸減小。由分析可知，間距大于5 m時(shí)圍巖趨于穩(wěn)定。

2.2.2 方案2模擬結(jié)果分析

(1)垂直應(yīng)力分析。兩同等尺寸的壁龕在同一水平開(kāi)挖，模擬獲得不等斷面巷道不同保護(hù)寬度下垂直應(yīng)力變化如圖5所示。由圖5可知，受主體硐室開(kāi)挖的影響，垂直應(yīng)力沿主體硐室開(kāi)挖方向集中分布。壁龕間距4 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域分布在大壁龕左側(cè)以及兩壁龕之間，兩壁龕煤柱最大垂直應(yīng)力達(dá)到39.8 MPa，大壁龕左側(cè)垂直應(yīng)力達(dá)到36.5 MPa。壁龕相距5 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域位置不變且垂直應(yīng)力增加到43.2 MPa，大壁龕左側(cè)垂直應(yīng)力減小到36 MPa。相距6 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域位置不變且垂直應(yīng)力增加到43.9 MPa，壁龕左右兩側(cè)垂直應(yīng)力減小至35.6 MPa。與同斷面壁龕模擬相比，應(yīng)力集中偏向于小壁龕一側(cè)。5 m與6 m間距時(shí)垂直應(yīng)力變化量不大，與同斷面壁龕模型相同，間距大于5 m時(shí)，圍巖趨于穩(wěn)定。

圖5 不等斷面巷道不同保護(hù)寬度下垂直應(yīng)力云圖YOX切片

(2)圍巖位移分析。不同斷面巷道不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力變化如圖6所示，不同斷面巷道不同保護(hù)寬度下壁龕圍巖位移量如圖7所示。由圖6和圖7可知，隨著保護(hù)寬度的增大，其圍巖位移量逐漸減小，圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，大斷面硐室圍巖位移量比小斷面硐室要大。相距4 m時(shí)，大斷面硐室頂板下沉量達(dá)1541 mm，底鼓量達(dá)531 mm，小斷面硐室頂板下沉量達(dá)到924 mm，底鼓量達(dá)361 mm，壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移為1432 mm。相距5 m時(shí)，大斷面硐室頂板下沉量達(dá)到1023 mm，底鼓量達(dá)332.5 mm，小斷面硐室頂板下沉量達(dá)到756 mm，底鼓量達(dá)302.5 mm，兩硐室之間底板變形范圍縮小，壁龕之間水平位移減小至1257 mm。相距6 m時(shí)，大斷面硐室頂板下沉量達(dá)到836 mm，底鼓量達(dá)273 mm，小斷面硐室頂板下沉量達(dá)到410 mm，底鼓量達(dá)219.9 mm，兩硐室之間底板變形范圍進(jìn)一步縮小，壁龕之間水平位移減小至936 mm。

圖6 不同斷面巷道不同保護(hù)寬度下壁龕垂直位移云圖

結(jié)合不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力分析和垂直位移分析可知，主體硐室與壁龕連接處變形較大，且大壁龕連接處比小壁龕連接處變形要大。與同斷面壁龕模型相同，對(duì)于壁龕之間，間距越小，壁龕之間圍巖體應(yīng)力較小，隨著間距的增大，硐室圍巖變形逐漸減小。

間距大于5 m時(shí)圍巖亦趨于穩(wěn)定。

圖7 不同斷面巷道不同保護(hù)寬度下壁龕圍巖位移量

4 結(jié)論

(1)等斷面壁龕開(kāi)挖過(guò)程中，兩壁龕之間圍巖體中應(yīng)力分布均勻，隨著煤柱距離的增加，兩壁龕之間應(yīng)力集中區(qū)由煤柱外側(cè)向煤柱中間移動(dòng)并逐漸增大，圍巖變形逐漸減小，則在進(jìn)行壁龕布置時(shí)，將壁龕間距控制在5～6 m范圍內(nèi)。

(2)不等斷面壁龕開(kāi)挖過(guò)程中，隨著煤柱距離的增加，兩壁龕之間煤柱中應(yīng)力集中區(qū)移動(dòng)不明顯，但應(yīng)力值逐漸增加，圍巖位移量逐漸減小，與等斷面壁龕開(kāi)挖相同，大壁龕受小壁龕的擾動(dòng)影響較大，在進(jìn)行壁龕布置時(shí)，將壁龕間距控制在5～6 m范圍內(nèi)。

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