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）有限責任公司，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)活動得以完成的前提條件。在未進行地下采掘工程時，整個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、塌落及錯位等現(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達到最大穩(wěn)定值，此時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理和力學(xué)環(huán)境，能使工程設(shè)計更加合理，保證井下工作人員生命安全，減少國家公共財產(chǎn)損失，使礦井實現(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)集團有限公司和華潤電力集團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)回風大巷埋深800m，屬于典型的地下深部巷道。巷道設(shè)計長度1275m，斷面為直墻半圓拱形，巷高4.4m，寬5.2m。

針對李糧店礦的實際情況，采用美國ITASCA咨詢公司開發(fā)的有限差分計算軟件FLAC3D，圍繞李糧店礦西四回風巷的掘進施工對巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)的影響進行數(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度的大小，指導(dǎo)鉆爆法施工，使現(xiàn)場爆破掘進鉆孔盡量避開高應(yīng)力區(qū)，有效的減小鉆孔時間，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模擬軟件計算結(jié)果的正確與否與計算模型范圍的選取有著直接關(guān)系，模型范圍太大，白白耗費了計算機能源，模型范圍太小，計算結(jié)果失真，對現(xiàn)場實際工程不具有指導(dǎo)性的意義，故計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，整個模型的長寬高尺寸分別設(shè)為60m×40m×40m。計算模型的尺寸一旦確定，網(wǎng)格劃分數(shù)目也大概確定，計算中為了減少因網(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)域因重點研究，可進行網(wǎng)格加密處理。綜上所述，為了與李糧店礦西四回風巷實際情況盡可能一致的同時考慮到模型建立的方便性和合理性，模型共劃分了90160個單元和94101個節(jié)點，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)點的速度（通常設(shè)定邊界節(jié)點某個方向的速度為零）來實現(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，模型以x軸為法線的側(cè)面限制沿x方向水平移動，模型底面限制各個方向移動。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度的大小，從而對掘進條件下巖層應(yīng)力分布規(guī)律進行研究，以及掘進工作面前方支承壓力對鉆爆法施工的影響進行分析。設(shè)計模擬方案如下。

1）模型運算至塑性平衡狀態(tài)后，將模型位移置零。

2）巷道全斷面開挖10m，不進行任何支護，初步達到平衡。

3）繼續(xù)開挖20m，運算至平衡，分析巷道掘進動壓對巷道圍巖穩(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，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，巷道兩幫和掘進端頭均發(fā)生剪切破壞，其中掘進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大巷模型進行數(shù)值模擬分析，可得如下結(jié)論。

1）結(jié)合西四回風巷地質(zhì)情況和現(xiàn)場條件，建立三維模型巷道，模擬巷道掘進過程巷道圍巖的穩(wěn)定性，尤其是掘進工作面前方應(yīng)力分布特征。巷道初始掘進10m時，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30m時，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)。在西四回風巷現(xiàn)場爆破掘進施工過程中，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間，提高了炮眼利用率，使巷道掘進速度加快了30%，避免了不必要的人員傷亡和經(jīng)濟損失，經(jīng)濟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。

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