大直徑煤倉硐室施工擾動(dòng)效應(yīng)數(shù)值模擬分析

姚韋靖，劉 濤，陳 宇，黃 鑫，龐建勇

(1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001；2. 安徽理工大學(xué)土木工程博士后流動(dòng)站，安徽淮南232001；3.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116)

當(dāng)前，煤炭占我國一次性能源的60%以上，居化石能源的主導(dǎo)地位。煤倉作為井下緩解生產(chǎn)與提升能力的特殊硐室，具有暫存煤炭、調(diào)節(jié)運(yùn)輸、保證連續(xù)生產(chǎn)的功能[1]。隨煤炭需求逐年遞增煤倉硐室容量逐步提高，井下巷道及硐室分期開挖施工是一個(gè)隨時(shí)、空域不斷變化的施工過程，造成煤倉硐室圍巖大變形控制難題[2-3]。因此，煤倉硐室圍巖長期穩(wěn)定對(duì)保障煤炭安全開采、運(yùn)輸具有重要意義。

對(duì)于地下煤礦開采巖石力學(xué)問題常采用理論分析、工程類比、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行研究，數(shù)值模擬因可重復(fù)性好、成本低等優(yōu)勢而被廣泛采用。何滿潮等[4]采用FLAC3D軟件討論了不同施工方法與順序下硐室圍巖的力學(xué)特性，結(jié)果表明大斷面硐室的開挖過程是和應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史密切相關(guān)的不可逆過程；程樺等[5]針對(duì)深立井連接硐室群，數(shù)值模擬分析硐室群在開挖過程中圍巖位移規(guī)律和塑性區(qū)范圍，提出采用L 型鉆孔注漿的方法加固硐室圍巖[6]；孫昌興等[7]采用ABAQUS 分析了多硐室的失穩(wěn)破壞機(jī)理，得出鄰近硐室施工影響泵房硐室應(yīng)力和位移分布，提出采用“三錨”支護(hù)手段來加固圍巖穩(wěn)定。對(duì)于大型地下硐室群，祝方才等[8]認(rèn)為，施工過程的應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移、圍巖劣化是導(dǎo)致硐室群失穩(wěn)加速的原因；石廣斌等[9]采用MIDAS-GTS/NX 軟件模擬了硐室群存在大量不良地質(zhì)條帶情況下的開挖支護(hù)過程，并確定了錨桿(索)噴拱架為主的加固方案。

現(xiàn)有學(xué)者對(duì)于煤倉硐室的模擬研究，支護(hù)措施往往依據(jù)工程類比法，且少有對(duì)煤倉硐室施工開挖、支護(hù)全過程進(jìn)行模擬。FLAC3D數(shù)值分析軟件屬于三維快速拉格朗日分析程序，適合于大斷面硐室群施工全過程的模擬[10-12]。朱仙莊煤礦新增的2 個(gè)煤倉硐室直徑均達(dá)10 m，屬于超大直徑硐室[13]，2 個(gè)煤倉緊臨施工，擾動(dòng)嚴(yán)重。為防止此煤倉硐室在施工和使用過程中發(fā)生破壞，采用FLAC3D數(shù)值軟件討論煤倉開挖施工全過程對(duì)圍巖穩(wěn)定的擾動(dòng)效應(yīng)，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

朱仙莊煤礦位于宿州礦區(qū)北部，井田面積為26.3 km2，生產(chǎn)能力為245 萬t。主采煤層埋深至-700 m 水平，地質(zhì)條件復(fù)雜，水、火、瓦斯、頂板、煤塵、地壓“六害”俱全，屬于煤與瓦斯突出礦井。為緩解井下運(yùn)輸系統(tǒng)緩沖能力不足，在二采區(qū)皮帶機(jī)石門上方增設(shè)2 個(gè)煤倉，緩沖來自兩翼的煤炭。兩個(gè)煤倉埋深-380.45 m，凈深度為36.2 m、直徑為10 m、煤倉容量為2 300 m3。采用錨網(wǎng)索噴+鋼筋混凝土澆筑+注漿的聯(lián)合支護(hù)方式，具體支護(hù)參數(shù)為錨桿直徑22 mm，長度L=2 800 mm，間排距700 mm；錨索直徑17.8 mm，長度L=6 300 mm，錨索間排距1 400 mm；金屬網(wǎng)鋼筋直徑6 mm，網(wǎng)孔間距100 mm×100 mm；初噴混凝土等級(jí)C20，厚度50 mm；注漿錨桿直徑20 mm，長度L=2 500 mm，間排距1 400 mm，自下而上注漿；澆筑混凝土強(qiáng)度C30，厚度500 mm。煤倉硐室形狀、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意如圖1。

圖1 煤倉硐室結(jié)構(gòu)示意 單位：mmFig.1 Schematic diagram of coal bunker chamber unit:mm

根據(jù)施工進(jìn)度安排，1 號(hào)煤倉施工后2 號(hào)煤倉開始施工，鄰近硐室施工對(duì)既有煤倉硐室產(chǎn)生施工擾動(dòng)等不利影響，造成圍巖穩(wěn)定控制難題[14-16]。增設(shè)的緩沖煤倉位置示意見圖2。

圖2 增設(shè)煤倉位置示意 單位：mmFig.2 Location indication of adding coal bunker chamber unit:mm

2 煤倉硐室模型的建立和測點(diǎn)布置

2.1 模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，考慮煤倉與巷道相對(duì)位置、開挖的影響范圍，建立硐室及周邊圍巖體三維數(shù)值計(jì)算模型，確定整個(gè)地層模型尺寸為200 m×200 m×200 m。采用襯砌單元模擬混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，采用cable 單元模擬錨桿和錨索，選用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則作為材料彈塑性本構(gòu)模型。采用RHION 軟件建立硐室及地層幾何模型，然后將模型導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共657 035 個(gè)單元、111 724 個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型示意及網(wǎng)格劃分見圖3。設(shè)置模型底面和四周為固定邊界、頂部為自由邊界，在頂部施加豎向荷載以代替上覆巖層自重，自重應(yīng)力取400 m×25 kN/m3=10.0 MPa[17]。根據(jù)礦井地質(zhì)資料[18]，煤倉所處地層巖性主要有粉砂巖、泥巖和粉質(zhì)泥巖，整體強(qiáng)度低、遇水膨脹崩解，自身穩(wěn)定性差，結(jié)合取芯進(jìn)行巖樣的物理力學(xué)性能測試，得到施工開挖巖層主要特性參數(shù)，見表1。

圖3 煤倉硐室模型網(wǎng)格劃分示意Fig.3 Schematic diagram for grid division of coal bunker model

表1 圍巖主要力學(xué)參數(shù)Tab.1 Main mechanical parameters of surrounding rock

2.2 測點(diǎn)布置

為與工程實(shí)際接近，模型地應(yīng)力平衡后，開挖巷道完成1號(hào)煤倉施工，而后開挖鄰近巷道開始2號(hào)煤倉施工。1號(hào)煤倉施工步驟為開挖、錨桿錨索支護(hù)、混凝土襯砌聯(lián)合支護(hù)3個(gè)過程，2號(hào)煤倉施工步驟為開挖、錨桿錨索-混凝土襯砌聯(lián)合支護(hù)兩個(gè)過程。為討論1號(hào)煤倉聯(lián)合支護(hù)、2號(hào)煤倉開挖、聯(lián)合支護(hù)施作后壁面位移變化，在煤倉硐室壁面布置相應(yīng)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置見圖4。圖4所示測點(diǎn)具體為煤倉上部收口(測點(diǎn)1～20)、倉身壁面(測點(diǎn)37～60)、下部收口(測點(diǎn)21～36)、分煤器(測點(diǎn)61～64)4個(gè)部位。

圖4 煤倉硐室壁面測點(diǎn)布置Fig.4 Layout of measuring points on the wall of coal bunker chamber

3 結(jié)果和分析

3.1 1號(hào)煤倉施工過程圍巖應(yīng)力與位移分布

1 號(hào)煤倉開挖、錨桿錨索支護(hù)及聯(lián)合支護(hù)后的應(yīng)力、位移分布如圖5。由圖5(a)，(c)，(e)可知：1 號(hào)煤倉開挖后，煤倉上部和下部收口處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力峰值分別為25.23，26.43 MPa，而煤倉倉身整體未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中；施加錨桿錨索支護(hù)后，煤倉上部和下部收口處集中應(yīng)力峰值分別降為21.36，22.95 MPa，相較于未支護(hù)時(shí)降幅分別為15.34%，13.17%；施加聯(lián)合支護(hù)后，煤倉上部和下部收口處的應(yīng)力峰值分別降為16.43，18.05 MPa，相較于未支護(hù)時(shí)降幅分別為34.88%，31.71%。由圖5(b)，(d)，(f)可知：1 號(hào)煤倉開挖后上部收口處的圍巖處于懸空狀態(tài)，產(chǎn)生了11.73 cm 的向下位移，煤倉倉身圍巖出現(xiàn)了約3 cm 的向內(nèi)位移，煤倉下部收口處存在7 cm 的位移，而下部的分煤器出現(xiàn)“起拱”現(xiàn)象，出現(xiàn)了11.67 cm 的拱起；施加錨桿錨索支護(hù)后，煤倉上部收口處、煤倉倉身、下部收口處、分煤器處圍巖的位移分別降為7.61，1.89，3.48，5.16 cm，相較于未支護(hù)時(shí)降幅分別為35.12%，37.00%，50.29%，55.78%；施加聯(lián)合支護(hù)后，上部收口處、煤倉倉身圍巖、下部收口、分煤器的位移分別降為4.25，1.10，0.80，0.43 cm，相較于未支護(hù)時(shí)降幅分別為63.77%，63.00%，88.57%，96.32%。由此表明，施加支護(hù)后有效改善了1號(hào)煤倉圍巖的受力和位移變形狀態(tài)，減弱了煤倉圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤倉圍巖位移變形出現(xiàn)大幅降低。

圖5 1號(hào)煤倉施工過程應(yīng)力與位移分布Fig.5 Stress and displacement distribution of No.1 coal bunker chamber during construction

3.2 2號(hào)煤倉施工過程圍巖應(yīng)力與位移分布

2號(hào)煤倉開挖、聯(lián)合支護(hù)后1號(hào)煤倉與2號(hào)煤倉的應(yīng)力分布如圖6。

圖6 2號(hào)煤倉施工過程應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of No.2 coal bunker chamber during construction

由圖6 可知：2 號(hào)煤倉開挖后，1 號(hào)煤倉上部和下部收口處的集中應(yīng)力分別降至13.65，15.09 MPa，相較1號(hào)煤倉完成聯(lián)合支護(hù)，圍巖應(yīng)力小幅降低，降幅分別為16.92%，16.40%；聯(lián)合支護(hù)完成后，1號(hào)煤倉上部和下部收口處應(yīng)力峰值分別為14.94，16.45 MPa，相較2 號(hào)煤倉開挖未支護(hù)時(shí)有小幅提高，增幅分別為9.45%，9.01%。

1 號(hào)煤倉聯(lián)合支護(hù)、2 號(hào)煤倉開挖、聯(lián)合支護(hù)工況施工完成3 種工況下1 號(hào)煤倉測點(diǎn)位移分布如圖7。由圖7 可見：3 種工況下，煤倉上部收口處測點(diǎn)位移最大處均為1 號(hào)測點(diǎn)，1 號(hào)煤倉聯(lián)合支護(hù)完成后位移為4.25 cm，2 號(hào)煤倉完成開挖后位移為3.06 cm，降幅為28.00%，聯(lián)合支護(hù)后位移為3.85 cm，增幅為25.82%；倉身壁面最大位移均出現(xiàn)在47 號(hào)測點(diǎn)，分別為1.10，0.85，0.89 cm，經(jīng)歷2 號(hào)煤倉開挖后降幅為22.73%，聯(lián)合支護(hù)后增幅為4.70%；下部收口處最大位移均為21號(hào)測點(diǎn)，分別為0.80，0.72，0.75 cm，經(jīng)歷2號(hào)煤倉開挖后降幅為10.00%，聯(lián)合支護(hù)后增幅為4.17%；分煤器最大位移均為61號(hào)測點(diǎn)，分別為0.43，0.39，0.42 cm，經(jīng)歷2號(hào)煤倉開挖后降幅為9.30%，聯(lián)合支護(hù)后增幅為7.70%。結(jié)合圖7(a)，(c)與圖4分析可知，2號(hào)煤倉開挖對(duì)1號(hào)煤倉圍巖的影響范圍在上部收口處約12 m、下部收口約10 m。

圖7 1號(hào)煤倉測點(diǎn)位移分布Fig.7 Displacement distribution of measuring points of No.1 coal bunber chamber

綜上可知，2 號(hào)煤倉開挖后的卸荷擾動(dòng)作用使1 號(hào)煤倉圍巖應(yīng)力、位移減小，2 號(hào)煤倉施加支護(hù)后產(chǎn)生的約束作用使1 號(hào)煤倉圍巖應(yīng)力、位移產(chǎn)生小幅提升。在煤倉部分?jǐn)嗝娓淖儏^(qū)域，如上部收口處、下部卸煤口處出現(xiàn)應(yīng)力聚集，可考慮適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)措施以消減應(yīng)力集中；為消減煤倉中部兩地層交界處應(yīng)力集中現(xiàn)象可采用注漿措施使地層巖性接近。

4 結(jié) 論

1)1 號(hào)煤倉先期施工完成后，在煤倉上部收口、下部收口存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在煤倉上部收口和倉身處出現(xiàn)較大位移；施加支護(hù)可有效改善煤倉的受力和位移變形狀態(tài)，其應(yīng)變、位移出現(xiàn)大幅降低。

2)近距離煤倉開挖、支護(hù)施工對(duì)先期施工煤倉具有擾動(dòng)效應(yīng)，開挖后形成卸荷作用使先期煤倉硐室圍巖應(yīng)力、變形減小，支護(hù)后產(chǎn)生的約束作用使先期煤倉硐室圍巖應(yīng)力變形輕微反彈。

3)在出現(xiàn)應(yīng)力集中的煤倉部分?jǐn)嗝鎱^(qū)域可適當(dāng)提高錨桿布置密度，煤倉中部兩地層交界處可采用注漿措施使地層巖性接近，以消減應(yīng)力集中現(xiàn)象。